Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать - Брайан Кокс

Вы наверняка обратили внимание, что в процессе обсуждения этой темы мы не выделяли один тип объектов на фоне других. В частности, сам свет также должен перемещаться в пространстве-времени по геодезическим линиями. На каждом участке пространства-времени, по которому проходит свет, он перемещается по одной из диагональных прямых, о которых шла речь в главе 4, но после соединения всех участков вместе мы обнаружим траекторию, которая отклоняется в пространстве. Это отклонение отображает деформацию пространства-времени под воздействием массы и энергии. Как и в случае перемещения Земли по орбите вокруг Солнца, траектория движения света сквозь пространство представляет собой тень его четырехмерной геодезической линии. Действенность принципа эквивалентности и предполагаемое отклонение траектории движения света можно наглядно проиллюстрировать с помощью еще одного мысленного эксперимента.

Представьте, что вы стоите на поверхности Земли и выстреливаете лазерный луч в горизонтальном направлении. Что с ним происходит? Об этом нам расскажет принцип эквивалентности. Свет падает на земную поверхность точно с такой же скоростью, что и любой предмет, выпущенный в тот же момент времени, когда выстреливается лазерный луч. Если бы у Галилея был доступ к лазеру и он выстрелил лазерным лучом с Пизанской башни горизонтально, выпустив одновременно пушечное ядро, то, согласно прогнозу Эйнштейна, лазерный луч достиг бы поверхности в то же время, что и ядро. Проблема проведения такого эксперимента в реальных условиях состоит в том, что поверхность Земли искривляется достаточно быстро, и лазерный луч так и не упадет на нее, улетев за пределы Земли. Если мы представим, что стоим на плоской поверхности, тогда эта проблема исчезнет и мы сможем ожидать, что лазерный луч упадет на землю точно в то же время, что и пушечное ядро, но только гораздо дальше. В действительности, если ядро достигает поверхности через одну секунду, то лазерный луч соприкоснется с поверхностью через одну световую секунду от башни, то есть на расстоянии около 300 тысяч километров.

Безусловно, описание гравитации в геометрических терминах звучит чрезвычайно убедительно и приводит к поразительным выводам, однако, как мы неоднократно подчеркивали на протяжении всей книги, оно совершенно бесполезно, если не позволяет составлять прогнозы, истинность которых можно проверить посредством экспериментов. К счастью для Эйнштейна, ему пришлось ждать всего четыре года, прежде чем его нетривиальные гипотезы получили подтверждение. Первая серьезная проверка истинности его теории была выполнена в 1919 году, когда Артур Эддингтон, Фрэнк Дайсон и Чарльз Дэвидсон написали работу под названием «Определение отклонения лучей света в гравитационном поле Солнца по данным наблюдений, проведенных во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года». Эта работа, опубликованная в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society of London, содержит бессмертные слова: «…оба результата указывают на полное отклонение 1,75", соответствующее общей теории относительности Эйнштейна». Так Эйнштейн в одночасье стал мировой суперзвездой. Его эзотерическая теория об искривлении пространства-времени была подтверждена довольно значительными усилиями Эддингтона, Дайсона и Дэвидсона: для того чтобы увидеть солнечное затмение, им пришлось организовать экспедиции в город Собрал в Бразилии и на остров Принсипи у Западного побережья Африки. Затмение позволило ученым рассматривать звезды, которые находятся очень близко к Солнцу, из-за чего при обычных обстоятельствах солнечный свет не позволяет их увидеть. Свет этих звезд лучше всего подходил для проверки теории Эйнштейна: отклонение их лучей должно было быть самым большим, поскольку по мере приближения к Солнцу кривизна пространства-времени увеличивается. По существу, Эддингтон, Дайсон и Дэвидсон пытались выяснить, изменяют ли звезды свое положение в небе, когда Солнце проходит мимо них. Солнце в буквальном смысле слова изгибает пространство-время и действует в качестве линзы, искажая схему расположения звезд на небе.

В наше время была проведена более строгая проверка теории Эйнштейна с использованием самых удивительных объектов во Вселенной: быстро вращающихся нейтронных звезд под названием пульсары. Мы уже встречались с ними в конце главы 6, когда говорили, что во Вселенной пульсаров очень много. Из всех объектов, которые мы можем тщательно изучить с Земли с помощью телескопов, вращающиеся нейтронные звезды представляют особый интерес, так как предоставляют в наше распоряжение информацию о крупных искажениях пространства-времени и точную временную шкалу, которая соперничает по уровню стабильности с лучшими в мире атомными часами. Если бы вам нужно было найти объект, способный обеспечить идеальную среду для проверки общей теории относительности, вы вполне могли бы выбрать для этого пульсар. Пульсары формируют временную шкалу посредством излучения радиоволн в процессе вращения. Вы можете представить себе пульсар в виде маяка, излучающего пучок света, который примерно каждую секунду сканирует окружающее пространство. Эти чрезвычайно полезные объекты совершенно случайно обнаружили в 1967 году Джоселин Белл Бернелл[62] и Энтони Хьюиш[63]. Как же им это удалось? Джоселин Белл Бернелл искала отклонения в интенсивности радиоволн, излучаемых отдаленными объектами, известными как квазары. Считалось, что такие отклонения вызваны солнечным ветром в межзвездном пространстве. Однако, будучи хорошим ученым, она всегда высматривала что-либо неординарное в полученных данных. Одним ноябрьским вечером Джоселин Белл зафиксировала сигнал, который они с ее руководителем Энтони Хьюишем приняли за шум земного происхождения. Последующие наблюдения убедили их в том, что это не так и что источник сигнала должен находиться за пределами нашей планеты. «Тем вечером я ушла домой очень рассерженной, – рассказывала впоследствии Белл Бернелл о своих наблюдениях. – Я всеми силами пытаюсь получить ученую степень за новую методику, а какие-то маленькие зеленые человечки почему-то выбрали мою антенну и мою частоту для налаживания с нами контакта».

Хотя пульсары достаточно распространены во Вселенной, существует только один известный пример их вращения вокруг друг друга. Радиоастрономы установили факт существования этого двойного пульсара в 2004 году, а последующие наблюдения позволили выполнить самую точную проверку общей теории относительности Эйнштейна.

Двойной пульсар – удивительный феномен. Теперь мы знаем, что он состоит из двух нейтронных звезд, расположенных на расстоянии около миллиона километров друг от друга. Представьте, насколько стремительна эта система. Две звезды, каждая из которых имеет массу Солнца, сжатую до размера крупного города, вращаются вокруг своей оси со скоростью сотни оборотов в секунду и двигаются вокруг друг друга на расстоянии, всего в три раза превышающем расстояние от Земли до Луны. Для тех ученых, которые занимаются проверкой теории Эйнштейна, преимущество системы из двух пульсаров состоит в том, что радиоволны от одного из них иногда проходят очень близко от другого. Это означает, что ультрарегулярный пучок электромагнитного излучения проходит через область сильно искривленного пространства-времени, которое задерживает его прохождение. Тщательные наблюдения позволяют измерить эту задержку и таким образом подтвердить состоятельность теории Эйнштейна.

Еще одно преимущество двойной системы пульсаров состоит в том, что их вращение вокруг друг друга создает в пространстве-времени пульсирующие волны, которые распространяются вовне. Эти волны уносят энергию от вращающегося движения пары звезд и заставляют их медленно двигаться по спирали внутрь системы. У этих волн есть свое имя – гравитационные волны, и их существование было предсказано теорией Эйнштейна (в ньютоновской теории гравитации таких волн не было). Не так давно ученым удалось добиться одного из величайших достижений в экспериментальной науке. С помощью 64-метрового телескопа Parkes в Австралии, 76-метрового телескопа Lovell в британском городе Джодрелл-Бэнк и 100-метрового телескопа Green Bank в Западной Вирджинии астрономы провели необходимые измерения и пришли к выводу, что скорость перемещения пульсаров по спирали внутрь системы составляет всего семь миллиметров в день, что полностью соответствует предсказанию общей теории относительности. Это поразительное открытие. Быстро вращающиеся нейтронные звезды двигаются вокруг друг друга на расстоянии в миллион километров и расположены в двух тысячах световых лет от Земли. Поведение этих звезд было предсказано с точностью до миллиметра с помощью теории, которую сформулировал еще в 1915 году человек, захотевший понять, почему два объекта, брошенные с Пизанской башни за три столетия до этого, упали на Землю одновременно.