Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

В 1990-х гг., когда начал работу космический телескоп «Хаббл», была открыта другая ситуация линзирования: не свет единичного квазара распадался на несколько изображений, а свет множества далеких галактик на луче зрения линзировался галактическим скоплением. Иногда формируются множественные изображения, но чаще свет фоновой галактики деформируется в дугу. Отличительным признаком этого типа линзирования является скопление, окруженное маленькими дугами, собранными в концентрические круги вокруг центра скопления (илл. 46). Каждое искаженное изображение – это эксперимент в области гравитационной оптики. Такие дуги были замечены у нескольких сотен скоплений – таким образом, астрономы накопили десятки тысяч примеров отклонения света массой [273].

Любая масса отклоняет свет, будь она видимой или невидимой, поэтому линзирование – это лучший инструмент астрономов для картирования темной материи в галактиках, их скоплениях и межгалактическом пространстве. Линзирование дает самое убедительное свидетельство того, что темная материя существует и является преобладающим и повсеместно распространенным компонентом Вселенной.

Горизонт событий черной дыры – это место, где останавливается время и замирает излучение. Таково положение специальной теории относительности Эйнштейна: свет имеет универсальную и постоянную скорость 300 000 км/с. Свет, покидающий черную дыру, встречается со столь сильной гравитацией, что теряет скорость и энергию. Этот эффект называется гравитационным красным смещением. Горизонт событий черной дыры соответствует месту с бесконечным красным смещением, и свет оказывается в ловушке.

Раз мы не можем экспериментально проверить теорию на черной дыре, откуда мы узнаем о влиянии гравитации на излучение? Давайте поставим мысленный эксперимент на Земле. Представим, что выпускаем фотон с вершины башни к основанию, превращаем его энергию в массу (согласно формуле Е = mc 2), роняем массу к подножию башни и превращаем ее обратно в фотон. Казалось бы, все очевидно, но не торопитесь! Когда мы роняем массу, она набирает скорость и приобретает гравитационную энергию. Энергия вычисляется по формуле mgh , где m – масса, g – ускорение вследствие гравитации Земли, а h – высота башни. Когда мы превращаем массу обратно в фотон, он имеет бо?льшую энергию. Мы можем повторять это действие многократно, создавать энергию и богатеть! Но никто пока не заработал на цикличном подбрасывании света, и значит, в рассуждении кроется ошибка. Единственная возможность сохранить энергию в этом сценарии – иными словами, сделать так, чтобы она не изменилась, – предположить, что свет находится под влиянием гравитации, то есть теряет энергию, когда поднимается с поверхности Земли на вершину башни. Потеря энергии означает, что свет смещается к более длинным – или красным – волнам. Это и есть гравитационное красное смещение.

Представим себе часы, в которых время измеряется частотой света. Поместим часы к подножию башни. Глядя на них с вершины, мы понимаем, что фотоны, направляясь к нам, теряют энергию, следовательно, частота снижается. Мы видим, что часы идут медленнее. Наоборот, если мы стоим у подножия башни и смотрим вверх, то видим, что часы на вершине идут чуть быстрее. Замедление времени в условиях сильной гравитации – еще одно предсказание общей теории относительности. Удивительным примером является приписываемое физику Ричарду Фейнману предсказание: центр Земли на два с половиной года моложе ее поверхности [274]. Это явление называется гравитационным замедлением времени. Красное смещение и замедление времени тесно связаны. Свет и другие формы электромагнитного излучения имеют длину волны, обратно пропорциональную частоте. Поскольку энергия света уменьшается, когда он борется с гравитацией, его волны становятся более длинными – или более красными, а частота снижается – иными словами, световые «часы» идут медленнее [275].

Первым гравитационное красное смещение наблюдал Уолтер Адамс в 1925 г. Он измерил смещение спектральных линий ближнего белого карлика Сириус В. Поскольку Сириус В входит в двойную систему, его масса известна, а смещение составляет несколько десятитысячных, а не несколько миллионных долей, как в случае менее компактной звезды – например, Солнца. К сожалению, измерения были искажены световым загрязнением намного более яркого партнера – Сириуса А, и ученые не признали эффект подтвержденным.

Первым лабораторным тестом общей теории относительности стал эксперимент Роберта Паунда и его аспиранта Глена Ребки в 1959 г. Они измерили спектральный сдвиг гамма-излучения радиоактивного железа, поднятого на 22,5-метровую башню в кампусе Гарварда. Ничтожная потеря энергии – менее трех долей из 10 15 – подтвердила предсказание общей теории относительности с точностью 10 % (илл. 47) [276]. Эксперимент был усовершенствован, когда для проверки влияния гравитации использовали атомные часы. В 1971 г. цезиевые атомные часы, которые были взяты в полет на большой высоте на гражданском реактивном самолете, ушли вперед на 273 наносекунды в сравнении с такими же часами в Вашингтонской военно-морской обсерватории [277], а в 1980 г. в ходе еще более точного теста с лазерными часами, находившимися в летящей ракете, соответствие теории увеличилось до 0,007 % [278]. Сегодняшние продвинутые технологии позволяют измерять квантовую интерференцию атомов. Общая теория относительности подтверждается с феноменальной точностью – менее одной миллионной доли процента [279]. Мы можем доказать, что часы действительно идут быстрее, если поднять их меньше чем на метр!

Астрономы не остались в стороне. Скопления галактик являются самыми массивными объектами во Вселенной. Фотоны из центра скопления с большим количеством галактик должны терять больше энергии, чем фотоны с окраины, где галактик меньше. Группа под руководством Радека Войтака из Института Нильса Бора искала этот эффект – настолько слабый, что для его обнаружения пришлось объединить данные 8000 скоплений [280]. Теория Эйнштейна снова подтвердилась.

На хороший умозрительный эксперимент люди обычно реагируют словами: «Ну конечно, это же очевидно!» Вспомним отзыв английского биолога Томаса Гексли на теорию естественного отбора Дарвина: «Какая невероятная глупость не подумать об этом!» [281]Мысленные эксперименты Эйнштейна с лифтами раскрыли красоту общей теории относительности. Свободное падение лифта в направлении Земли аналогично ситуации парения лифта в открытом космосе ввиду отсутствия силы гравитации. Лифт, разогнанный в космосе до 9,8 м/с, аналогичен лифту, стоящему на Земле, потому что ускорение, создаваемое гравитацией, невозможно отличить от ускорения, созданного любой другой силой. Во втором случае представьте, что светите прожектором через лифт. За крохотный промежуток времени, необходимый свету, чтобы достичь противоположной стороны кабины, лифт ускоряется, и свет двигается через него по нисходящему криволинейному пути. Согласно теории Эйнштейна, то же самое должно происходить с неподвижным лифтом на земной поверхности. Свет «падает» из-за гравитации. То есть в терминах теории относительности масса Земли искривляет пространство, и свет немного отклоняется, следуя возле Земли искривленному пространственно-временному континууму.