Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Фальке Хайно

Та же идея применяется и в электронных часах – только в них частоту задают колебания кристалла. И здесь, в конечном счете на атомном уровне, происходит передача энергии посредством электромагнитных полей, то есть происходит обмен виртуальными фотонами. Даже песочные часы зависят от связанных со светом сил, возникающих, когда молекулы песка ударяются друг о друга, пытаясь протиснуться через узкое отверстие в стекле.

Давайте сконструируем “часы с маятником”, в которых для простоты не тяжелый маятник качается туда-сюда, а луч света бегает по вертикали между двумя зеркалами. Если расстояние между ними равно 15 сантиметрам, свету потребуется около наносекунды, чтобы пролететь от одного зеркала до другого и обратно. Допустим, мы зарегистрировали миллиард световых “тиков” в секунду. Это эквивалентно частоте в один гигагерц или, для краткости, 1ГГц. (Как известно, один герц равен одному циклу, или колебанию, в секунду. Единица

была названа в честь профессора физики Генриха Герца из Бонна, который первым собрал установку для генерации электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, и исследовал их свойства.)

Теперь самое главное: если я сижу с этими часами со световым маятником в машине, мне кажется, что луч света бегает по вертикали между зеркалами, вверх и вниз. Если, однако, на обочине дороги стоит полицейский и внимательно наблюдает за машиной, проезжающей мимо него на большой скорости, то ему кажется, что свет движется снизу вверх и обратно по диагоналям. След, оставленный лучом света, будет зигзагообразным. Для простоты вообразите себе, что луч света бегает так же медленно, как ползет муравей. Сидя в машине, вы видите, что муравей ползает по вертикали вверх и вниз, а полицейский видит, как он ползет вверх и в то же время движется вперед вместе с машиной, – с точки зрения полицейского муравей движется очень быстро, но его сносит несколько в сторону.

Диагонали, по которым движутся муравей и свет с точки зрения полицейского, естественно, длиннее, чем вертикальные линии, поэтому на его взгляд муравей и свет за тот же самый временной интервал проходят большее расстояние. Поэтому наивный наблюдатель мог бы заключить, что муравей движется со “сверхмуравьиной” скоростью, а свет в машине двигается быстрее скорости света. В случае с муравьем это верное заключение, но свету Альберт Эйнштейн и Джеймс Максвелл законодательно запретили двигаться со “сверхсветовой” скоростью. Таким образом, уважающий закон полицейский должен видеть, что свет движется с той же скоростью, которую наблюдает и водитель, даже если с его (полицейского) точки зрения свет проходит большее расстояние.

Как это возможно? Единственный ответ: если расстояние, проходимое светом с точки зрения полицейского, не равно расстоянию, проходимому светом с точки зрения наблюдателя, сидящего в машине, то и время должно быть другим, чтобы скорость света могла оставаться постоянной. Скорость – это расстояние, проходимое в единицу времени, например, километр в час. Если кажется, что длина пути изменилась, то для сохранения постоянства скорости время, необходимое для преодоления этого пути, также должно измениться. Таким образом, полицейский снаружи измерит чуть больший временной интервал, а внутри машины он будет чуть меньшим, то есть в ней время идет как бы медленнее.

Этот эффект называется релятивистским замедлением времени, и он резко противоречит нашей интуиции. Мы привыкли к тому, что скорость может быть переменной. Если я еду на своей машине и делаю крюк, но хочу приехать к месту назначения в то же время, я поеду быстрее. Некоторые люди ради этого даже превышают скорость, рискуя получить штраф. Со светом такого быть не может: он всегда движется с одной и той же скоростью и просто изменяет течение времени, поскольку именно свет определяет время. Мы все должны подстраиваться под время, но само время подстраивается под свет.

Все это звучит невероятно абстрактно, особенно история про световые часы в машине. Нам же кажется, что на самом деле все часы идут одинаково. Чтобы проверить, так ли это, ученые Джозеф Хафеле и Ричард Китинг совершили два кругосветных полета – сначала в направлении вращения Земли, а затем в обратном направлении. Исследователи взяли с собой четыре пары высокоточных цезиевых атомных часов, показания которых они планировали впоследствии сравнить с показаниями таких же атомных часов на земле. Следовало ответить на вопрос: будут ли часы отсчитывать время иначе, если они полетят очень быстро и очень далеко? Эксперимент был простым и дешевым: атомные часы ученые заполучили бесплатно, поэтому самой дорогой частью эксперимента оказались авиабилеты на кругосветные путешествия, приобретенные для часов и купленные на имя “Мистер Клок” (мистер Часы). Эти необычные пассажиры сидели, пристегнутые, каждый на своем месте. Если не считать стоимости авиабилетов, это был, должно быть, самый дешевый эксперимент по проверке теории относительности.

Как и предполагалось, эксперимент Хафеле и Китинга продемонстрировал, что путешествующие в самолете часы идут не так, как часы на земле. Часы, летевшие на восток, то есть по вращению Земли, когда их скорость относительно центра Земли была больше скорости часов на земле, отстали от земных часов на 60 наносекунд за полет. Когда часы летели на запад – против вращения Земли, их скорость была меньше скорости земных часов, и они опередили лабораторные часы на полные 270 наносекунд [41] .

Эксперимент позже повторялся несколько раз и всегда убедительно подтверждал важные аспекты теории относительности.

41

J. C. Hafele and Richard E. Keating. Around-the-World Atomic Clocks: Predicted Relativistic Time Gains. // Science 177 (1972): 166–68. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1972Sci…177..166H. Тут важно вот что: все три пары часов двигались относительно невращающейся “инерциальной системы” – такой как центр Земли или определенные звезды! На экваторе часы, оставшиеся на Земле, двигались на восток со скоростью 1 600 км/час. Если мы летим на восток на аэробусе А330 со скоростью 990 км/час, наша скорость складывается из скорости вращения Земли и скорости самолета, то есть становится равной 2 500 км/час. Если мы летим на запад, мы движемся относительно центра Земли на 900 км/час медленнее, чем земная поверхность, то есть со скоростью 700 км/час, – но все-таки движемся на запад, хотя и медленнее! Мистер Клок, который летит на восток, движется с самой большой скоростью относительно центра Земли, и, соответственно, время у него течет медленнее. А Мистер Клок, летящий на запад, движется с наименьшей скоростью, и время у него течет быстрее, чем у остальных. Часы, которые покорно ждали на Земле, тоже не находились в состоянии покоя относительно центра Земли, и они служили нам эталоном времени. Они тикали медленнее, чем тикали бы часы в центре Земли, быстрее, чем часы, летящие на восток, и медленнее, чем часы, летящие на запад. Таким образом, этот эксперимент действительно проверил правильность теории относительности и принципа эквивалентности.

Так что мы не можем доверять времени, поскольку оно может течь по-разному. Но тогда и измеряемые нами расстояния тоже не всегда одинаковы, поскольку мы измеряем расстояния с помощью света. Если автомобиль мчится относительно полицейского почти со скоростью света, тот может измерить длину автомобиля с помощью секундомера, умножив скорость автомобиля на время, которое требуется ему, чтобы проехать мимо. Но если у водителя автомобиля есть две пары идеально синхронизированных часов – одни на переднем сидении, а другие на заднем – и он тоже измерит ими время, за которое проедет мимо полицейского, то измеренный им интервал времени будет другим из-за эффекта замедления времени. Полицейский измерит более короткий промежуток времени, чем водитель, и в результате получит меньшую длину автомобиля, чем водитель. Полицейскому машина покажется гораздо более короткой, хотя на самом деле в ее салоне очень просторно и можно вытянуть ноги.

А следовательно, мы больше не сможем доверять не только времени, но и пространству – во всяком случае, когда происходит движение, – и это будет иметь существенные последствия, когда в игру вступит еще и гравитация.

Казус Меркурия: новая теория пространства и времени

Несколько лет назад нам позвонил голландский журналист. У него были некоторые сомнения относительно того, могут ли фундаментальные исследования принести пользу обществу, и он хотел написать статью на эту тему. Журналист задал провокационный вопрос, который меня ошарашил: “Зачем нам нужно точно измерять орбиту Меркурия?” В ответ я выпалил: “Это что, какой-то прикол? Где-то тут спрятана камера? Почему из всех вещей, над которыми можно пошутить, вы выбрали именно Меркурий?” И продолжил: “Меркурий – как раз пример казавшихся бесполезными исследований, которые радикальным образом изменили наше понимание физического мира и сделали возможным рождение совершенно новых отраслей промышленности”. В частности, голландская компания TomTom, которая продает навигационные инструменты и программное обеспечение к ним, обязана своим годовым доходом в полмиллиарда евро точным астрономическим измерениям орбиты Меркурия и патентному клерку по имени Альберт Эйнштейн, благодаря которому все это может работать.

После того как Кеплер и Ньютон открыли необычайно красивые законы, которым подчиняется движение планет, эти законы в XIX столетии были демифологизированы. Завеса волшебства, окутывавшая их прежде, оказалась сорвана. Астрологией, которая подспудно подпитывала научный интерес к планетам, продолжили заниматься только эзотерики, и сегодня наша Солнечная система кажется нам просто любопытной темой, изучаемой в начальной школе. Казалось бы, проблемы решены, не так ли? Но на самом деле решено было не все. Осталась одна небольшая проблема, связанная именно с нашей Солнечной системой и показавшая, насколько важно иметь возможность проводить точные измерения.