Можно ли взобраться на луч света? Физическая загадка с punchline

Двое пьяных, один фонарик и вызов: взберись по лучу. Один включает свет и предлагает приятелю взобраться по светящемуся столбу. Другой, не будь дурак, отвечает, что с радостью полез бы — но на полпути тот может щёлкнуть выключателем, и он упадёт. Зрители смеются, но эта шутка десятилетиями тихо не даёт покоя физикам.

Номер — классика китайского комедийного жанра, популяризированная покойным мастером сяншэна Хоу Баолинем. Он работает потому, что берёт знакомый образ — видимый столб света — и обращается с ним как с твёрдым предметом. Первый вопрос: существует ли луч вообще. В чистом воздухе луч фонарика невидим; мы видим свет, рассеянный на пыли, тумане и дыме. Столб — не вещь, а путь, поток фотонов, отражающихся от частиц и попадающих в глаз.

Предположим, вы всё-таки могли бы по нему взобраться. Фотоны обладают импульсом, поэтому луч света давит на то, во что попадает, — на этом принципе основаны солнечные паруса и оптические пинцеты, удерживающие и перемещающие микрообъекты сфокусированным лазерным светом. Но сила эта фантастически мала. Луч карманного фонарика создаёт давление, слишком слабое, чтобы удержать человека или даже песчинку против гравитации. Понадобился бы прожектор масштабом со звезду.

А затем — выключатель. Свет распространяется со скоростью около 300 000 километров в секунду, поэтому, когда фонарик гаснет, луч не зависает и не тает, как кольцо дыма. Последние фотоны уносятся почти мгновенно. Тот, кто устроился на луче, не упадёт из-за исчезнувшего столба; он просто окажется в темноте, под действием обычной гравитации, и упадёт. В этом смысле беспокойство пьяного обоснованно, хоть и по неверной причине.

У физиков есть более точная формулировка. Свет — не жёсткая лестница, а распространяющаяся электромагнитная волна. Её импульс несёт сама волна, и когда источник замолкает, волна перестаёт излучаться. Не остаётся никакой структуры, на которую можно встать. Вопрос о том, что происходит с лучом после выключения, — это на самом деле вопрос о том, что такое свет: вещь, событие или описание того, как движется энергия.

Загадка также соприкасается с теорией относительности. Если бы вы могли мчаться на луче со скоростью света, система отсчёта самого фонарика вела бы себя странно — замедление времени и постоянство скорости света делают идею догнать фотон скользкой. Эйнштейн, как известно, ещё подростком воображал погоню за лучом света, и этот мысленный эксперимент помог привести его к специальной теории относительности. Пьяные, по-своему, в хорошей компании.

Так что ответ многослоен. Вы не увидите луч, если его нечему рассеять. Вы не сможете на нём стоять, потому что его давление ничтожно. А если свет погаснет, вы упадёте — не потому, что столб убрали, а потому, что столба никогда и не было. Шутка живёт, потому что интуиция, которую она высмеивает, слишком упряма: мы обращаемся со светом как с твёрдым телом, хотя это самое неуловимое, что мы знаем.

Вот почему номер то и дело всплывает на уроках физики и в научно-популярных текстах. Он начинается со смеха и заканчивается импульсом, рассеянием и скоростью света — напоминание о том, что обыденный язык о повседневных вещах может скрывать необыкновенную физику. В следующий раз, когда кто-то взмахнёт фонариком, луч будет там, но лишь потому, что что-то в воздухе его ловит.