Глава 25. ПОВИНОВЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНУ

Дьявольский скепсис

Если бы я снова допустил на наши страницы дьявола (того, что в конце шестой главы умудрился устроить всемирную катастрофу путем ликвидации удивительности мира), он, быть может, начал бы провокационную болтовню вроде такой:

Ну и чего вы добились? Маленького изменения в чертеже диаграммы движения, всего-навсего. А какой ценой! Относительность пространства и времени, кривизна мира, метрические коэффициенты, которые вы не сумели даже рассчитать, — фу-ты, ногу сломишь в этом беге! И все это ради единственного результата — изгиба диаграммы Минковского. Чепуха! Пустяки! Никакой практической пользы!

Но зато, — ответил бы я, — мы избавились от удивлений!

И завели новые, — добавил бы он злобно. — Похлеще прежних! Променяли кукушку на ястреба! Стоило ли стараться?

Подумаешь! — возразил бы я.— Это даже интересно!

Ну, кому как. Мне неинтересно. Мне больше нравится щелкать семечки и смотреть телевизор.— Он решительно дернул бы хвостом и удалился, презрительно цокая копытами.

Все-таки этот дьявольский скепсис заразителен.

В самом деле, на первый взгляд не так уж много дало нам с вами эйнштейновское толкование тяготения. Приятно, конечно, избавиться от томительных недоумений по поводу падения камней и пушинок. Однако окупается ли приобретение принесенными затратами?

Затраты-то велики. И даже, кажется, утраты.

Утрачена легонькая формула ньютоновского закона всемирного тяготения, с которой нам было так занятно взвешивать на тетрадном листке Землю и Солнце. Вместо нее объявился этот мудреный фундаментальный метрический тензор, и вычислить его в общем виде еще не под силу даже академику. Резонно, кажется, предпочесть старую простоту новой сложности.

Нет, совсем не резонно. Дело-то обстоит как раз наоборот: раньше была сложность, а теперь настала простота. Ведь речь идет о физике. Хоть математическое изложение эйнштейновской теории тоньше и запутаннее, чем ньютоновской, физическое содержание воззрений Эйнштейна гораздо проще. Это видно невооруженным глазом. Прежде две причины объясняли падение тел — инерция плюс тяготение, а теперь одна — инерция. Прежде фигурировали две массы — инертная и тяжелая, а теперь одна — только инертная, просто масса.

А вот самое главное. Прежде во всей Вселенной представлялись законными лишь инерциальные системы отсчета — только в них, как считалось, безукоризненно выполняются законы механики. Общая теория относительности справедлива в любой, в том числе и падающей и подверженной какому угодно ускорению, системе отсчета.

Как это доказать?

Перечисленные достоинства громадны. Их, вообще говоря, вполне достаточно, чтобы признать эйнштейновскую теорию, согласиться, что она стоит гораздо ближе к реальной природе, чем классические взгляды на тяготение.

И все же для полной и безоговорочной ее победы нужен эксперимент. Нужно, чтобы падающие камни и планеты, летящие в космосе, сами заявили: мы следуем именно Эйнштейну, а не Ньютону.

Как добиться этакого признания? Какой выдумать опыт? Легко ли его поставить?

Очень и очень трудно это доказать. Очень и очень трудно придумать и поставить опыт. И вот почему.

В бесчисленном множестве земных и астрономических движений ньютоновская и эйнштейновская механики дают почти тождественные результаты. Все равно, по какой из них составлять «небесное расписание» планет, лун, звезд, — та и другая предрекают светилам практически одни и те же пути. Сразу же после создания своей теории Эйнштейн утвердил это в специальном исследовании — показал, что ньютоновский способ расчета в первом приближении дает результаты, точные и с эйнштейновской точки зрения. Так что знаменитый закон всемирного тяготения остался на вооружении ученых. Да иначе и быть не могло — иначе не было бы знаменательных триумфов ньютоновской небесной механики.

Как же так? Ньютон, с его соблазнительно «очевидным» (а в действительности фиктивным) абсолютным пространством, со столь же инстинктивно-желанным, но невозможным математическим звездным временем, с его изумительно простым законом всемирного тяготения, описывающим взаимное влияние тяжелых масс (несуществующих, по Эйнштейну), ошибся-таки ничтожно мало. Из физических фикций он ухитрился воздвигнуть почти безукоризненно правильную систему вычислений! Почему?

Тут особенно ясно, что традиционные понятия и модели старой механики вовсе не бессмысленны. Они лишь ограничены. Таким образом, теория Эйнштейна отнюдь не отменила почтенную, заслуженную классику, а, по существу, обобщила ее.

Расхождения же между Ньютоном и Эйнштейном начинаются лишь тогда, когда отсчеты измеряемых движений пойдут на совершенно ничтожные доли секунд и сантиметров, или если вступят в игру невообразимо гигантские массы, или если различия накопятся на протяжении столетий и сотен миллионов километров.

Исходя из этого и должны строиться опыты, планироваться наблюдения, призванные испытать эйнштейновскую теорию.

Изгиб света

Первый опыт — волнующий, связанный с экзотическими путешествиями, насыщенный драматическим ожиданием — был выполнен в 1919 году под руководством английского астронома Артура Эддингтона. Опыт до того небывалый в истории науки — оптико-механико-астрономический.

Замысел принадлежал Эйнштейну: предлагалось измерить, на сколько отклонится луч света, проходящий в непосредственной близости от Солнца.

К этой мысли великий физик пришел через собственную ошибку. Сначала Эйнштейн сделал вывод, что и по его теории и по Ньютону луч света будет смещаться к Солнцу одинаково. Значит, проверять тут нечего, зацепиться не за что. Однако позднее более внимательный разбор задачи выявил тонкость, которая прежде ускользнула. Оказалось, что возле поверхности Солнца мир должен быть немножко «круче», кривизна его — чуть больше, чем требуется для согласия с ньютоновской физикой. Другими словами, поле тяготения в непосредственной близости Солнца, по Эйнштейну, больше, чем следует из старой небесной механики.

Поэтому камень, признающий эйнштейновскую физику, у поверхности Солнца должен падать с большим ускорением, чем камень-ньютонианец. Или пуля, пролетающая близко от Солнца, должна, по Эйнштейну, быстрее отклониться к центру светила, чем по Ньютону. Вот и подсказка экспериментатору: заберитесь на Солнце и измерьте ускорение свободного падения камня или отклонение пули.

На Солнце не заберешься. Нужен обходной маневр. Нужно поставить эксперимент с Солнцем, не дотрагиваясь до Солнца, находясь от него в полутора сотнях миллионов километров.

Такой эксперимент и был исполнен. Самый крупный по пространственному охвату физический опыт из всех, когда-либо ставившихся человеком. В этом отношении он поныне остается рекордным.

Вместо камней или пуль были использованы световые лучи, идущие к Земле от далеких звезд мимо Солнца. Ведь лучи тоже имеют массу (ибо они имеют энергию) и поэтому притягиваются Солнцем (по Ньютону) или движутся по инерции вдоль геодезических линий, согнутых массой Солнца (по Эйнштейну). Колоссальная скорость, с какой мчится свет, ведет к тому, что отклонение лучей возле Солнца очень мало. Однако оно может быть заранее вычислено — как в теории Ньютона, так и в теории Эйнштейна. И затем измерено. И сопоставлено с обоими теоретическими предсказаниями.

Основное препятствие для наблюдения ближайших к солнечному диску звезд — ослепительное сияние светила. Избавиться от него можно, лишь загородив Солнце какой-либо заслонкой. Лучше всего Луной.

Таскать по небу Солнце и Луну не понадобилось — они сами встали на необходимые места. Очень просто: 25 мая 1919 года состоялось солнечное затмение, полная фаза которого прошла через Южную Америку и Африку.

И вот в Бразилию и на западное африканское побережье приехали две организованные Эддингтоном экспедиции. Во время затмения сфотографировали Солнце вместе с небесными окрестностями, усыпанными звездным узором. Его создали концы согнутых звездных лучей. Потом дождались, когда Солнце ушло из этого участка неба, и снова сделали фотоснимки — вышли изображения звезд, созданные прямыми, недеформированными лучами. Во втором снимке звезды стояли тесно, в первом казались отодвинувшимися от Солнца, которое пожаловало в их компанию. Это значило: действительно, лучи пригнулись к светилу. Но на сколько, каков угол отклонения? Сравнение снимков позволило вычислить этот угол. Исследование было сделано неторопливо, с должной тщательностью.

Ожидали эйнштейновского отклонения — на 1,75 угловой секунды. Вдвое меньшее отклонение отвергло бы идеи Эйнштейна и подтвердило теорию тяготения Ньютона. А если бы отклонение вышло вдвое большим?

— Тогда, — шутил один из участников экспедиции, — Эддингтон сошел бы с ума.

Эддингтон остался в здравом рассудке. Судя по фотоснимкам, звезды сместились на 1,67 угловой секунды — очень близко к предсказанию общей теории относительности.

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 вальс

У 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 красного

В 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 кристалл

Оказывается, 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]

Столь же точна должна быть частота лучей, которые способен поглотить замороженный кристалл-приемник. Его ядра не могут ни на йоту изменить свое состояние, чтобы «схватить» квант даже с крошечным недостатком или избытком энергии (или, что то же самое, с чуть-чуть уменьшенной или увеличенной частотой).

Это сверхточное излучение и поглощение гамма-лучей именуют теперь эффектом Мессбауэра.

Скорость роста ногтей

Итак, на верху башни точнейший гамма-излучатель, внизу такой же гамма-приемник. Идет «передача». Так вот, если она «принимается», если нижний кристалл поглощает летящие сверху кванты (другими словами, если этот кристалл: для них непрозрачен), предсказание Эйнштейна отвергнуто. Ведь случись такой исход опыта — значит, время наверху и внизу течет одинаково, ядра- часы тут и там имеют равный ход.

В эксперименте этой беды не произошло. Поглощение не состоялось. Потому что на верху башни из-за ничтожного ослабления поля тяжести ядра-часы шли немножко быстрее и, следовательно, излучали гамма-лучи немного большей частоты, чем требовалось для их поглощения внизу. Частота увеличивалась (время ускорялось) на 5·10^-15— пять миллионных долей от одной миллиардной доли. Убедительная цифра! Этого было достаточно, чтобы приемник отказался от предложенных ему лучей!

Как же измерили эту невообразимую величину?

Кристалл-приемник стали медленно-медленно опускать, перемещать от кристалла-излучателя. Волны сверху начали достигать его немного реже. И поглощение состоялось. Скорость опускания приемника в опыте была сравнима, по образному выражению одного физика, со скоростью роста ногтей. Потребовались особые ухищрения, чтобы добиться этого рекорда тихоходности. Ну, а по темпу опускания нижнего кристалла, при скорости, когда он становится непрозрачным для лучей верхнего кристалла, нетрудно было подсчитать разницу частот излучаемых и поглощаемых квантов. И отсюда — величину замедления времени в нижней части башни по сравнению с верхней. С точностью до 10 процентов результат совпал с предсказанием Эйнштейна.

Иного итога никто и не ожидал.

Подобным же методом было измерено затем и замедление времени на краю медленно вращающегося диска (о чем упоминалось в девятнадцатой главе).

Что ж, я думаю, не мешает еще раз вслух удивиться.

Давно ли, рассуждая о теории относительности, мы оперировали околосветовыми скоростями, энергиями атомных взрывов, силами, превращающими человека в желе. И вот противоположность. Черепашьи скорости, фантастически ничтожные изменения гравитационного поля...

Один физик ничуть не солгал, заявив, что машинистка, работающая на десятом этаже, стареет быстрее своей подруги с первого этажа. Вряд ли, правда, это обстоятельство встревожит девушек, желающих сохранить молодость, — за тридцать лет разница в возрасте составит миллионную долю секунды. Но поразительно, что эта разница была предначертана теорией и затем измерена. Причем измерена даже не полностью, а в своей миллиардной доле. И не за 30 лет, а за несколько минут эксперимента Паунда и Ребки.

Четыреста лет тому назад великому основоположнику экспериментальной физики послужила первым прибором Пизанская башня. И вот снова башня... Какой гигантский скачок в умении человека испытывать природу!

Солнце остыло? На слом!

Под конец главы небольшое развлечение. Сейчас состоится знакомство с невероятной возможностью... уничтожить Солнце! Способ уничтожения подсказан идеей так называемой гравитационной машины. Эту идею академик Я. Б. Зельдович сформулировал в виде физико-математической теоремы. Из нее и следует изложенная ниже популяризаторская фантастика.

Исполнителем роли гравитационной машины назначается совсем уже постаревший робот Клио (не забыли его?). В преклонном возрасте он стал чрезвычайно трудолюбив и старателен. А лет ему теперь очень много — десятки миллиардов. Дело происходит в том безмерно далеком будущем, когда погаснет Солнце.

Для землян это, правда, не катастрофа. Цивилизация разумных существ, машин, систем расселилась по всему миру, зажгла тут и там искусственные звезды — энергии вполне хватает, всюду, где требуется, голубеют небеса, светло, тепло, хоть темное Солнце висит бесполезной глыбой и мешает космическому транспорту.

Тут-то Клио и получает последнее задание: убрать из нашего мира скопище истлевшей солнечной золы, а заодно извлечь из нее остатки энергии.

Прежде всего старый робот изменяет свою конструкцию — запасается сверхдлинными руками с такими маленькими пальцами, что ими можно брать и перекладывать с места на место сами атомы. Это сверхъестественное уменье необходимо для нормального действия гравитационной машины.

Когда подготовка закончена, Клио улетает на Солнце и с энтузиазмом приступает к работе. Он выполняет неправдоподобно кропотливую операцию — перекладывает атомы солнечного праха так, чтобы они не могли опираться друг на друга и упали к центру остывшего светила (возможность такой перекладки как раз и доказывается в теореме о гравитационной машине). И атомы, сдвинутые Клио с прежних мест, низвергаются. Солнце спадает, сжимается. В падении вещества освобождается огромная энергия, которую заботливый Клио неведомым способом собирает и отправляет на Землю.

Все это сопровождается весьма любопытным эффектом. Вещество холодного Солнца, и без того сверхплотное, по мере сжатия еще более уплотняется. Вблизи него возникает исполинское поле тяготения. То есть, говоря терминами общей теории относительности, круто искривляется пространство — время. Поле непрерывно нарастает, мир сгибается все круче. Наблюдатель с Земли обнаруживает на сжимающемся Солнце уменьшение расстояний и замедление времени. Будто тамошние события происходят на киноэкране, который становится все меньше и меньше, а движение «кинопленки» непрерывно замедляется.

«Для себя» Клио нисколько не уменьшился и работает в бешеном темпе, но с Земли он представляется уменьшающимся и все медленнее шевелит руками.

В конце концов для землян Солнце вместе с Клио исчезнет. Пространство вокруг него «захлопнется», время полностью остановится. Но этого земной наблюдатель не увидит никогда. Для него это произойдет... через вечность земного времени!

Ну, а Клио, незаметно для себя проскочив через «вечное для Земли» состояние, окажется... вне нашего пространства — времени, в ином пространственно-временном мире! И жить ему останется недолго. За малые доли секунды все вещество катастрофически спадет и вспыхнет гигантским взрывом.

Таков гравитационный коллапс, распад вещества в поле тяготения, погребение его в «гравитационной могиле» (слова Я. Б. Зельдовича). По мнению некоторых астрономов, кое-где в далях Вселенной совершаются и подобные необычайные процессы.

Таким образом, бывший бандит и пират, а затем неутомимый и вечный (для землян) работник пал благородной жертвой научной популяризации. И похоронен.