Чудовища доктора Эйнштейна - Крис Импи

Представим себе часы, в которых время измеряется частотой света. Поместим часы к подножию башни. Глядя на них с вершины, мы понимаем, что фотоны, направляясь к нам, теряют энергию, следовательно, частота снижается. Мы видим, что часы идут медленнее. Наоборот, если мы стоим у подножия башни и смотрим вверх, то видим, что часы на вершине идут чуть быстрее. Замедление времени в условиях сильной гравитации – еще одно предсказание общей теории относительности. Удивительным примером является приписываемое физику Ричарду Фейнману предсказание: центр Земли на два с половиной года моложе ее поверхности^[274]. Это явление называется гравитационным замедлением времени. Красное смещение и замедление времени тесно связаны. Свет и другие формы электромагнитного излучения имеют длину волны, обратно пропорциональную частоте. Поскольку энергия света уменьшается, когда он борется с гравитацией, его волны становятся более длинными – или более красными, а частота снижается – иными словами, световые «часы» идут медленнее^[275].

Первым гравитационное красное смещение наблюдал Уолтер Адамс в 1925 г. Он измерил смещение спектральных линий ближнего белого карлика Сириус В. Поскольку Сириус В входит в двойную систему, его масса известна, а смещение составляет несколько десятитысячных, а не несколько миллионных долей, как в случае менее компактной звезды – например, Солнца. К сожалению, измерения были искажены световым загрязнением намного более яркого партнера – Сириуса А, и ученые не признали эффект подтвержденным.

Первым лабораторным тестом общей теории относительности стал эксперимент Роберта Паунда и его аспиранта Глена Ребки в 1959 г. Они измерили спектральный сдвиг гамма-излучения радиоактивного железа, поднятого на 22,5-метровую башню в кампусе Гарварда. Ничтожная потеря энергии – менее трех долей из 10¹⁵ – подтвердила предсказание общей теории относительности с точностью 10 % (илл. 47)^[276]. Эксперимент был усовершенствован, когда для проверки влияния гравитации использовали атомные часы. В 1971 г. цезиевые атомные часы, которые были взяты в полет на большой высоте на гражданском реактивном самолете, ушли вперед на 273 наносекунды в сравнении с такими же часами в Вашингтонской военно-морской обсерватории^[277], а в 1980 г. в ходе еще более точного теста с лазерными часами, находившимися в летящей ракете, соответствие теории увеличилось до 0,007 %^[278]. Сегодняшние продвинутые технологии позволяют измерять квантовую интерференцию атомов. Общая теория относительности подтверждается с феноменальной точностью – менее одной миллионной доли процента^[279]. Мы можем доказать, что часы действительно идут быстрее, если поднять их меньше чем на метр!

Астрономы не остались в стороне. Скопления галактик являются самыми массивными объектами во Вселенной. Фотоны из центра скопления с большим количеством галактик должны терять больше энергии, чем фотоны с окраины, где галактик меньше. Группа под руководством Радека Войтака из Института Нильса Бора искала этот эффект – настолько слабый, что для его обнаружения пришлось объединить данные 8000 скоплений^[280]. Теория Эйнштейна снова подтвердилась.

На хороший умозрительный эксперимент люди обычно реагируют словами: «Ну конечно, это же очевидно!» Вспомним отзыв английского биолога Томаса Гексли на теорию естественного отбора Дарвина: «Какая невероятная глупость не подумать об этом!»^[281] Мысленные эксперименты Эйнштейна с лифтами раскрыли красоту общей теории относительности. Свободное падение лифта в направлении Земли аналогично ситуации парения лифта в открытом космосе ввиду отсутствия силы гравитации. Лифт, разогнанный в космосе до 9,8 м/с, аналогичен лифту, стоящему на Земле, потому что ускорение, создаваемое гравитацией, невозможно отличить от ускорения, созданного любой другой силой. Во втором случае представьте, что светите прожектором через лифт. За крохотный промежуток времени, необходимый свету, чтобы достичь противоположной стороны кабины, лифт ускоряется, и свет двигается через него по нисходящему криволинейному пути. Согласно теории Эйнштейна, то же самое должно происходить с неподвижным лифтом на земной поверхности. Свет «падает» из-за гравитации. То есть в терминах теории относительности масса Земли искривляет пространство, и свет немного отклоняется, следуя возле Земли искривленному пространственно-временному континууму.

Мы описали «классические» проверки общей теории относительности. Они используют ситуации с настолько слабой гравитацией, что искривление пространственно-временного континуума и искажение – малы, и потому требуются исключительно точные измерения. Около 50 лет назад Ирвин Шапиро, долгое время возглавлявший Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, предложил оригинальный способ проверки теории в условиях слабой гравитации. Он понял: если путь фотонов лежит мимо Солнца, то во времени прохождения сигналов радара, отражающихся от других планет, до цели и обратно должна быть маленькая задержка. Измерив сигналы радара, отраженные от Меркурия и Венеры, до и после того, как их заслонило Солнце, он подтвердил общую теорию относительности на уровне 5 %^[282]. Этот эксперимент был повторен во внешней Солнечной системе зондом NASA «Кассини» с соответствием 0,002 %^[283].