Бегство от удивлений

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).

18

Соответствующую формулу вывел, кстати, Эйнштейн: E=hv, где Е — энергия, v — частота, h — постоянная величина.

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.