Эйнштейн. Теория относительности. Пространство – это вопрос времени. - Давид Ласерна

Кембриджский университет и Королевское астрономическое общество для наблюдения за затмением из Северного и Южного полушарий организовали две научные экспедиции: одна направилась на юг, в сторону бразильского города Собраль, другая – на север, к острову Принсипи в Гвинейском заливе.

Северная экспедиция чуть не сорвалась из-за плохой погоды. В день затмения небо было плотно затянуто тучами и с самого утра лил дождь. Днем, в половину второго, появились первые проблески солнца, но облака все еще нависали тяжелой пеленой, скрывая сцену, на которой теория относительности должна была пройти испытание. Как только лунная тень упала на Солнце, Эддингтон в исступлении стал фотографировать небо. У него было всего пять минут, и в эти пять минут солнце порой скрывалось за облаками. Из шестнадцати снимков скопления Гиад получились только два. Эддингтон, сгорая от нетерпения, приступил к расчетам. А что же произошло в Собрале? Как рассказывал Эндрю Кроммелин, глава бразильской экспедиции, погода в Южном полушарии также заставила ученых понервничать, «но облака разошлись рядом с Солнцем как раз вовремя, и в течение четырех или пяти минут затмения небо вокруг Солнца оставалось полностью ясным».

Анализ Эддингтона подтвердил выводы релятивистов: он использовал для расчета фотографические снимки звезд из того же скопления Гиад, однако сделаны они были летом в Англии, когда Солнце уже не вызывало отклонение их света. Астроном подтвердил: 29 мая угол отклонения составил 1,7 секунды.

РИС. 1

РИС. 2

Солнце заставляет лучи света, проходящие рядом с ним, отклониться от своей траектории, и из-за этого кажется, что некоторые звезды занимают на небе другое положение, нежели на самом деле, как это показано на рисунке 1. Угол отклонения легко рассчитывается при наложении двух снимков одной и той же звездной области друг на друга, сделанных с учетом и без учета затмения (рисунок 2). Каждая стрелка соединяет действительное положение звезды (начало стрелки) и кажущееся (острие стрелки).

Некоторые англичане восприняли этот опыт как продолжение поединка между великим британским гением Исааком Ньютоном и немцем Эйнштейном, которого, впрочем, в Германии немцем вовсе не считали. 6 ноября 1919 года в Лондоне общее собрание Королевского астрономического общества и Британского королевского общества заключило, что анализ фотографий подтверждает гипотезу, выдвинутую в рамках общей теории относительности.

Если первая астрономическая экспедиция Фрейндлиха состоялась при неблагоприятных исторических и научных условиях, то вторая попала точно в цель. Научная новость появилась на первых страницах газет. Заголовки того времени гласят: «Теория Эйнштейна торжествует победу» (New York Times), «Революция в науке», «Идеи Ньютона свергнуты» (Times), «Новая великая личность в мировой истории: Альберт Эйнштейн» (Berliner Illustrirte). Ученый стал настоящей знаменитостью.

Подтверждение теории привлекло внимание не только журналистов и обывателей, но и ученых. Действительно, ее главное уравнение могло бы найти применение и в других областях, но космос казался естественной средой принципа относительности. И если в движении ядер и электронов этот принцип оставался незамеченным, то среди звезд и галактик он блистал во всю силу. Двери для первого закона постньютоновской механики распахнулись.

Во время дуэли с Гильбертом Эйнштейн, в погоне за быстрым экспериментальным подтверждением, дополнил свое уравнение тремя частными случаями: расчетом аномалии на орбите Меркурия, отклонением луча света и красным смещением (это явление мы объясним ниже). Два последних эффекта были вызваны воздействием силы тяжести. Однако время поджимало, и Эйнштейн ограничился приблизительными выводами.

Вскоре его теория перестала вызывать интерес исключительно у физиков. Первые точные вычисления сделаны астрономом Карлом Шварцшильдом (1873-1916). Астрономия была у него в крови: Шварцшильд опубликовал свою первую статью об орбите двойных звезд в возрасте 16 лет, будучи еще учеником школы. За три дня до нового 1915 года он писал Эйнштейну, рассказывая о собственных вычислениях аномалий на орбите Меркурия: «Вы видите, несмотря на пушечный огонь, война относится ко мне с милосердием, позволяя мне уклоняться от нее и прогуливаться по земле ваших идей».

Шварцшильд нашел точное решение уравнений Эйнштейна для изолированной точечной звезды. Для простоты астроном посчитал небесное тело сферически симметричным, незаряженным и неподвижным. Метрика Шварцшильда достаточно точно описывает гравитационное поле изолированной невращающейся и незаряженной массы и искажение пространства-времени снаружи от изолированного сферического небесного тела. Он обратил внимание на то, что по мере приближения к звезде, то есть по мере увеличения плотности ее гравитационного поля, течение времени замедляется. Видимым подтверждением этого феномена служит эффект красного смещения, которому подвергается свет, исходящий от звезды.

При изучении света обнаружилось, что электроны создают электромагнитное излучение в виде волн различной длины. Так же как солнечный свет раскладывается на отдельные цвета, можно проанализировать любое излучение и выявить его составляющие с помощью соответствующего оборудования. Атомный спектральный анализ дает ответ на вопросы об элементарной и молекулярной структуре звезды на основании спектра ее излучения.

Вычисления Шварцшильда показывали, что для атома любого вещества на поверхности звезды время течет медленнее, чем для атома того же вещества на Земле (с точки зрения наблюдателя с Земли), поэтому их временные шкалы не совпадают (рисунок 1).

Эта разница влияет на то, как мы воспринимаем излучение звезд. Хотя для каждой системы звезды и Земли при одной и той же температуре образуются одинаковые атомы с одинаковым спектром, астрономы открыли, что излучение звезды имеет большую длину волны, или период (Т) (рисунок 2).

РИС. 1

РИС. 2

Сравнение шкал времени на поверхности звезды и на поверхности Земли.

Несовпадения свидетельствуют о том, что плотность гравитационного поля вблизи звезды больше, чем вблизи нашей планеты.

Период – это единица, обратная частоте (Т= 1/v). По мере роста Т спектральные линии химических элементов смещаются в длинноволновую сторону (в сторону красного цвета); в пространстве это смещение под влиянием звездной массы называется гравитационным, оно увеличивается с ростом плотности гравитационного поля. Чем больше плотность и масса звезды, тем более явным станет красное смещение и тем медленнее будет протекать время рядом со звездой. Продолжив рассуждения, мы обнаружим, что при критической плотности время практически останавливается, и красное смещение резко усиливается, заполняя весь спектр. Шварцшильд посчитал этот крайний случай математической иллюзией, которая не имеет ничего общего с реальностью. Сам того не зная, он писал о черной дыре – странном астрономическом явлении, которое в будущем поразит воображение физиков и любителей научной фантастики. Этот термин введет Джон Уилер на осенней конференции Института Годдарда в НАСА в 1967 году.

Эйнштейн очень внимательно следил за работой Шварцшильда. К сожалению, блестящие исследования астронома, дополнявшие общую теорию относительности, были прерваны. Когда Шварцшильд находился на восточном фронте, у него началось аутоиммунное заболевание кожи, исследователь вернулся в Потсдам и через два месяца умер.

Крайний случай смещения, обнаруженный Шварцшильдом, привлек внимание Эйнштейна, и знаменитый физик также заключил, что «особенности, отмеченные Шварцшильдом, не существуют в физической реальности». Однако на первой конференции о черных дырах Уилер не только утверждал о существовании этого явления, но и представил его обширное и довольно живое описание. Когда ядерное топливо звезды иссякает, ее судьба зависит от ряда переменных, в том числе и от начальной массы. Может случиться так, что умирающая звезда коллапсирует под действием гравитационных сил, то есть схлопывается под собственной тяжестью.

« […] из-за быстрого сжатия [поверхность умирающей звезды] отдаляется от наблюдателя все с большей скоростью. Свет смещается в сторону красного спектра. За доли секунды он слабеет настолько, что мы перестаем его воспринимать… [Звезда], как Чеширский кот, исчезает из поля зрения, и остается только ее улыбка – ее гравитационное притяжение».

Мы уже знаем, что искажения пространства-времени отражают состав материи. Если сжать массу Солнца так, чтобы она уместилась в пространстве, равном примерно половине острова Манхэттен, материя достигнет плотности черной дыры. Концентрация материи в пространстве-времени доходит до таких пределов, что Шварцшильд и Эйнштейн едва ли осмеливались делать эти вычисления на полях своих записей. Однако Вселенная оказалась гораздо более необычным местом, чем ее видели патриархи релятивизма. Вблизи черной дыры время резко замедляется, а сама звезда окружена невидимой сферой, известной как горизонт событий, которая является своеобразной чертой невозврата. Провалившись под этот горизонт, наблюдатель увидит свет, запертый внутри сферы и блуждающий в ней миллиарды лет. Это словно фильм, запечатлевший историю черной дыры с самого момента ее рождения.