Почему вопрос о скорости света — это вопрос о физике в целом
Скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с. Такая точность не случайна: в 1983 году метр переопределили через световой путь за фиксированную долю секунды, и скорость света стала не просто измеряемой величиной, а фундаментом, на котором построена вся система единиц.
Формула E = mc² связывает массу и энергию. Скорость света в этой формуле стоит в квадрате. Если скорость уменьшить вдвое, квадрат скорости уменьшится в четыре раза, а значит, и энергия из любой ядерной реакции станет в четыре раза меньше. Что означают эти цифры на практике?
Сейчас один килограмм вещества при полном превращении высвобождает около 90 петаджоулей. При вдвое меньшей скорости света только 22 петаджоулей. Атомная станция, термоядерный синтез, ядерное оружие — все они работают за счет дефекта масс: крошечная доля массы ядер исчезает при реакции и превращается в энергию через E = mc². Тот же дефект, но тепла будет вчетверо меньше.
Солнцу придется перестраивать равновесие
Каждую секунду Солнце сжигает около 600 миллионов тонн водорода, и примерно 4 миллиона тонн из них превращаются в излучение. Если скорость света уменьшить вдвое, те же реакции слияния ядер дадут в четыре раза меньше энергии. Чтобы не сжаться под собственной гравитацией, звезде придется либо ускорить синтез, сжавшись и разогрев ядро, либо быть значительно тусклее при прежних размерах.
Точный расчет требует уравнений звездной структуры, но вывод однозначен: весь цикл эволюции звезд изменился бы радикально. Светила горели бы быстрее и ярче или были бы слабее — в зависимости от того, как сдвинулось бы равновесие между давлением излучения и гравитацией.
Атомы устоят — но не все
Здесь возникает неожиданный результат. Размер атома и устойчивость химических связей определяет не c напрямую, а безразмерная постоянная тонкой структуры α ≈ 1/137. Она показывает, насколько сильно электрические заряды взаимодействуют между собой. Эта константа устроена так, что скорость света стоит в знаменателе. Если скорость света уменьшается наполовину, константа растет ровно вдвое.
Скорость электрона в атоме водорода зависит от обеих величин: от постоянной тонкой структуры и от скорости света. Если одна из них вырастает вдвое, а другая падает вдвое, их произведение не меняется. Электрон в водороде будет двигаться с той же скоростью, что и сейчас. Энергии орбиталей тоже не изменятся. Водород остался бы водородом с теми же размерами и теми же спектрами.
Но с тяжелыми элементами все сложнее. Релятивистские поправки зависят от квадрата заряда ядра и от квадрата постоянной тонкой структуры. При удвоенной α эти поправки вырастут в четыре раза для любого ядра. Для золота эти поправки и сейчас ощутимы: именно из-за них золото поглощает синий свет и кажется желтым, а серебро отражает весь спектр. При удвоенном α такие эффекты усилятся и распространятся на более легкие элементы — химия тяжелых металлов стала бы совершенно другой.
Магнетизм станет сильнее, а связь — медленнее
Скорость света определяется двумя свойствами вакуума: электрической и магнитной проницаемостью. Если скорость упадет вдвое, а электрическая проницаемость не изменится, магнитная проницаемость должна вырасти в четыре раза — иначе уравнения Максвелла не сойдутся. А магнитная сила между параллельными токами прямо пропорциональна магнитной проницаемости. Значит, электродвигатели, трансформаторы и генераторы работали бы в иных режимах.
Задержки сигнала выросли бы вдвое. Сейчас лунное эхо возвращается за 2,56 секунды туда и обратно — стало бы 5 секунд. До Марса в ближнем сближении сигнал идет около 3,5 минуты — в мире, где скорость света вдвое меньше, ждать ответа пришлось бы почти 7 минут. GPS-навигация, которая держится на наносекундной точности световых поправок, потребовала бы полного пересмотра всех алгоритмов.
Почему константа не может быть другой
На самом деле вопрос не в скорости света как таковой. Скорость света — это просто число, которое зависит от того, в каких единицах мы его измеряем. А есть величина, которая от единиц не зависит: постоянная тонкой структуры, равная примерно 1/137. Вот она — настоящая константа, которая определяет устройство мира. Если бы постоянная тонкой структуры была чуть больше (около 1/100), в звездах не образовывался бы углерод — а значит, не было бы и жизни, какой мы ее знаем. При удвоенной α (~1/68) тяжелые ядра разлетались бы быстрее, и синтез элементов тяжелее железа стал бы невозможен.
Показательно, что легкие атомы — водород и гелий — сохранились бы почти неизменными даже в таком мире: их размеры и энергии нечувствительны к пропорциональному изменению α и c. Но ядерная энергетика ослабла бы в четыре раза, звездная эволюция пошла бы по другому маршруту, а химия тяжелых элементов стала бы неузнаваемой. Вселенной достаточно одного безразмерного числа, чтобы определить, какой она будет.