Помоги проекту - поделись книгой:
Прибор Майкельсона и Морли был достаточно чувствительным, чтобы измерять малые различия скорости движения света в разных направлениях. Но они не обнаружили никаких отклонений. В какую сторону ни смотри, световые волны всегда имели одну и ту же скорость – 300 000 км/с, как если бы Земля, двигаясь в космическом пространстве, волокла гипотетический эфир вместе с собой. Никто не смог предложить удовлетворительного объяснения этим наблюдениям.
Итак, Эйнштейн знал о двух фактах, не объяснимых в рамках ни одной существующей на тот момент теории, – чрезмерной прецессии перигелия орбиты Меркурия и постоянстве скорости света.
Единственным ответом стала его теория относительности.
Осенью 1896 г. 17-летний Альберт Эйнштейн был зачислен на 4-летний курс математики и физики в Политехническую школу Цюриха. Сначала он поддерживал контакт со своей подругой Мари, но все изменило знакомство с сербкой Милевой Марич, единственной девушкой на потоке. Как и Мари, она была старше Альберта. В отличие от Мари, она понимала многие тонкости физики. Любовь оказалась взаимной.
Через 4 года Альберт окончил курс и получил диплом, дававший возможность преподавать физику и математику в средней школе, но предпочел бы труду учителя работу над диссертацией на степень доктора философии, желательно в нидерландском Лейдене. Лейденский университет был альма-матер и местом работы Хендрика Лоренца, одного из величайших физиков своего времени, которого Эйнштейн глубоко почитал. На основе работы Лоренца он сформулирует идеи относительности.
В 1901 г., надеясь оказаться ближе к Лоренцу, Эйнштейн подал заявление о приеме на работу в лейденскую лабораторию физики низких температур Хейке Камерлинга-Оннеса, другого гиганта науки. Но Камерлинг-Оннес даже не потрудился написать ответ, что оказалось потерей не только для Эйнштейна, но и для голландской физики. В конце концов, Эйнштейну удалось устроиться клерком в Федеральное бюро патентования изобретений в швейцарском Берне, куда его, по доброте душевной, рекомендовал отец его друга и одноклассника Марселя Гроссмана. Работа была скучной, но в спокойные дни предоставляла достаточно свободного времени для размышлений над теориями в области физики.
Жизнь складывалась не слишком удачно. Весной 1901 г. у Милевы случилась незапланированная беременность, и в январе 1902 г. родилась их с Альбертом дочь Лизерль, дальнейшая судьба которой неизвестна. Биографы Эйнштейна даже не знали о Лизерль до 1986 г. Возможно, она была умственно отсталой и, вероятно, умерла от скарлатины осенью 1903 г., через год после кончины отца Альберта Германа (хотя существует версия, что Лизерль была удочерена подругой Милевы и дожила до 1990-х гг.). Как бы то ни было, создается впечатление, что Эйнштейн ни разу не видел дочери.
Альберт и Милева поженились в Берне в январе 1903 г.; их первый сын Ганс Альберт родился в мае 1904 г. Эйнштейн не уделял особого внимания ни воспитанию ребенка, ни домашнему хозяйству. В те времена считалось, что это обязанность женщины, и Милеве пришлось пожертвовать физикой. Альберт тем временем вступил на путь, ведущий к открытию тайн орбиты Меркурия и постоянства скорости света.
Это был двухэтапный процесс. В 1905 г. появилась специальная теория относительности (СТО). На основе работы своего бывшего преподавателя профессора Германа Минковского, разработавшего понятие четырехмерного пространственно-временного континуума, Эйнштейн показал, что и пространство, и время являются относительными понятиями. Каково расстояние между двумя точками? Это зависит от того, кому вы задаете этот вопрос. То же самое относится к времени, когда происходят события. Два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, дадут разные ответы. И оба будут правы. Прощай, Ньютон, абсолютного пространства и абсолютного времени не существует.
СТО не проста. Чтобы полностью понимать ее потенциальные следствия, нужно научиться решать сложные уравнения – так называемые уравнения преобразования. Но суть уловить нетрудно. Если вы станете двигаться со скоростью, составляющей существенную часть скорости света, сторонним наблюдателям покажется, что ваш космический корабль уменьшается – укорачивается в направлении перемещения. Этот эффект называется Лоренцевым сокращением. Более того, если двигаться достаточно быстро, оставшиеся дома люди заметят, что ваши часы стали идти медленнее. Это замедление времени. В повседневной жизни мы не замечаем такие эффекты по единственной причине – скорость света слишком велика. Даже гонщик «Формулы-1» движется недостаточно быстро, чтобы воздействие на него Лоренцева сокращения или замедления времени можно было обнаружить.
Одно из основных предположений СТО заключается в том, что сама скорость света одинакова для любого наблюдателя, независимо от его собственного движения или скорости. Это установили Майкельсон и Морли, и Эйнштейн счел их результат достоверным. Из уравнений Эйнштейна следует, что ничто не может двигаться сколько-нибудь быстрее света[21] – это непреодолимый и фундаментальный предел скорости, поставленный природой.
Во второй статье, опубликованной в 1905 г., Эйнштейн вывел уравнение
Две другие статьи 1905 г. посвящены иным темам: одна – движению молекул, вторая – существованию фотонов, или частиц света. Эта статья принесла Эйнштейну Нобелевскую премию по физике за 1921 г. В общем, 1905 г. стал для Эйнштейна «годом чудес» – он также получил степень доктора философии в Цюрихском университете. Ему было всего 26 лет.
Вторым этапом стала разработка ОТО. Под словом «общая» Эйнштейн понимал то, что она должна работать в любых условиях, а не только в особом случае равномерного прямолинейного движения. ОТО описывает движение с ускорением – в случае, если какая-либо сила (например, гравитация или реактивная сила струи из двигателя ракеты) вызывает изменение скорости или направления. Эйнштейн трудился над этой теорией 10 лет, в течение которых переехал из Берлина в Цюрих, из Цюриха в Прагу, из Праги вернулся в Цюрих, а оттуда снова в Берлин. В эти годы родился его второй сын (Эдуард, 1910 г.), а сам он написал душераздирающее любовное письмо первой возлюбленной Мари (пока Милева была беременна Эдуардом) и влюбился в кузину Эльзу. В 1914 г., когда разразилась Первая мировая война, Эйнштейн перебрался в Берлин, а Милева с сыновьями остались в Цюрихе. Альберт обосновался в Берлине с Эльзой и двумя ее дочерьми Илзе и Марго.
Эйнштейн уже был признанным физиком. В 1911 г., впервые приехав в Лейден, он наконец познакомился с Хендриком Лоренцем. Ему была предложена должность в Утрехтском университете, однако он предпочел Прагу, где в 1912 г. познакомился и подружился с физиком австрийского происхождения Паулем Эренфестом. Примерно тогда Эйнштейн начал пользоваться самопишущим пером Ватермана, которое мне довелось подержать в руках в запасниках Музея Бургаве. В Берлине он стал профессором теоретической физики Университета Гумбольдта, главой только что созданного кайзером Вильгельмом Института теоретической физики и (в 1916 г.) президентом Германского физического общества.
ОТО – новая теория гравитации. Это кажется странным, но лишь на первый взгляд. Все сводится к так называемому принципу эквивалентности Эйнштейна, впервые сформулированному в 1907 г., согласно которому в действительности нет никакой разницы между гравитацией и движением с ускорением.
Представьте, что вы вошли в помещение без окон. Гравитация Земли тут же притягивает вас к полу. Ваш друг входит в такое же помещение без окон в космическом корабле, разгоняющемся в безвоздушном пространстве. Рядом нет планеты, которая могла бы воздействовать на него своей гравитацией, но и его прижимает к полу. Это происходит потому, что все помещение с ускорением движется вперед, будучи частью корабля.
Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что между этими двумя ситуациями нет принципиальной разницы. Иными словами, какие бы эксперименты ни поставили вы и ваш друг-астронавт, результаты будут одинаковыми. Следовательно, если время замедляется в ускоряющемся корабле, оно должно замедляться и в среде с сильной гравитацией. Как объяснил Эйнштейн Лоренцу во время визита 1911 г., часы идут чуть быстрее на втором этаже здания, чем в цокольном, поскольку на втором этаже гравитационное поле Земли чуть слабее.
В последующие несколько лет Эйнштейн много трудился над этой темой и в конце концов поручил своему другу и бывшему соученику по Цюриху Марселю Гроссману разработать сложный математический аппарат, без которого невозможно было двигаться дальше. Осенью 1915 г. он погрузился в размышления, почти не покидая мансарду в доме Эльзы по Хаберландштрассе, 5, обстановку которой составляли старомодный телефон (и самопишущее перо!) на письменном столе, вытертый ковер на полу и портрет Исаака Ньютона на стене. Думаю, он даже на время перестал обращать внимание на свою кузину.
В течение ноября Эйнштейн завершил четыре основополагающие статьи о разных аспектах ОТО. Это геометрия четырехмерного пространства; масса, энергия и искривление пространственно-временного континуума; знаменитое уравнение поля, ныне украшающее стену Музея Бургаве в Лейдене; наконец, верное предсказание избыточной прецессии перигелия орбиты Меркурия. Ее можно полностью объяснить искривлением пространственно-временного континуума вблизи массивного Солнца.
Задача была решена.
Эйнштейн представил свои статьи на четырех последующих собраниях Прусской академии наук, проводившихся по четвергам, – 4, 11, 18 и 25 ноября 1915 г. Третья статья, по проблеме Меркурия, была обнародована в день 34-летия его любимой сестры Майи – двойное торжество. Читая доклад, он то и дело прерывался, чтобы записать формулы на доске. Все ли физики старшего поколения, присутствовавшие в аудитории, были способны сразу понять его работу? Едва ли. Сознавали ли они, что ОТО совершит переворот в физике? По крайней мере некоторые. Оценили ли они гений молодого коллеги? Почти наверняка.
Альберту Эйнштейну было 36 лет.
Прошло еще четыре года, прежде чем Эйнштейн стал культовой фигурой (в главе 3 я расскажу, как это произошло). К тому времени он развелся с Милевой (14 февраля 1919 г.) и, не прошло и 16 недель, женился на Эльзе. В 1920 г. он становится приглашенным профессором в Лейденском университете и в течение многих лет проводит по меньшей мере один месяц ежегодно в обществе Эренфеста, сменившего Лоренца в 1912 г. Эйнштейн стал иностранным членом Голландской академии наук и Королевского общества. Он получил Нобелевскую премию по физике, посетил Нью-Йорк, совершил путешествие по Азии и подружился с Чарли Чаплином.
В начале 1933 г., по окончании третьей поездки в Соединенные Штаты, Альберт и Эльза решили не возвращаться в Германию, где пришел к власти Адольф Гитлер. У Эйнштейна были еврейские корни, он был включен в список врагов германского рейха. Написанные им книги были сожжены, его летний коттедж в Капуте, недалеко от Берлина, захвачен и впоследствии превращен в лагерь гитлерюгенда. После девятимесячного пребывания в Бельгии супруги уехали в Англию, откуда вернулись в США. Осенью 1933 г. Эйнштейн получил должность в недавно созданном Институте перспективных исследований в Принстоне. Через несколько недель его близкий друг Пауль Эренфест в состоянии глубокой депрессии покончил с собой.
Жизнь Альберта Эйнштейна оборвалась 18 апреля 1955 г. Он умер от аневризмы брюшной аорты в принстонской больнице в возрасте 76 лет. Одно из его последних писем было адресовано семье его друга Микеле Бессо, скончавшегося в марте того же года. «Люди, подобные нам, которые верят в физику, знают, что различие между прошлым, настоящим и будущим – всего лишь навязчивая иллюзия», – писал он. В конце концов, время относительно[22].
Собственноручно написанное Эйнштейном послание и сейчас можно прочесть в доме Эренфеста по улице Витте Розенстраат, 57, в Лейдене. Коллегам со всего мира, приезжающим в гости, предлагалось расписаться на стене в коридоре второго этажа перед гостевой комнатой. Эти подписи можно читать как биографический словарь по физике: Нильс Бор, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Эрвин Шрёдингер, Альберт Эйнштейн.
Недалеко от дома Эренфеста, на стене дома по Грёнховенстраат, 18, начертано стихотворение аргентинского писателя Хорхе Луиса Борхеса. Вот его последние строки:
3
Теория Эйнштейна проходит проверку
Можно ли израсходовать $750 млн на доказательство того, что все и так считают истинным? В такую сумму НАСА обошлась космическая миссия Gravity Probe B, в 2005 г. подтвердившая ряд предсказаний Эйнштейна путем измерения слабых релятивистских эффектов, известных как геодезическая прецессия и увлечение инерциальных систем отсчета.
В 1963 г., когда проект стартовал, высказывалось мнение, что незачем тратить огромные суммы только ради подтверждения, казалось бы, самоочевидных вещей, ведь в космосе еще множество тайн.
Фрэнсис Эверитт, главный исследователь проекта Gravity Probe B, постоянно слышал этот аргумент. В своем кабинете в Стэнфордском университете он рассказывает о сложном пути проекта, в том числе о зависти некоторых коллег[23]. В науке получить деньги означает гарантированно нажить врагов.
Восьмидесятидвухлетний Эверитт умеет относиться к деньгам как к стратегическому ресурсу. Путь проекта Gravity Probe B от замысла до официального обсуждения научных результатов занял почти полвека, что чрезвычайно долго даже для программы исследований космоса[24]. Однако, если разложить его полную стоимость на весь срок, получим ежегодные затраты в $14 млн. Это менее 0,001 % бюджета НАСА на 2016 г. Более того, количественные тесты идей Эйнштейна были немногочисленны и редки. Эверитт убежден, что каждый вложенный в Gravity Probe B пенс окупился.
Тем не менее вопрос о том, зачем вообще тестировать идеи Эйнштейна, остается открытым. Он величайший физик всех времен и народов. Разве кто-то сомневается, что его теория относительности верна?
На самом деле сомневается.
Вернее, ученые никогда не бывают уверены
Итак, проверка предсказаний – это норма для науки. Фрэнсису Эверитту нравятся слова Леонарда Шиффа, физика из Стэнфорда, предложившего идею проекта Gravity Probe B: «Какой смысл в теории без экспериментов?»
В конце этой главы я подробнее расскажу о Gravity Probe B, геодезической прецессии и увлечении инерциальных систем отсчета, но прежде вернемся примерно на 100 лет назад. Альберт Эйнштейн только что сформулировал ОТО. Она прекрасно объясняет все, что мы наблюдаем в окружающем мире: падение яблок с веток, орбитальное движение планет и даже слишком сильную прецессию перигелия Меркурия. Прекрасно! Но является ли это пределом наших знаний о гравитации и пространственно-временном континууме? Прав ли Эйнштейн?
Сам ученый предложил три пути проверки своей теории. Один из них связан с наблюдением, заставившим Эйнштейна приступить к ее разработке, – странным поведением Меркурия, тем фактом, что его вытянутая орбита смещается гораздо быстрее, чем предполагает теория Ньютона. Действительно, его теория полностью объясняет прецессию Меркурия.
Два других способа проверки опираются на специфические предсказания ОТО: отклонение света звезд и гравитационное красное смещение. По сути, Эйнштейн заявил: «Испытайте меня. Если я прав, свет звезд должен отклоняться массивными телами, а длина волны света изменяться в сильном гравитационном поле. Если ничего подобного не наблюдается, значит, я ошибаюсь и нам нужно начинать сначала».
В первую очередь разберемся с отклонением света. Представьте себе Солнце, каким оно наблюдается с Земли. Фоном Солнцу служат звезды. Вы их, разумеется, не видите, поскольку Солнце слишком яркое, но они там есть. Каждый день года мы точно знаем, в какой части неба находится Солнце.
Теперь представьте себе свет звезды, расположенной в наблюдаемом участке неба вблизи края солнечного диска. Свет звезды движется во Вселенной по прямой десятки или сотни лет, может, и больше, точно в направлении нашего телескопа. Но вот свет проходит рядом с Солнцем. Поскольку Солнце является массивным телом, оно вызывает местное искривление пространственно-временного континуума, как было описано в главе 1. В результате траектория света отклоняется. Свет начнет двигаться немного в другом направлении и не попадет в наш телескоп.
Но если свет не попадает в телескоп, видим ли мы вообще эту звезду? Разумеется, видим. Есть и другие лучи той же звезды, исходящие в пространство в несколько различающихся направлениях и также двигающиеся по прямым. В других условиях они миновали бы наш телескоп. Но при прохождении рядом с Солнцем их траектории также отклоняются искривлением пространственно-временного континуума, вследствие чего они попадают в объектив.
Таково предсказание ОТО Эйнштейна: мы можем наблюдать лучи света звезды, отклонившиеся под воздействием искривления пространственно-временного континуума. Не будь искривления, свет, проходящий очень близко от края солнечного диска, дал бы изображение звезды вплотную с Солнцем. Но, поскольку свет, проходящий рядом с Солнцем, отклоняется на несколько иную траекторию движения, мы видим эту звезду чуть дальше от края солнечного диска, чем она находится на самом деле, – то есть видим ее в «неправильном» положении.
В каком-то смысле Солнце действует как линза. Оно словно увеличивает звездное поле в своей непосредственной близости. На бóльших видимых расстояниях от Солнца эффект становится слишком слабым, чтобы его можно было заметить. Но рядом с краем Солнца все звезды кажутся чуть оттесненными в стороны. Вот оно, искомое отклонение света звезд искривлением пространственно-временного континуума.
Тут есть любопытный момент. Не многим известно, что теория всемирного тяготения Ньютона
Таким образом, в теории Ньютона гравитационное ускорение не зависит от массы. Яблоки ускоряются так же, как планеты. Даже элементарная частица чрезвычайно малой массы, например электрон, испытывает такое же гравитационное ускорение. Масса планеты, яблока или электрона вообще не присутствует в итоговой формуле. Поэтому, даже если масса равна нулю, как в случае света, теория Ньютона предсказывает гравитационное ускорение. (Разумеется, расчетное отклонение очень мало в силу огромной скорости света.)
В 1911 г. Эйнштейн сделал первое предсказание об отклонении света звезд Солнцем. К сожалению, его расчетная величина совпала с ньютоновской – чуть меньше одной угловой секунды. Если обе теории прогнозируют одну и ту же величину, то никакой эксперимент не сможет подтвердить преимущество одной из них. Однако в 1916 г. Эйнштейн понял, что ошибся в математических расчетах и что отклонение света, согласно ОТО, должно быть почти в два раза больше, чем по теории Ньютона, – целых 1,75″.
В повседневной жизни отклонение 1,75″ – это совсем немного. Представьте, что друг светит фонариком в вашу сторону с расстояния 120 м. Вы с точностью определяете направление, откуда приходит свет. Затем ваш друг передвигает фонарик всего на 1 мм. Это даст угол 1,75″. Поверьте, измерить его будет сложно.
Есть другая проблема: эффект имеет место только вблизи наблюдаемого края Солнца. Вы когда-нибудь пытались увидеть звезды при ярком дневном свете, тем более измерить их положение? Это все равно что пытаться изучать светлячков, порхающих далеко позади мощного прожектора, освещающего двор. Хотелось бы выключить прожектор или хотя бы убавить яркость.
Сходным образом была решена проблема измерения отклонения света звезд. Солнце то и дело временно «выключается», когда перед ним проходит диск Луны. В течение полного солнечного затмения яркая поверхность Солнца полностью заслоняется, или затемняется, Луной, и звезды на его фоне становятся видны.
Возник план: во время полного солнечного затмения сфотографировать звезды в непосредственной близости от Солнца. Пронаблюдать то же самое звездное поле на несколько месяцев позже или раньше, когда свет звезд не отклоняется под воздействием искривления пространственно-временного континуума находящимся на их пути Солнцем. Сравнить положение звезд на двух фотографиях и измерить величину отклонения во время затмения.
Английский астроном Артур Стэнли Эддингтон сыграл главную роль в осуществлении этого плана. Новость о появлении ОТО Эйнштейна добралась до Англии только в начале 1916 г., поскольку шла война. Но в Лейдене физики прекрасно знали о новой теории. Виллем да Ситтер, блестящий лейденский астроном и математик, написал о ней в
Предыдущие экспедиции немецких ученых с целью измерения отклонения света звезд во время полного солнечного затмения 21 августа 1914 г. оказались безрезультатными, главным образом из-за войны. Но Эддингтон был уверен, что его ждет успех, и заручился помощью Фрэнка Дайсона, директора Гринвичской обсерватории, расположенной к востоку от Лондона, а также британского Королевского астронома (эту почетную должность впервые занял Джон Флемстид в 1675 г.).
Представляю, как два астронома обсуждали план Эддингтона по проверке теории Эйнштейна (предупреждаю, что целиком и полностью выдумал этот диалог):
– Наилучшая возможность представится во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 г., – говорит Дайсон.
– Что в нем особенного? – уточняет Эддингтон.
– На редкость продолжительное. Почти 7 минут. Мы успеем сделать фотографии. Более того, во время затмения Солнце будет в созвездии Тельца, в окружении относительно ярких звезд, например Гиад, знаменитого звездного скопления. Какие возможности для измерения положения звезд!
– Значит, все прекрасно? Никаких препятствий?
– Да как сказать, – мнется Дайсон. – Большая часть зоны полного затмения придется на дождливую амазонскую сельву и африканские джунгли. Легкодоступными будут только два места – город Собрал на северо-востоке Бразилии и остров Принсипи в Гвинейском заливе.
– Чудесно, – отвечает Эддингтон. – Давайте организуем две экспедиции. Если в одном из этих мест во время затмения будет облачность, мы все равно получим результаты. Если при обоих экспериментах будет хорошая погода и результаты окажутся одинаковыми, это будет еще убедительнее.
Конечно, проще сказать, чем сделать. Эра повсеместных коммерческих авиаперевозок еще не началась, и людей, телескопы и фотокамеры пришлось несколько недель везти морем. В Бразилии основной телескоп отказал из-за жары, и в распоряжении астрономов Гринвичской обсерватории Чарльза Дэвидсона и Эндрю Кроммелина остался слабый прибор. Тем временем на Принсипи проклятием Эддингтона и часовщика Эдвина Коттингема стали облака. Из привезенных ими на родину фотопластин пригодились лишь несколько, которые удалось отснять в последнюю минуту затмения[25].
Скорее всего, вы никогда не видели полного солнечного затмения. Большинству людей случалось наблюдать разве что частичные, когда часть поверхности Солнца затеняется Луной, но частичные и полные солнечные затмения – события несопоставимые. Стоит увидеть полное затмение, и вы, бесспорно, согласитесь со мной. Небо становится серо-голубым. Животные затихают. Надвигается темнота, становятся видны планеты и звезды, и серебристо-белая корона Солнца, словно бесценный дар природы, скрывается за темным силуэтом Луны. Потрясающе!
Я видел около десятка полных солнечных затмений (это зрелище вызывает зависимость с первого раза – увидели одно, обязательно захочется еще) и знаю, что должны были испытывать Эддингтон и Коттингем. На Карибском острове Ауруба в феврале 1998 г. небо было затянуто тучами почти весь день, практически до начала явления. Все собравшиеся переживали – вдруг облака не разойдутся в нужный момент? (К счастью, они разошлись.) Через полтора года, в августе 1999 г., я повез семью наблюдать затмение в Турцию, где вероятность ясной погоды была намного выше, чем во Франции и Германии, и все равно сильно нервничал весь день накануне, стоило маленькому облачку появиться над горизонтом. А ведь передо мной не стояла задача доказать правоту Эйнштейна!
Как бы то ни было, во время затмения 1919 г. были сделаны фотографии, измерены положения звезд, и в четверг, 6 ноября того же года, на общем собрании Королевского астрономического общества и Лондонского королевского общества Эддингтон сообщил о результатах. Изображения всех звезд скопления Гиад действительно оказались отодвинутыми от края диска затмеваемого Солнца, и величина отклонения находилась в хорошем соответствии с предсказаниями Эйнштейна. (Илзе Шнайдер, студентка, обучавшаяся в магистратуре под его научным руководством, впоследствии спросила его, что бы он чувствовал, если бы эксперимент 1919 г. не подтвердил его прогноз. «Я посочувствовал бы Господу, – без колебаний ответил Эйнштейн. – Теория в любом случае верна».)
На следующий день в
ЛУЧИ ИЗГИБАЮТСЯ В НЕБЕСАХ
ДЕЯТЕЛИ НАУКИ В РАЗНОЙ СТЕПЕНИ ВЗБУДОРАЖЕНЫ РЕЗУЛЬТАТАМИ НАБЛЮДЕНИЙ ЗАТМЕНИЯ
ТЕОРИЯ ЭЙНШТЕЙНА ТРИУМФАЛЬНО ПОДТВЕРЖДАЕТСЯ
ЗВЕЗДЫ НАХОДЯТСЯ НЕ ТАМ, ГДЕ ДОЛЖНЫ НАХОДИТЬСЯ ПО РАСЧЕТАМ, НО ТРЕВОЖИТЬСЯ НЕ О ЧЕМ
(Мне особенно нравится это «тревожиться не о чем»: да, во Вселенной царит неразбериха, но, пожалуйста, не переживайте по этому поводу!)
Через четыре года после того, как Альберт Эйнштейн сформулировал ОТО, о ней наконец услышал весь мир. Людям она понравилась. После ужасов Первой мировой войны, завершившейся всего год назад, все жаждали хороших новостей. Что может быть лучше, чем узнать о триумфе человечества в раскрытии загадок Вселенной? И разве не прекрасно, что теперь, когда Германия и Англия уже не находятся в состоянии войны, теория германского ученого подтверждена английскими астрономами? Эйнштейн и Эддингтон были убежденными пацифистами, и многие разделяли их надежду, что международное научное сотрудничество окажется противоядием от войны. Эйнштейн прославился на весь мир.
Значительно позже некоторые ученые подвергли сомнению точность результатов Эддингтона и даже, возможно, его научную честность. В конце концов, он был с самого начала истово убежден в истинности ОТО и отчаянно желал доказать правоту Эйнштейна. Что, если он желал этого
Я так не думаю. В 1919 г. фотографические пластины были низкого качества. Погрешности позиционирования – весьма значительны, порядка 1/5 угловой секунды. Современным астрономам потребовались бы результаты с большей статистической значимостью, чтобы убедиться в чем бы то ни было. Однако проведенный в 1979 г. повторный анализ фотографий, сделанных в Собрале и на Принсипи, дал те же результаты, что были получены Эддингтоном в 1919 г.: данные согласовывались с теорией Эйнштейна.
Последующие наблюдения солнечных затмений приводили к тем же выводам со все большей степенью достоверности. Более того, благодаря чрезвычайно чувствительным космическим лабораториям мы больше не нуждаемся в солнечных затмениях для измерения отклонения света звезд. Орбитальный телескоп Европейского космического агентства (ЕКА) Gaia[26], запущенный в декабре 2013 г., измеряет положение звезд с точностью до 1/40 000″[27]. Такое изменение направления вы наблюдали бы, если бы ваш друг передвинул фонарик на 1 мм, находясь от вас на расстоянии почти 8500 км, а не 120 м. Gaia настолько чувствителен, что измеряет отклонение траектории света под воздействием Солнца по всему небу. Он замечает даже намного более слабое влияние гигантских планет, таких как Юпитер и Сатурн.
Астрономы постоянно наблюдают эффекты гравитационного линзирования больших галактик и скоплений галактик. Как и Солнце, они искривляют пространственно-временной континуум и отклоняют свет фоновых источников – в данном случае чрезвычайно дальних галактик. Эйнштейн был прав – по крайней мере в этом отношении.
Вторым предсказанием ОТО, доступным для проверки опытным путем, стало гравитационное красное смещение. Помните, как Эйнштейн рассказывал Лоренцу, что его часы идут чуть быстрее на втором этаже здания, чем на цокольном? Это объясняется тем, что, согласно ОТО, часы должны замедляться в сильных гравитационных полях. Представьте, что находитесь на уровне земли в Нижнем Манхэттене, а ваша сестра – на верху Башни Свободы, на 540 м выше вас. Вы включаете лазерную указку. Она дает свет определенной длины волны – у зеленых лазерных указок обычно 532 нм (нанометр равен одной миллиардной метра, таким образом, 532 нм равны 0,000532 мм). Вы направляете свет в сторону сестры. (Напоминаю, это мысленный эксперимент – на практике нельзя направлять свет лазерной указки в лицо кому бы то ни было, чтобы не повредить глаза.) Свет какой длины волны она увидит? Не 532 нм, а чуть более длинные волны, соответствующие чуть более красному цвету. Дело в том, что для вашей сестры время течет быстрее, чем для вас.
Объясню почему. Длина волны связана с частотой, как было показано в главе 2. На уровне земли ваша лазерная указка излучает свет, длина волны которого составляет 532 нм. Это соответствует частоте 563,5 трлн Гц – столько гребней волны проходит за каждую секунду. (Хотите сделать расчеты самостоятельно? Это легко: разделите скорость света на длину волны и получите соответствующую частоту.)
Наверху Башни Свободы свет лазера имеет прежнюю скорость – ведь скорость света, согласно Эйнштейну, есть величина постоянная. Но гравитация на высоте слегка слабеет по сравнению с уровнем земли, и время идет чуть быстрее.
Очевидно, что эффект чрезвычайно слаб. Мир под вашими ногами не краснеет от того, что вы смотрите на него с высокой башни. Оцените ничтожность эффекта: у подножия Эвереста время течет быстрее примерно на 1/30 000 с в год, чем на уровне моря. Вашей сестре понадобится чрезвычайно точный измерительный инструмент, чтобы обнаружить крайне слабое наблюдаемое увеличение длины волны лазерной указки – менее 0,00000000001 %.
Роберт Паунд и Глен Ребка из Гарвардского университета создали такой измерительный прибор. В 1959 г., через четыре года после смерти Эйнштейна, они поставили первый контролируемый эксперимент по измерению гравитационного красного смещения. На тот момент самым высоким зданием в мире был небоскреб Эмпайр-стейт-билдинг, но Паунду и Ребке незачем было проводить эксперимент в Нью-Йорке. Их прибор был настолько чутким, что высоты Лаборатории Джефферсона в Гарварде – всего 22,5 м – оказалось достаточно, чтобы обнаружить эффект порядка одной четырехсоттриллионной.
Я не собираюсь сейчас подробно описывать эксперимент Паунда – Ребки. Он был достаточно сложен, с использованием радиоактивного железа, наполненных гелием пакетов из полиэфирной пленки, конусов громкоговорителей, поглотителей гамма-излучения, сцинтилляционных детекторов и многого другого. Главное, эксперимент завершился успешно, и результаты идеально согласовывались с общей теорией относительности Эйнштейна.
Таким образом, Паунд и Ребка подтвердили предсказание Эйнштейна, что с ростом гравитации время замедляется. Принцип относительности не оставляет во Вселенной ничего абсолютного, будь то даже течение времени. Дело не в том, что зубчатым колесам часов приходится дольше совершать оборот из-за воздействия гравитации на механизм. Замедляется
Будучи подростком, я никак не мог этого осознать. Я представлял, как стрелки моих наручных часов замедляются по какой-то причине, но отказывался верить, что биение моего сердца также замедлится, что клетки моего тела будут стареть медленнее и что я фактически дольше проживу. Это казалось волшебством или выдумкой, а не наукой. Тем не менее это правда.
В то же время в каком-то смысле мои сомнения оказались обоснованными. Если само время замедляется в сильном гравитационном поле (например, вблизи ЧД), каждая секунда длится дольше, чем в норме. Некто в открытом космосе, имеющий иную систему отсчета, действительно заметит, что мое сердце бьется медленнее и я живу дольше. Но
Как бы то ни было, в 15-летнем возрасте мне было сложно осмыслить эту идею, думаю, как и большинству людей. Поэтому меня впечатлило описание замечательного эксперимента, поставленного осенью 1971 г., в ходе которого физик Джозеф Хафеле и астроном Ричард Китинг облетели всю планету на коммерческих авиарейсах с нетипичным багажом – атомными часами, желая измерить эффект замедления времени. Они потратили в общей сложности около $8000, включая оплату билетов, еды и напитков во время эксперимента. Таким образом, он оказался не только захватывающим, но и дешевым.
Сначала Хафеле и Китинг отправились с атомными часами (числившимися по летным документам пассажиром по имени мистер Часы) в кругосветный полет в восточном направлении, по вращению Земли, а затем в западном, против вращения планеты. Есть известная фотография: двое ученых с оборудованием занимают целый ряд сидений, а молодая стюардесса проверяет свои наручные часы, словно подозревая, что они стали врать. Хафеле и Китинг уже скончались, но стюардесса, возможно, еще жива, и ей есть что рассказать. Жаль, что мне не удалось ее разыскать.
Высоко в воздухе, где гравитация чуть слабее, чем на земле, атомные часы предположительно должны идти чуть быстрее. Это
Гравитационное замедление времени при полете на восток и на запад должно быть сопоставимым. В конце концов, оба полета совершаются с практически равными скоростями, значит, эффект гравитации будет одинаковым. Но кинематическое замедление времени должно отличаться. Скорость полета в восточном и западном направлениях практически одинакова только по отношению к земной поверхности. Нам же нужно рассматривать скорости относительно центра Земли. Представьте себе трехмерную систему координат, нулевая точка которой совпадает с центром Земли. Земная поверхность имеет определенную скорость вращения на любой широте. Если вы летите на восток, в одном направлении с вращением Земли, ваша скорость относительно системы координат оказывается выше, если на запад – ниже. Из разницы скоростей проистекает разный ход часов.
Приземлившись в Вашингтоне (округ Колумбия), Хафеле и Китинг сравнили показания своих атомных часов и часов Вашингтонской морской обсерватории. Как и следовало ожидать, их часы уходили вперед и назад на десятки наносекунд в течение высокоскоростных перелетов в полном соответствии с предсказаниями Эйнштейна.
В основе работы атомных часов лежат фундаментальные процессы на уровне атомов и электронов. Эксперимент Хафеле – Китинга стал изящным подтверждением факта, что каждый, без исключения, природный физический процесс протекает медленнее вследствие замедления времени. Пусть физики пока не раскрыли истинную природу времени, но они
Это хорошая новость для астронавтов. Международная космическая станция обращается вокруг Земли на высоте несколько сот километров. Гравитация на такой высоте слабеет, и в силу гравитационного замедления времени часы астронавта идут быстрее. Но космическая станция летит со скоростью около 8 км/с, и благодаря высокой скорости
Почему это важно? Ведь речь идет о милли- и наносекундах, триллионных долях, процентах угловой секунды – как эти крохи могут влиять на нашу жизнь? Разве это не более чем абстрактное упражнение для умников и фриков, помешанных на многомерных пространствах, ЧД и громадных числах?
В каком-то смысле значимость ОТО Эйнштейна превосходит все, что можно извлечь из повседневного существования, поскольку описывает фундаментальные свойства мира, в котором мы живем. Жажда знания, понимания – важная особенность, делающая нас людьми.
Однако измеряемые воздействия на обыденную жизнь
Ваша навигационная система знает, где вы находитесь. Именно поэтому она может указать путь от Нью-Йорка до Сан-Франциско или провести через лабиринт улиц незнакомого города. Чтобы вычислить ваше местоположение, устройство ловит сигналы нескольких спутников, входящих в Систему глобального позиционирования (Global Positioning System – GPS). Около 30 спутников мчатся по земной орбите на высоте порядка 20 000 км. На каждом установлены атомные часы. Сравнивая сигналы часов трех или более GPS-спутников, ваша навигационная система выясняет расстояние до каждого из них. Затем тригонометрические вычисления позволяют определить ваши координаты: долготу, широту и высоту над уровнем моря.
Поскольку спутники движутся высоко над Землей, часы системы GPS испытывают эффекты замедления времени, как гравитационные, так и кинематические. Если бы бортовая система их не корректировала, ваше расчетное местоположение отклонялось бы от реального на многие метры в течение часа. Итак, вот ситуация из повседневной жизни, когда наносекундные сдвиги времени, по Эйнштейну, имеют очевидное практическое значение. Вспомните об этом в следующий раз, включая навигационную систему.
Эксперименты Паунда – Ребки и Хафеле – Китинга являются одними из самых известных проверок теории относительности. Было проведено множество других – Ивеса – Стилвелла, Кеннеди – Торндайка, Росси – Холла, Фриша – Смита и т. д. (Большинство названы в честь двух мужчин-экспериментаторов. Но есть исключения, например, эксперименту Эт – Ваш дали название не физики Эт и Ваш, а барон Лоранд Этвёш де Вашарошнамень и Вашингтонский университет.) Я не стану описывать каждый опыт, главное, что все результаты, с чем бы они ни были связаны – от быстродвижущихся мюонов до орбитального ускорения Луны, – снова и снова с все большей точностью подтверждали верность как специальной, так и общей теории относительности.
Целесообразность расходования $750 млн на очередную проверку могла казаться спорной. Особенно в сравнении с суммой в $8000, за которую Джозеф Хафеле и Ричард Китинг вместе с атомными часами слетали на реактивных самолетах вокруг света.
Поделиться книгой: