Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Фальке Хайно

Согласно общей теории относительности массивное Солнце искривляет окружающее его пространство-время [56] , а это означает, что Солнце отклоняет лучи света, идущие от небесных тел, находящихся позади него. Это может показаться странным, но звезды, которые расположены близко к Солнцу, если смотреть на них с Земли, будут выглядеть так, словно они смещены немного в сторону. Все гадали: выдержит ли безупречная с математической точки зрения теория Эйнштейна проверку в ходе эксперимента? Чтобы найти ответ, астрономам понадобилось ждать полного солнечного затмения, так как днем, когда светит Солнце, мы не видим звезд, а ночью, наоборот, не видим Солнца.

56

Свет отклоняется наполовину из-за кривизны пространства, а наполовину – из-за кривизны

времени. Второй эффект уже учтен в ньютоновской теории, которая предсказывает вдвое меньшее отклонение по сравнению с общей теорией относительности.

Эддингтон сел на корабль в 1919 году. Он планировал измерить отклонение света, предсказанное теорией Эйнштейна, на вулканическом острове Принсипи, расположенном вблизи западноафриканского побережья. Британский королевский астроном Фрэнк Уотсон Дайсон, готовивший экспедицию вместе с Эддингтоном, отправил вторую группу в Бразилию. В мае Солнце находилось рядом со звездным скоплением Гиады и условия наблюдения света от них были почти идеальными. Эддингтон, сам блестящий математик, к этому времени уже ставший сторонником общей теории относительности Эйнштейна, в нетерпении потирал руки.

Луна должна была закрыть Солнце более чем на пять минут. Но утром важнейшего для Эддингтона дня пошел дождь, и он занервничал. Находитесь ли вы в море или наблюдаете звезды в телескоп, вы в руках Божьих, по крайней мере, когда дело касается погоды. Однако как раз перед началом солнечного затмения небо расчистилось! Тень Луны накрыла наблюдателей, и все погрузилось во тьму. Сейчас или никогда! Они лихорадочно отсняли шестнадцать фотопластинок, из которых, как оказалось впоследствии, только две содержали пригодные для использования данные. Перед поездкой ученые уже получили контрольное изображение неба без Солнца. Тем временем металлический корпус телескопа их коллег в Бразилии деформировался под действием яркого солнечного света.

Вернувшись домой, ученые несколько месяцев занимались анализом данных. И вот наконец долгожданный прорыв: они обнаружили, что звезды на фотопластинке действительно сместились – ровно на две сотые миллиметра. В пределах ошибки измерения это значение полностью соответствовало теоретическому предсказанию Эйнштейна. Исследователи получили доказательства искривления света!

“ВСЕ СВЕТОВЫЕ ЛУЧИ В НЕБЕ ИСКАЖЕНЫ – триумф теории Эйнштейна”, – гласил заголовок статьи в “Нью-Йорк Таймс”. Эти измерения, ставшие вторым чудом, совершенным великой теорией Эйнштейна, в одночасье сделали его научной суперзвездой. И та двойная экспедиция до сих пор служит хрестоматийным образцом идеального взаимодействия теории и практики. Пример сотрудничества, не признающего национальных рамок, стал не просто четким сигналом, посланным международному научному сообществу после Первой мировой войны, – это был момент объединяющей радости и гордости, который, невзирая на ужасы недавнего кровопролития, смогли разделить в равной мере и друзья, и враги.

Как ни странно, сам королевский астроном Дайсон уже сфотографировал аналогичное солнечное затмение в 1900 году, и эти звезды можно увидеть на его фотопластинках. Однако в то время астрономы при анализе данных искали таинственную планету Вулкан, и потому никто не обратил внимания на слегка сдвинувшиеся звезды. В итоге ответ на ключевой вопрос долгие годы лежал в архиве. А ведь эти снимки были получены еще до того, как Эйнштейн начал формулировать специальную и общую теории относительности! История с Дайсоном показывает, насколько это важно – построить убедительную теорию и задать правильные вопросы!

Экспедиция стала успешной для Эддингтона и триумфальной для Эйнштейна. Когда в ноябре 1919 года Эддингтон презентовал свои открытия в Лондоне, у общей теории относительности было еще не так много сторонников. Физики постарше давно уже относились к выскочке Эйнштейну с подозрением, а некоторые из них вообще были не в состоянии понять его идеи. Эддингтон был одним из немногих, кто сумел в них разобраться. Говорят, что когда его спросили, правда ли, что только три человека в мире поняли теорию Эйнштейна, он ответил вопросом: “А кто третий?”

Астрономические наблюдения придали теории Эйнштейна солидности, и мы до сих пор пользуемся ее результатами в нашей повседневной жизни. Эта теория предсказала еще и изменение времени в результате искривления пространства-времени. Говоря попросту, если свет распространяется в искривленном пространстве, то он, естественно, должен пройти большее расстояние. Но если скорость света остается постоянной, то время должно увеличиться. Световые волны растянутся, и период их колебаний станет больше. На Земле время течет медленнее, чем в космосе.

Когда в 1977 году в космос были запущены первые американские спутники Глобальной системы позиционирования (GPS), предполагалось, что они произведут революцию в навигации на Земле. В них помещались очень точные часы,

сигналы времени от которых передавались на поверхность Земли по радио. Планируя проекты, физики указали разработчикам, что, согласно теории Эйнштейна, часы в космосе будут идти быстрее, потому что Земля искривляет пространство-время.

Инженеры не до конца поверили тому, что им сказали физики, но все-таки, пусть и с большой неохотой, согласились встроить корректирующий механизм. Однако при первом запуске спутников в космос этот корректирующий механизм был отключен. И быстро выяснилось, что часы и в самом деле уходили вперед на 39 миллионных долей секунды в день [57] . С тех пор часы намеренно заставляют работать немного медленнее, используя корректировщик, основанный на общей теории относительности. На Земле его отключают, но включают вновь, как только часы оказываются на орбите, и мы все, особо не задумываясь, прибегаем к его помощи [58] .

57

J.-F. Pascual-Sanchez. Introducing Relativity in Global Navigation Satellite Systems. // Annalen der Physik 16 (2007): 258–73. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2007AnP…519..258P. Простыми вычислениями можно показать, что ошибка в отсчете времени в 39 микросекунд в день приводит к ошибке в определении расстояний в 10 километров. Этот расчет приводится во многих популярных статьях, но неясно, применим ли он к реальным системам, где все спутниковые часы дают сравнимую погрешность. Более точные расчеты находятся на стадии разработки (M. Possel and T. Muller).

58

Хороший обзор эффектов общей теории относительности в связи с работой систем GPS см. Neil Ashby Relativity in the Global Positioning System. // Living Reviews in Relativity 6 (2003): article no. 1. https://link.springer.com/article/10.12942/lrr-2003–1.

Сегодня оптические часы настолько точны, что вам даже не нужно запускать их в космос, чтобы зарегистрировать крошечные различия в искривленном пространстве-времени Земли. Достаточно поднять эти точные часы на 10 сантиметров над землей, чтобы они зафиксировали ускорение времени по сравнению с контрольными часами на поверхности земли [59] .

На высоте над поверхностью Земли, где кончается атмосфера, или чуть выше, корректировка времени минимальна, но, тем не менее, технологически значима. Все эффекты, которые мы описали, имеют гораздо большее влияние, когда намного большие массы сжимаются в гораздо меньшие объемы и искривление пространства становится более заметным. На краю черных дыр кажется, что время останавливается. Чтобы произвести такой эффект искривления, необходима чрезвычайно мощная сила – сила звездного масштаба.

59

Благодарю за это замечание Чжун Е. Oelker, et al. Optical Clock Intercomparison with 6x10–1 ⁹ Precision in One Hour. // arXiv eprints (February 2019). https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019arXiv190202741O.

4

Млечный Путь и населяющие его звезды

Скрытая жизнь звезд

Нам, людям, кажется, что звезды на небе никогда не меняются. Но это не так – они меняются, но только очень-очень медленно. Они живут своей уникальной жизнью, и можно сказать, что у каждой звезды есть своя биография.

Звезды рождаются и умирают, происходят из праха и в прах возвращаются. Подобно растениям и животным на Земле, они участвуют в непрерывном цикле рождения-роста-распада. Когда звезды испускают последний вздох и сбрасывают свои внешние оболочки обратно в космос, с участием этих оболочек начинается процесс рождения новых звезд. Ведь когда звезда впадает в предсмертную агонию, она выбрасывает в космос газ и пыль, собирающиеся там в гигантские облака, которые затем обогащаются пеплом активных звезд. Эта химическая смесь создает идеальную почву для зарождения новых звезд и планет.