Если для фотона не существует времени, почему мы воспринимаем его так, как будто он имеет скорость? Заранее предупреждаю, что теория относительности — настолько непростая штука, что прямого ответа на вопрос в тексте ниже вы не получите...
С точки зрения любого наблюдателя его собственная инерциальная система отсчёта всегда кажется «нормальной». Это длина и время движущейся инерциальной системы отсчета, которая будет казаться растянутой в пространстве-времени или сокращающейся по направлению движения.
Обратите внимание, что далее мы говорим о системе отсчёта, имеющей скорость света. Она является исключительной и применимой только для частиц с нулевой массой покоя, таких как фотоны. Требуется бесконечная энергия для ускорения чего-либо до скорости света, если это тело имеет хоть какую-нибудь массу.
Давайте пока проигнорируем всё это и создадим небольшой мысленный эксперимент.
Предположим, Вселенная состоит только из галактики Млечный Путь, диаметр которой составляет 100 000 световых лет, а мы путешествуем на корабле, движущемся с постоянной релятивистской скоростью от одного конца галактики к другому. По совпадению, в то время, когда Эйнштейн публиковал Специальную теорию относительности, преобладало мнение, что Млечный Путь действительно был единственной галактикой во Вселенной. Мы исключаем сейчас другие галактики во Вселенной, потому что, когда они удаляются с релятивистскими скоростями, тогда, говоря релятивистски, их положение и импульс становятся всё более неопределёнными.
Итак, наш корабль — единственный объект, движущийся с релятивистской скоростью по отношению к Галактике. Поэтому для наблюдателя на корабле наша стационарная инерциальная система отсчета — это только сам корабль и всё, что он несёт, что всегда кажется «нормальным» независимо от участия в любом движении.
Итак, с точки зрения наблюдателя с этого корабля на проходящую мимо галактику: вся галактика движется, проходя мимо с некоторой релятивистской скоростью. Ни одна из известных звёзд в Млечном Пути не движется со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому, говоря релятивистски, всю галактику можно рассматривать как стационарную систему. Любое движение в галактике слишком медленное, чтобы повлиять на любые наблюдаемые релятивистские эффекты. Мы можем рассматривать всю галактику в целом как одну гигантскую инерциальную систему отсчета.
В начале путешествия из одной стороны Галактики в другую мы увидим, что длина галактики сокращается в направлении движения. Гипотетически, если бы наша скорость была скоростью света, галактика имела бы в поперечнике 0 световых лет, а путешествие заняло бы всего лишь мгновение времени.
С точки зрения наблюдателя с Земли на такой приближающийся корабль, его размеры будут сокращаться при увеличении скорости. Гипотетически, при скорости света его длина будет сокращена до 0% от исходной.
Итак, ширина Млечного Пути составляет 100 000 световых лет только при нулевой скорости.
Кстати, если бы наблюдатель на корабле когда-либо оглянулся в конце своего путешествия, он был бы весьма шокирован увиденным, но это уже другой вопрос.
Наблюдатель, смотрящий назад на объект, удаляющийся с релятивистскими скоростями, увидел бы объект, который гораздо более смещён в красную сторону, чем он думал. Это создало бы впечатление, что он находится намного дальше и удаляется с гораздо большей скоростью. Однако это было бы просто релятивистской иллюзией замедления времени.
Это могло бы объяснить, почему кажется, что расширение Вселенной ускоряется...
По материалам публикации (англ.).
Из комментариев
Для любого квантового объекта, фотона, электрона или чего-то ещё нет ни пространства, ни времени. Фотоны не двигаются классически, хотя свет имеет скорость света.
Преобразования Лоренца нельзя применять к свету, поскольку у света нет системы отсчёта. Свет не может «видеть», как тот же свет уходит во всех направлениях. Поэтому свет всегда движется только с одной скоростью — скоростью света.
