Куда течет река времени
Шрифт:
В качестве «часов» использовались атомы химических элементов. Линии поглощения в спектре Солнца, вызываемые этими атомами, соответствуют определенным частотам колебаний электронов, когда они переходят с одного энергетического уровня в атоме на другой. Если время действительно течет на Солнце медленнее, то должны уменьшаться и частоты этих колебаний, а значит, и линии в спектре смещаться к его красному концу. Этот сдвиг ничтожен, ведь время на Солнце течет медленнее, чем на Земле, всего на две миллионные доли. На такую же долю от частоты спектральной линии она должна сдвинуться в красную сторону. Эффект называют гравитационным красным смещением. Вот это небольшое смещение и предстояло измерить.
Но эффект Доплера из-за турбулентных движений масс солнечного газа маскирует гравитационный эффект, и астрономы столкнулись здесь с серьезными трудностями. Первые попытки измерения (сразу после предсказания) были не очень удачными, и только сравнительно недавно, в последние десятилетия, исследования солнечного спектра полностью подтвердили теорию. Несмотря на то, что разница в темпе протекания времени на Земле и Солнце ничтожно мала, все же за время существования этих небесных тел разница в количестве протекших там и тут лет накопилась ощутимая. И Земля и Солнце существуют около пяти миллиардов лет, а вот за это время на Земле прошло на 10 тысяч лет больше, чем на Солнце…
В 1968 году американский физик И. Шапиро измерил замедление времени у поверхности Солнца очень оригинальным методом. Он проводил радиолокацию Меркурия, когда тот, двигаясь вокруг Солнца, находился от него с противоположной стороны по отношению к Земле. Радиолокационный луч проходил вблизи поверхности Солнца, и из-за замедления времени ему требовалось чуть больше на прохождение туда и обратно, чем на покрытие такого же расстояния, когда Меркурий находился вдали от Солнца. Эта задержка (около десятитысячной доли секунды) действительно была зафиксирована и измерена.
Астрономы знают звезды гораздо более плотные, чем Солнце, где у поверхности поле тяготения несравненно сильнее. Это нейтронные звезды и белые карлики. Наблюдение эффекта замедления времени при изучении света, идущего от них, также подтвердило теорию. Отметим, что на поверхности нейтронных звезд время течет уже вдвое (!) медленнее.
Особенно интересно, что замедление течения времени в поле тяготения было измерено непосредственно в лабораторных условиях на Земле. Это сделали в 1960 году американские физики Р. Паунд и Г. Ребка. Они сравнивали ход времени у основания башни и на высоте 22,6 метра, где ход времени должен быть чуть быстрее. Роль часов играли при этом очень точные приборы, использующие явление излучения в некоторых условиях гамма-лучей строго определенной частоты. Разность хода часов по предсказаниям теории составляла фантастически малую величину — три десятитысячных от миллиардной доли процента. И эта разница была зафиксирована!
Спустя шестнадцать лет аналогичные эксперименты были повторены, но в иных условиях. В одном из них с помощью ракеты был запущен на высоту около десяти тысяч километров прибор, дающий излучение на строго определенной частоте (так называемый водородный стандарт частоты). На этой высоте ход времени опережает ход на поверхности Земли тоже лишь на ничтожную величину, но все же разница в темпах в сто тысяч раз больше, чем в экспериментах Р. Паунда и Г. Ребка. Продолжительность эксперимента (длительность полета ракеты) составила два часа. Но этому предшествовало пять лет напряженной работы. Формула Эйнштейна была подтверждена с точностью до двух сотых процента!
Примерно в это же время были проведены и прямые эксперименты с часами, правда, с часами сверхточными — атомными.
Итальянские физики отвезли несколько таких «часов» на грузовике в горы, а затем, по прошествии нескольких часов, привезли обратно в долину и
В эксперименте американских физиков атомные часы помещались на самолете, который летал на высоте около девяти километров в течение четырнадцати часов. Затем, после приземления, показания часов сравнивались с находившимися на Земле. И здесь теория Эйнштейна была полностью подтверждена.
Итак, не может быть никакого сомнения в замедлении течения времени в гравитационном поле. В большинстве описанных случаев изменение ничтожно мало, но мы увидим, что астрономы и физики знают ситуации, когда разница в беге времени колоссальна.
Общая теория относительности полностью изменила наши представления о пространстве и времени. И то и другое перестало быть неизменной сценой, на которой развертывается драматическая история Вселенной. Пространство не есть какой-то бесконечный жесткий каркас. Движущаяся материя искривляет его, меняет геометрические свойства. Постепенно оставалось все меньше и меньше от наивного представления наших предшественников о единой реке времени. Теперь она представляется текущей не везде одинаково величаво: то быстро в сужениях, то медленно на плесах, то, как мы увидим далее, разбивается на множество рукавов и ручейков с разной скоростью течения в зависимости от условий.
ДЫРЫ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ
Когда я начал серьезно изучать общую теорию относительности, это был конец 50-х годов, еще никто толком не знал, что такое черные дыры. Даже названия такого не было ни в специальной научной, ни в популярной литературе. Контраст разительный по сравнению с сегодняшним днем, когда про черные дыры буквально все по крайней мере слышали или читали. Черные дыры — это порождение гигантских сил тяготения. Они возникают, когда в ходе сильного сжатия большой массы материи возрастающее гравитационное поле ее становится настолько сильным, что не выпускает даже свет. Быстрее света в природе ничто двигаться не может, значит, из черной дыры не может вообще ничто выходить. В нее можно только упасть под действием огромных сил тяготения, но выхода оттуда нет.
Я впервые столкнулся с описанием очень сильных полей тяготения в монографии Л. Ландау и Е. Лифшица, о которой я уже упоминал. Ее я изучал, будучи студентом, под руководством А. Зельманова. В этой книге кратко, но предельно ясно говорилось о свойствах тяготения сильно сжатой сферической массы. Решение уравнений Эйнштейна для такого случая было найдено астрономом К. Шварцшильдом, и поэтому такое поле тяготения называют швардшильдовским.
Я помню, что меня тогда не очень заинтересовал этот раздел. Но я сделал для себя некоторые вычисления (в качестве упражнений), пользуясь формулами, которые были в книге, и используя знания, почерпнутые при общении с А. Зельмановым. Надо подчеркнуть, что вычисления в теории Эйнштейна очень сложны, и часто за «лесом» длиннющих формул трудно понять, что означают окончательные результаты. Азам этой науки — ясному пониманию смысла математических выводов — и учил меня А. Зельманов. Замечу, что в сложнейших современных теориях, наверное, самое трудное — это понимание физической сути того, что получается в результате вычислений. И я весьма благодарен моему руководителю, научившему меня основам этого трудного искусства — понимания.