Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
Если критика Эйнштейном квантовой теории способствовала ее развитию, хотя и не привела, возможно, к полностью удовлетворительному разрешению всех ее парадоксов, то в других областях, в первую очередь в общей теории относительности, его идеи с лихвой наверстали упущенное. Сегодня, в эпоху атомных часов, лазеров и суперкомпьютеров, ученые проводят такие высокоточные эксперименты по проверке общей теории относительности, о каких Эйнштейн мог только мечтать. Так, в 1959 г. Роберт Паунд и Глен Ребка из Гарварда наконец получили лабораторное подтверждение предсказанного Эйнштейном гравитационного красного смещения, то есть того факта, что часы в гравитационном поле идут с разной скоростью. Они направили излучение радиоактивного кобальта из подвала Лаймановской лаборатории в Гарварде вверх, к крыше, на высоту 23 м. При помощи чрезвычайно точного измерительного устройства (построенного на эффекте Мёссбауэра) они показали, что в процессе движения из подвала до чердака фотоны теряют энергию (следовательно, снижают частоту). В 1977 г. астроном Джесси Гринстейн с коллегами проанализировал ход времени на десятке звезд из класса белых карликов. Как и ожидалось, наблюдения подтвердили, что время в сильном гравитационном поле замедляется.
Эксперимент с солнечным затмением тоже был повторен с предельной точностью, и не один раз. В 1970 г. астрономы засекли положение двух чрезвычайно далеких квазаров (3C 279 и 3C 273). Лучи света от этих квазаров изогнулись, как и предсказывала теория Эйнштейна.
Кроме того, появление атомных часов привело к настоящей революции в методиках проведения прецизионных экспериментов. В 1971 г. атомные часы поместили в реактивный самолет, летавший с востока на запад и с запада на восток. Эти атомные часы затем сравнили с атомными часами, остававшимися в неподвижном состоянии в Военно-морской лаборатории в Вашингтоне. Проанализировав показания атомных часов на самолетах, летавших с разной скоростью (но на одной и той же высоте), ученые смогли подтвердить специальную теорию относительности. Затем, проанализировав показания часов на самолетах, летавших с одной скоростью, но на разных высотах, они смогли проверить предсказания общей теории относительности. В обоих случаях результаты подтвердили предсказания Эйнштейна в пределах экспериментальных погрешностей.
Запуск искусственных спутников Земли также стал настоящей революцией в методах, при помощи которых можно проверить общую теорию относительности. Астрометрический спутник Hipparcos, запущенный Европейским космическим агентством в 1989 г., в течение четырех лет использовался для расчета отклонения звездного света Солнцем; он использовал для анализа даже звезды, в 1500 раз более слабые, чем звезды Ковша Большой Медведицы. В космосе нет необходимости дожидаться солнечного затмения – эксперименты можно проводить в любое время. Выяснилось, что свет звезд во всех случаях, без исключения, отклоняется согласно предсказаниям Эйнштейна. Более того, ученые обнаружили, что Солнце отклоняет свет звезд, расположенных на большом удалении от него.
В XXI в. планируется множество других прецизионных экспериментов, цель которых – проверить точность общей теории относительности; в их числе новые эксперименты с двойными звездами и даже опыты с отражением лазерного сигнала от поверхности Луны. Но самые интересные опыты, вероятно, будут связаны с гравитационными волнами. Эйнштейн предсказал гравитационные волны в 1916 г., однако он не надеялся увидеть когда-либо реальное подтверждение этого трудноуловимого феномена. Экспериментальное оборудование начала XX в. было попросту слишком примитивным. Но в 1993 г. Нобелевская премия была присуждена двум физикам – Расселу Халсу и Джозефу Тейлору – за косвенное подтверждение существования гравитационных волн при исследовании двойных звезд, обращающихся друг вокруг друга.
Халс и Тейлор рассмотрели пульсар PSR 1913+16 – двойную нейтронную звезду на расстоянии 16 000 световых лет от Земли; две «мертвые» звезды обращаются вокруг общего центра с периодом 7 часов 45 минут, излучая при этом гравитационные волны в огромном количестве. Представьте, к примеру, перемешивание патоки двумя ложками, которые ходят по кругу друг за другом. За каждой ложкой остается расходящийся паточный след. Аналогично, если мы заменим патоку тканью пространства-времени, а ложки – «мертвыми» звездами, мы обнаружим, что две звезды ходят по кругу друг за другом, излучая волны гравитации. Эти волны уносят энергию звезд, и они, постепенно, по спирали, сближаются. Анализируя сигналы системы, можно экспериментально определить величину уменьшения радиуса орбит звезд этой пары. Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что две звезды на каждом обороте должны сближаться приблизительно на миллиметр. За земной год расстояние между звездами уменьшилось примерно на метр при диаметре орбиты около 700 000 км, что в точности соответствовало расчетам по уравнениям Эйнштейна. В реальности система из этих двух звезд должна полностью схлопнуться всего через 240 млн лет за счет потери энергии с излучением гравитационных волн. Этот высокоточный эксперимент можно интерпретировать и иначе – как проверку общей теории относительности Эйнштейна. Полученные числа настолько точны, что можно сделать вывод: общая теория относительности точна на 99,7 % (что намного меньше погрешности эксперимента).
Не так давно сильный интерес научной общественности вызвала серия долгосрочных экспериментов по непосредственному наблюдению гравитационных волн. Проект LIGO («Лазерный интерферометр для наблюдения гравитационных волн»), возможно, окажется первым, в ходе которого удастся «увидеть» гравитационные волны, скорее всего, от столкновения двух черных дыр в дальнем космосе. LIGO – сбывшаяся мечта физика, первая установка достаточной мощности для измерения гравитационных волн. LIGO состоит из трех лазерных установок в США (две в Хэнфорде, штат Вашингтон, и одна в Ливингстоне, штат Луизиана). На самом деле это часть более крупного международного консорциума, включающего, помимо LIGO, франко-итальянский детектор VIRGO в Пизе (Италия), японский детектор TAMA в пригороде Токио (Япония) и британско-германский детектор GEO600 в Ганновере (Германия). Постройка LIGO обойдется в конечном итоге в $292 млн (плюс $80 млн на запуск в эксплуатацию и обновление), что сделает его самым дорогим проектом Национального научного фонда США.
Лазерные детекторы в LIGO очень похожи на устройство, которое использовали на заре XX в. Майкельсон и Морли в попытке обнаружить эфирный ветер; основная разница – то, что вместо обычного светового луча используется луч лазера. Лазерный луч расщепляется на два отдельных луча, которые далее идут перпендикулярно друг другу. Затем, отразившись от зеркала, они вновь соединяются. Если через интерферометр пройдет гравитационная волна, длины путей двух лазерных лучей претерпят возмущение и это отразится в их интерференционной картине. Чтобы убедиться в том, что сигнал, зарегистрированный лазерной установкой, не случаен, детекторы следует разместить в разных точках Земли. Только под действием гигантской гравитационной волны, намного превышающей по размеру нашу планету, все детекторы сработают одновременно.
