Куда течет река времени

Известные американские физики Ч. Минзер, К. Торн и Дж. Уилер свою монографию об общей теории относительности, содержащую 1279 страниц большого формата, начинают со следующего шутливого рассказа. «Однажды в саду под яблоней лежал студент и размышлял о том, как по-разному понимали гравитацию Ньютон и Эйнштейн. Неожиданно он вздрогнул: рядом упало яблоко. Студент взглянул на него и заметил, как по его поверхности забегали муравьи. Ему стало любопытно, и он решил выяснить, по какому принципу муравьи выбирают свой путь.
Его взгляд упал на двух муравьев, отправившихся из одной и той же точки в направлениях, слегка отличающихся друг от друга. На этот раз их пути случайно пролегли вблизи углубления в верхней части яблока, причем по разные стороны от него. Каждый из муравьев добросовестно следовал вдоль своей геодезической. Каждый старался бежать по яблочной кожуре как можно прямее. Однако из-за собственной кривизны углубления их пути сначала пересеклись, а затем разошлись в совершенно разных направлениях.
«Можно ли придумать более удачную иллюстрацию для геометрической теории тяготения Эйнштейна? — задумчиво произнес студент. — Муравьи движутся так, будто их притягивает к яблочному черенку. Теперь я гораздо лучше понимаю, о чем говорится в этой книге».
И далее авторы заключают: «Пространство воздействует на материю, «указывая» ей, как двигаться. Материя, в свою очередь, оказывает обратное действие на пространство, «указывая» ему, как искривляться».
В этом объяснении все необычно — и неподдающееся наглядному представлению искривленное четырехмерное пространство-время, и необычность объяснения силы тяготения геометрическими причинами. Физика здесь впервые напрямую связывается с геометрией. И, знакомясь с успехами физики, чем ближе мы подходим к нашей эпохе, тем необычнее становятся ее открытия, а понятия все менее поддаются наглядным представлениям. И ничего не поделаешь! Природа сложна, и раз уж мы проникаем все глубже в ее тайны, то приходится мириться с тем, что это требует все больших усилий, в том числе и от нашего воображения. Наверное, слово «мириться» не очень здесь годится, скорее надо подчеркнуть, что становится все интереснее, хотя и труднее.
Сообщим читателю еще два факта из теории тяготения Эйнштейна.
В теории Ньютона поле тяготения определяется только массой создающего его тела. По теории Эйнштейна в создании тяготения участвуют все виды энергии — это и давление, и натяжение, если они имеются в теле, и электромагнитное поле. Второй важный факт — теория предсказывает, что при ускоренном движении тяготеющих масс должны излучаться волны тяготения подобно тому, как при ускоренном движении зарядов излучаются электромагнитные волны. (Жаль, но мы не будем здесь подробнее говорить о том, что такое волны тяготения.)
Оба эти предсказания теории Эйнштейна, отличающие ее от теории Ньютона, могут проявляться только в экзотических условиях, а в обычных ситуациях эффекты, связанные с этими предсказаниями, очень слабы и совершенно незаметны. Физики часто тяготение называют гравитацией, так иногда будем поступать и мы.
В обычных условиях теория Эйнштейна практически совпадает с теорией Ньютона. А в очень сильных гравитационных полях или же в полях, быстроменяющихся со временем, теория Эйнштейна приводит к выводам, существенно отличающимся от выводов ньютоновской Об этом мы еще поговорим.
Сразу после создания своей теории А. Эйнштейн указал на три эффекта, которые хотя и малы в обычных ситуациях, но все же могут быть проверены астрономическими наблюдениями и подтвердить правильность новой теории.
Первые два эффекта связаны с небольшими отклонениями в движении планет вокруг Солнца и лучей света, проходящих вблизи него, от движения по ньютоновским законам. Сравнение с данными наблюдений обнаружило эти эффекты и полностью подтвердило правильность новой теории. Кстати, наблюдения эффектов Эйнштейна показали, что пространство вблизи Солнца действительно несколько искривлено и его геометрия слегка отличается от геометрия Евклида.
 
Третий эффект касается времени, и поэтому мы на нем остановимся подробнее.
Теория Эйнштейна предсказывает: в сильном поле тяготения время течет медленнее, чем вне его. Это означает, например, что любые часы у поверхности Солнца идут медленнее, чем на поверхности Земли, ибо тяготение Солнца больше, чем тяготение Земли. По аналогичной причине часы на некоторой высоте над поверхностью Земли идут чуть быстрее, чем на самой поверхности.
Для проверки этого интереснейшего эффекта проведено множество экспериментов, и мы расскажем о некоторых из них. Начнем с наблюдений замедления времени на Солнце.
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. Если бы не осложняющие эффекты, связанные с движениями масс газа на солнечной поверхности, астрономы с уверенностью могли бы измерить гравитационное красное смещение.
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!