Почему скорость света такая большая?

Перевод на русский: Д. С. Кравченко, 28.01.2004
Оригинал: Philip Gibbs, 29.12.1997

Один ответ таков: а это вовсе не так! Когда физики работают с уравнениями относительности, они часто полагают, что скорость света равна единице: c = 1. Тогда уравнения становятся более простыми. Подобная операция равносильна введению других единиц измерения, естественных, в которых скорость света равна в точности единице. Например, если оставить в качестве единицы времени секунду, то единица длины должна быть в точности равна 299 792 458 метров. Эта единица называется световой секундой, так как именно это расстояние свет проходит за одну секунду. И тогда скорость света будет равна одной световой секунде в секунду.

Но это еще не все. Скорость света большая, если измерять ее в наших привычных единицах — метрах в секунду или километрах в час. Эти единицы сложились по стечению обстоятельств, в глубокой древности, когда человеку впервые потребовалось измерять время и расстояние. Не случайно наверное секунда почти равна периоду между ударами сердца, а метр — почти равен длине пары шагов. То есть, настоящий вопрос надо ставить так: "Почему скорость света такая большая по сравнению с величинами нашего обыденного мира?" или так: "Почему скорости, с которыми мы обычно двигаемся, такие маленькие в естественных единицах, в которых наиболее просты уравнения физики?".

Это очень важные вопросы, но на них мы можем ответить лишь отчасти. Скорости, с которыми мы ходим и живем, определяются относительным количеством доступной нам химической энергии E, которая выделяется в мышцах, в сравнении с массой наших тел m. Кинетическая энергия при низкой скорости дается формулой E = (1/2)mv2. Поэтому скорости, получаемые нами от химического топлива, равны по порядку величины квадратному корню из E/m. А на самом деле — еще меньше, так как наши тела используют энергию очень неэффективно, медленно рассеивая большую его часть в виде тепла. Наши скорости также должны быть сравнимы с относительной величиной силы гравитации Земли g = 9,8 м/с2 по сравнению с размером наших тел. Не случайно, что в отличие от c, число g, выраженное общепринятых единицах, равно такому ни большому и ни маленькому числу!

Согласно теории относительности, построенной Эйнштейном, количество энергии, которая содержится в массе m, выражается формулой E = mc2, поэтому исходный вопрос превращается, наконец, в вопрос: "Почему такая малая часть энергии вещества сосредоточена в виде химической энергии"? Если бы наш обмен веществ работал на атомных, а не на химических, реакциях, мы бы могли двигаться гораздо быстрее (считаем, что прочие условия соблюдены) и тогда наши единицы длины и времени были бы другими и скорость света не казалась бы такой большой. Описанное соотношение между энергиями определяется такими параметрами, как константы связи основных взаимодействий, а также массами частиц. Из наблюдений мы знаем, что эти значения разнятся на порядки. Почему дело обстоит именно так, мы пока не знаем. Быть может, это чистая случайность и тогда значения этих величин должны быть просто заданы как некая первоначальная сущность, наподобие антропного принципа. А может быть, что эти величины однозначно вытекают из единой теории взаимодействий при естественном расщеплении на различные масштабы. Сила земного притяжения определяется из похожих параметров в космологии, и тот же подход может быть применим к вопросу, почему у обитаемых планет такое небольшое притяжение. Пока мы не узнаем больше о фундаментальных параметрах и о том, как они получаются из более глубинных основ, более точно ответить нельзя.