Физика времени

Чернин Артур Давидович

Тяготение Солнца влияет на темп протекания времени, замедляет его вблизи себя. Поэтому путешествие радиосигнала займет в этом случае больше времени, чем тогда, когда на его пути — при том же пройденном расстоянии — нет никакого те- тела, создающего тяготение. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.

Эксперименты такого рода проводились неоднократно, сигналы посылались на планеты Меркурий и Венеру. Использовались также и космические аппараты, запущенные на орбиту вокруг Солнца и снабженные специальными отражающими устройствами, ретрансляторами. Во всех случаях предсказание общей теории относительности, касающееся замедления времени в поле

тяготения, подтверждалось с очень хорошей точностью — до 1—2 процентов от измеряемой величины*).

_{*) Подробнее об экспериментальной проверке общей теории относительности см. книгу: Брагинский В. Б., Потарев А. Г. Удивительная гравитация - М.: Haука, 1985. Вып. 39 - (Б-чка «Квант»)}

Черные дыры: время остановилось

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности — полная остановка времени в очень сильном поле тяготения.

Мы уже говорили о том, что замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света. И это смещение тоже, естественно, тем ощутимее, чем сильнее тяготение. Период принимаемого света увеличивается при распространении против силы тяготения, увеличивается и его длина волны, а частота света, обратно пропорциональная периоду и длине волны, соответственно убывает. Общая теория относительности утверждает, что при определенных условиях период и длина волны принимаемого света могут устремиться к бесконечности, а его частота — к нулю.

Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случиться, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом всего 3 километра или еще меньше**). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда и исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным.

_{**) Радиус Солнца равен 700 тысяч километров.}

Скажем сразу, что с Солнцем этого никогда на самом деле не произойдет. В конце своего существования, через 15 — 20 миллиардов лет, оно испытает, вероятно, множество превращений; его центральная область может значительно сжаться, но все же не так сильно.

Однако другие звезды, массы которых в три и более раз превышает массу Солнца***), в конце своей жизни и вправду испытают скорее всего быстрое катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения Это приведет их к состоянию черной дыры. Черная дыра — физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что красное смещение для света, испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность.

_{***) Масса Солнца равна 2•10³⁰ килограммов.}

Черные дыры возникают в результате неудержимого сжатия вещества под действием его собственного тяготения. Чтобы возникла черная дыра, тело должно сжаться до радиуса, не превосходящего отношения массы тела к массе Солнца, умноженного на 3 километра. Это критическое значение радиуса называется гравитационным радиусом тела.

Физики и астрономы совершенно уверены, что черные дыры существуют в природе. Это мнение основывается на их доверии к обшей теории относительности, следствия которой всегда подтверждались в разнообразных экспериментах и наблюдениях. Но черных дыр до сих пор не удалось обнаружить. Трудности астрономических поисков связаны с самой природой этих необычных объектов. Ведь бесконечное красное смещение, из-за которого обращается в нуль частота принимаемого света, делает их просто невидимыми. Они не светят и потому в полном смысле слова являются черными. Лишь

по ряду косвенных признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в двойной системе, в которой ее партнером была бы обычная звезда. Из наблюдений движения видимой звезды в общем поле тяготения такой пары можно было бы оценить массу невидимой звезды, и если эта величина превысит массу Солнца в три и более раз (см. выше), можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.

Сейчас имеется несколько хорошо изученных двойных систем, в которых масса невидимого партнера оценивается в 5 или даже 8 масс Солнца. Скорее всего, это и есть черные дыры. Но астрономические оценки масс почти всегда содержат некоторую неопределенность, так что впредь до дальнейших уточнений этих оценок астрономы предпочитают называть такие объекты лишь кандидатами в черные дыры.

Нейтронные звезды, о которых мы уже не раз упоминали, не так уж далеки от состояния черной дыры. Это сильно сжавшиеся тела, размеры которых всего лишь в несколько раз превышают их гравитационные радиусы. Это почти черные дыры. Измерения, когда они удаются, определенно указывают на большое гравитационное красное смещение, которое в их излучении в десятки тысяч раз больше, чем в свете Солнца.

Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронной звезды, а вблизи черной дыры, у ее гравитационного радиуса оно столь велико, что время там как бы замирает. Можно сказать, что у часов, расположенных вблизи черной дыры и покоящихся там, одно «тик-так» отделено от другого столь значительным промежутком времени, что по часам, находящимся далеко от черной дыры, этот промежуток оказывается бесконечным по своей длительности.

А если часы не покоятся вблизи черной дыры, а свободно падают в ее поле тяготения — что они покажут?

Свободно падающие часы не испытывают действия тяготения. Они долетят до гравитационного радиуса и ничего особенного с ними не произойдет. Их «тик-так» будут следовать друг за другом в одном и том же ритме в течение всего их движения. Они будут отмерять собственное время, полностью игнорируя сильное поле тяготения, в котором они падают. Длительность падения, измеренная в этом собственном времени, будет совсем не велика. Свободное падение в поле тяготения черной дыры, образованной массой, равной, скажем, 3 массам Солнца, с расстояния миллион километров до гравитационного радиуса, занимает всего около часа.

Однако по часам, которые покоятся вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле тяжести растянется во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело к гравитационному радиусу, тем более медлительным будет представляться этот полет удаленному наблюдателю. Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к гравитационному радиусу и никогда не достигнет его. В этом снова проявляется замедление времени вблизи черной дыры по сравнению с его ходом на большом расстоянии от него.

Итак, теория относительности показывает нам, что бег времени можно затормозить и даже совсем остановить. Время на первом этаже дома течет медленнее, чем на двенадцатом. На поверхности Солнца его бег еще медленнее, а на поверхности нейтронной звезды это уже, можно сказать, не бег, а легкая трусца. Наконец, у гравитационного радиуса черной дыры время останавливается и замирает. Часы, которые могли бы там «висеть» (то есть покоиться), всегда показывали бы одно и то же время, хотя они при этом отнюдь бы не «стояли». Например, на них всегда могло бы быть пять пополудни — как на чаепитии, описанном в известной и многими любимой книжке, где из-за этого все непрерывно «пьют чай как ненормальные».