Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

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 само время. Буквально каждый физический процесс протекает дольше в сильном гравитационном поле.

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 я никаких изменений не замечу. У меня просто не будет возможности почувствовать удлинение секунд. Мое сердце по-прежнему будет биться в здоровом ритме 80 ударов в минуту. Ожидаемая продолжительность жизни по-прежнему составит около 80 лет. Замедление времени не принесет мне никаких преимуществ. Даже быстродействие моего мозга снизится, и я не смогу использовать дополнительное время, чтобы больше читать или учить китайский язык.

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 уже было убедительно продемонстрировано Паундом и Ребкой в форме гравитационного красного смещения. Но имеется также кинематическое замедление времени – эффект, предсказанный СТО, которую Эйнштейн сформулировал в 1905 г.

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 знают , что оно замедляется для наблюдателей, движущихся с высокими скоростями или находящихся в сильных гравитационных полях.

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 кинематическое замедление времени притормаживает ход часов. Для орбитального корабля первый эффект выражен сильнее второго. В результате получается, что на борту корабля вы стареете не так быстро, как на земной поверхности. Астронавт, проведший шесть месяцев на космической станции, выигрывает 7 мс.

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?