Физика времени - Чернин Артур Давидович - Страница 28

тельности эффект остается в силе и тогда, когда высота не мала и нужно учитывать, что сила тяготения не постоянна, а убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. И в этом случае часы идут тем медленнее, чем ближе они к поверхности тела. Всякий раз из двух часов, находящихся на разных расстояниях от тяготеющего тела, быстрее идут те, ко- которые дальше от этого тела. На очень далекие часы тяготение уже не оказывает практически никакого действия, и там они, а с ними и время, достигают самого высокого своего ритма.

Измерение

Прямой лабораторный, а не мысленный эксперимент с замедлением времени в поле тяготения провели в 1960 году физики Гарвардского университета (США). В их эксперименте электромагнитная волна (это был не видимый свет, а гамма-излучение, что, конечно, не меняет сути дела) проходила расстояние 22 метра по высоте с потолка к полу в башне физической лаборатории. Предсказываемое теорией замедление времени очень мало — всего приблизительно на 3 • 10-13 процента. Чтобы представить себе малость этой цифры*), скажем, что при таком замедлении времени за год набирается примерно одна стомиллионная доля секунды — лишняя у верхних часов. Или иначе: чтобы набралась разность хода часов в 1 секунду, нужно ждать примерно сто миллионов лет.

*) Она получается так: нужно взять разность потенциалов поля тяготения на пути, пройденном светом, и разделить на квадрат скорости света и затем перейти к процентам, умножив это отношение на 100.

В эксперименте нужно было зафиксировать очень малый сдвиг длины волны излучения, сдвиг, который и оценивается величиной 3 • 10-13 процента. И тем не менее такой сдвиг длины волны, а с ним и эффект замедления времени, оказался измеренным. Это было сделано с помощью специальных сверхточных приборов (игравших роль часов), основанных на так называемом эффекте Мёссбауэра — явлении испускания твердыми телами гамма-излучения необычайно строго фиксированной длины волны.

Эксперимент обнаружил эффект гравитационного красного смещения, или замедления времени, в поле тяготения. Со всей экспериментальной точностью **) подтвердилась и его численная величина, предсказываемая теорией.

**) Возможная погрешность не превышала десяти процентов от измеряемой величины.

Это было одно из самых тонких и искусных измерений в современной экспериментальной физике.

Позднее, в 1976 году, эксперимент повторили — с гораздо более высокой точностью — физики Смитсоновского института (США). У них свет проходил 160 километров по высоте — аппаратура была вынесена на эту высоту ракетой. Для такой высоты, или, точнее, для такого перепада высот между источником и приемником, замедление времени в семь с лишним тысяч раз больше, чем в гарвардском эксперименте, что точно соответствует отношению высот.

Астрономический эксперимент

Самая первая попытка обнаружить эффект гравитационного замедления времени была сделана еще в 20-е годы — не в лаборатории, а по астрономическим наблюдениям. Свет, двигаясь к нам от Солнца или какой-либо звезды, распространяется, очевидно, против силы тяготения, создаваемой Солнцем или этой звездой, и потому должен испытывать гравитационное красное смещение, указывающее на то, что время вблизи Солнца или звезды течет медленнее.

Для света Солнца эффект приблизительно в миллиард раз сильнее, чем в лабораторном эксперименте гарвардских фи- физиков. И сам по себе он был бы вполне измерим, если бы не побочные неблагоприятные обстоятельства - например, движение газа в солнечной атмосфере, которые маскируют гравитационное красное смещение.

В последние годы гравитационное красное смещение искали в свете самых плотных из известных сейчас звезд - белых карликов и нейтронных звезд. В ряде успешных попыток эффект был обнаружен, и снова его величина оказалась наилучшим образом согласующейся с тем, что предсказывает общая теория относительности.

Интересные космические эксперименты проделаны недавно с помощью радиолокации. Представим себе, что мы посылаем импульс радиоизлучения на планету, когда она находится за Солнцем и, так сказать, выглядывает из-за него. Луч радиоволн пройдет вблизи края солнечного диска, достигнет поверхности планеты, а затем отразится от нее и вернется на Землю, где его приход зарегистрируют. Можно измерить время путешествия сигнала туда и обратно.

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.