Глеб Анфилов - Бегство от удивлений
В описанном уникальном астрофизическом эксперименте луч света недвусмысленно заявил физикам: — Я подчиняюсь Эйнштейну, а не Ньютону.
Это было триумфом новой физики. По всему миру прокатилась волна восторга ученых. И не только ученых. Торжество теоретического предсказания всколыхнуло широкие массы рядовых любителей науки. Тогда- то к сорокалетнему Эйнштейну и пришла шумная слава, не утихшая до конца его жизни.
Меркурий танцует вальсУ Ньютона был дальний взгляд, обзор природы с птичьего полета.
Эйнштейн вооружил физику умением исследовать небесные движения вблизи, в тонких подробностях, которые не могли попасть в поле зрения ньютоновской теории. Так случилось с отклонением света вблизи Солнца. Так вышло и с обращением вокруг Солнца самой близкой планеты — Меркурия.
По Ньютону, орбита Меркурия — эллипс. В небесной механике его досконально рассчитали, на столетия вперед и назад составили «расписание» прибытия планеты в различные его места. Через каждый меркурианский год Меркурий обязан возвращаться в точку, пройденную по эллипсу год тому назад.
И вот многолетние астрономические наблюдения опровергли это теоретическое расписание. На деле оно не исполнилось. Через год Меркурий не возвращался на старое место, а оказывался лишь рядом с ним. Разобравшись, астрономы поняли, что эллипс меркурианской орбиты сам движется — очень медленно обращается вокруг Солнца. Строго говоря, Меркурий описывает не эллипс. Его путь похож на контур цветка ромашки, на своеобразную розетку.
За столетие эллипс орбиты Меркурия поворачивался на угол в 43 секунды — только и всего. Но эти злосчастные секунды с позиций старой механики были досадно непонятны. Они вносили неприятный диссонанс в гармонию строго согласных с ньютоновской теорией небесных движений. Откуда они взялись?
В теории Эйнштейна розетка меркурианской орбиты стала обязательна: так уж пролегает соответствующая геодезическая линия в мире, искривленном солнечной массой. Это засвидетельствовали вычисления. Давняя загадка нашла объяснение.
Мало того. По Эйнштейну, подобные же розетки, только еще менее заметные, обязаны описывать и соседка Меркурия — Венера, и соседка Венеры — Земля. В орбите Венеры астрономы-наблюдатели пока не могут найти релятивистских особенностей. Но зато тщательнейшие астрономические исследования как будто подтвердили предсказание для нашей планеты. Путь Земли оказался чуть-чуть иным, чем назначил Ньютон. И, по-видимому, близким к тому, что указан общей теорией относительности. Так сам шар земной, не очень, правда, уверенно (потому что точных измерений еще не сделано), объявил ученым:
— Я повинуюсь Эйнштейну!
Что скажут спутники?Луч, склонившийся к Солнцу, безмерно медленное смещение орбит Меркурия, Земли — налицо явные подтверждения эйнштейновской теории. В скором будущем есть надежда тщательно изучить орбиты искусственных спутников, обегающих планету, и тут тоже должны объявиться намеки на розетки.
Быть может, удастся уловить еще одно явление, предсказанное Эйнштейном, но пока не подтвержденное в эксперименте или наблюдении, — зависимость земного тяготения от вращения планеты вокруг своей оси.
У Ньютона вращение не играло никакой роли. Кружится ли Земля, неподвижна ли — Луна притягивается ею совершенно одинаково.
У Эйнштейна иначе. Вращение придает Земле дополнительную энергию, значит, и массу. Поэтому неподвижная и вращающаяся планеты по-разному деформируют вокруг себя метрику мира. Около вращающейся Земли геодезическая линия спутника будет поэтому иной, чем около неподвижной. Этот эффект еще тоньше, еще незаметнее. И все же физики намереваются подвергнуть эйнштейновскую теорию и этому строжайшему экзамену.
Здесь уместно в виде отдыха коротенькое раздумье.
Нас с вами с первых страниц этой книжки интересовал падающий камень.
Мало-помалу мы разобрались в его поведении, вслед за Эйнштейном свели тяготение к инерции. Но подтверждение нашли совсем не в камне — в световом луче, в орбите планеты.
Ну, а камень? Есть ли что-нибудь специфически эйнштейновское в падающем булыжнике?
Памятуя то, что сейчас было сказано о спутниках, я рискну ответить на этот вопрос утвердительно. Ибо спутник — не что иное, как камень, с достаточной быстротой выброшенный с земной поверхности. И, может быть, настанет день, когда прямо в лаборатории, в каком-нибудь настольном приборе обыкновенный падающий булыжник обнаружит некую фантастически крошечную, неправдоподобно тонкую черту своего релятивистского характера. Это будет значить, что и камень вместе с лучом, планетой, спутником заявит:
— Я за Эйнштейна!
Думаю, что рано или поздно физики вырвут у камня это признание. Потому что могущество экспериментальных средств растет очень быстро.
Краснее красногоВ наше время, когда астрономия все более становится экспериментальной наукой, небесная проверка идей Эйнштейна обретает близкое сходство с лабораторным опытом.
И в небе порой хорошо заметно то, что в земных условиях и масштабах отыскать невозможно.
Многие из вас, вероятно, слышали про необычные звезды — белые карлики. Их вещество обладает небывалой плотностью — в сотни тысяч раз тяжелее нашего свинца. Поэтому они создают вокруг себя колоссальное тяготение, значительно деформируют пространство — время. Как следует из теории относительности, тяжесть служит там «машиной времени», замедляет темп бытия атомов. Так вот, свет белых карликов несет в себе явный отпечаток этого действия. Из-за «тяжелых условий» рождения световые колебания замедлены. А понижение частоты — это изменение цвета лучей. Например, красная спектральная линия, излучаемая водородом, «более красна», чем такая же линия на Земле.
Это явление с полной достоверностью зарегистрировали астрономы. Да и не только на белых карликах. Оно замечено даже на Солнце, где тяжесть, хоть и велика, но не идет в сравнение с могучим гравитационным полем белого карлика.
После чудес предыдущей главы это, впрочем, не выглядит странным.
Но вот новинка, отличный повод для очередного (какого уже по счету!) удивления.
Замороженный кристаллОказывается, был сделан и лабораторный опыт, благодаря которому удалось непосредственно зафиксировать замедление темпа времени в поле тяжести.
Эксперимент исполнен впервые в 1960 году. Авторы — американцы Паунд и Ребка, воспользовавшиеся замечательным открытием физика из ФРГ Рудольфа Мессбауэра, сделанным в 1958 году. Как видите, перечисляются события совсем недавнего прошлого.
Вообразите башню. На ней двое часов. Одни внизу, у подножия, другие вверху, под крышей. Если верно предсказание Эйнштейна, нижние часы должны отставать от верхних, потому что поле тяжести внизу чуть- чуть больше, чем наверху.
Разумеется, часы должны быть предварительно выверены. В равных условиях они обязаны идти совершенно одинаково.
В опыте Паунда и Ребки были и башня и двое одинаковых часов. Башня самая натуральная, старинная, высотой 22 метра. А роль часов исполнили ядра атомов в кристалле радиоактивного железа, замороженного до сверхнизких температур в жидком гелии.
Ядра наверху излучали кванты (порции) гамма-лучей — коротковолнового электромагнитного излучения со строго точной частотой колебаний. То была «радиостанция». А внизу стоял «приемник» — атомные ядра, призванные поглощать посланные сверху лучи. Поглощение могло произойти лишь тогда, когда частота спустившихся гамма-квантов совпадала с частотой таких же квантов, если бы они испускались внизу.
Тут очень важна точность настройки «радиостанции» и приемника. Она и была соблюдена благодаря открытию Мессбауэра.
Прежде частоту гамма-лучей не удавалось делать строго определенной. Она «гуляла» — оказывалась то больше, то меньше некоего среднего значения. Мессбауэр же поставил рекорд остроты «настройки» гамма- излучателей и приемников. Как это ему удалось?
Главный секрет как раз в том и заключается, что в качестве источника и приемника лучей он использовал сильно охлажденный кристалл. В обычных условиях ядра, «стреляя» гамма-квантами, испытывают отдачу, как ружейные приклады, тратят энергию на это. А в замороженном кристалле ядра так крепко стоят в строю кристаллической решетки, что, «стреляя» гамма-квантами, не испытывают практически никакой отдачи. Поэтому вся (в точности!) энергия, освобождающаяся при излучении, отдается именно испускаемым лучам. Ни малейшей доли ее не теряется, не тратится на раскачку ядра, ибо оно, прочно связанное с кристаллической решеткой, просто не может раскачаться.
Так гарантируется постоянство энергии испускаемых гамма-квантов. Но по законам микромира энергия гамма-квантов строго соответствует их частоте. Значит, замороженный гамма-излучатель дает кванты очень точной «длины волны». [18]
