Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Собственноручно написанное Эйнштейном послание и сейчас можно прочесть в доме Эренфеста по улице Витте Розенстраат, 57, в Лейдене. Коллегам со всего мира, приезжающим в гости, предлагалось расписаться на стене в коридоре второго этажа перед гостевой комнатой. Эти подписи можно читать как биографический словарь по физике: Нильс Бор, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Эрвин Шрёдингер, Альберт Эйнштейн.

Недалеко от дома Эренфеста, на стене дома по Грёнховенстраат, 18, начертано стихотворение аргентинского писателя Хорхе Луиса Борхеса. Вот его последние строки:

Можно ли израсходовать $750 млн на доказательство того, что все и так считают истинным? В такую сумму НАСА обошлась космическая миссия Gravity Probe B, в 2005 г. подтвердившая ряд предсказаний Эйнштейна путем измерения слабых релятивистских эффектов, известных как геодезическая прецессия и увлечение инерциальных систем отсчета.

В 1963 г., когда проект стартовал, высказывалось мнение, что незачем тратить огромные суммы только ради подтверждения, казалось бы, самоочевидных вещей, ведь в космосе еще множество тайн.

Фрэнсис Эверитт, главный исследователь проекта Gravity Probe B, постоянно слышал этот аргумент. В своем кабинете в Стэнфордском университете он рассказывает о сложном пути проекта, в том числе о зависти некоторых коллег[23]. В науке получить деньги означает гарантированно нажить врагов.

Восьмидесятидвухлетний Эверитт умеет относиться к деньгам как к стратегическому ресурсу. Путь проекта Gravity Probe B от замысла до официального обсуждения научных результатов занял почти полвека, что чрезвычайно долго даже для программы исследований космоса[24]. Однако, если разложить его полную стоимость на весь срок, получим ежегодные затраты в $14 млн. Это менее 0,001 % бюджета НАСА на 2016 г. Более того, количественные тесты идей Эйнштейна были немногочисленны и редки. Эверитт убежден, что каждый вложенный в Gravity Probe B пенс окупился.

Тем не менее вопрос о том, зачем вообще тестировать идеи Эйнштейна, остается открытым. Он величайший физик всех времен и народов. Разве кто-то сомневается, что его теория относительности верна?

На самом деле сомневается.

Вернее, ученые никогда не бывают уверены ни в чем. Завтра могут появиться новые экспериментальные данные, противоречащие излюбленной теории. Это произошло, когда измерения орбиты Меркурия не полностью совпали с предсказаниями теории всеобщего тяготения Ньютона. Вспомните, как работают ученые. Наблюдения объясняются теорией. На основе теории делаются предсказания. Эксперименты проверяют справедливость предсказаний. Если они подтверждаются, уверенность в истинности теории возрастает; если не подтверждаются, значит, в ней какая-то ошибка. Корректируем теорию или выдвигаем другую. Снова ставим эксперименты. Так выглядит научный метод.

Итак, проверка предсказаний – это норма для науки. Фрэнсису Эверитту нравятся слова Леонарда Шиффа, физика из Стэнфорда, предложившего идею проекта Gravity Probe B: «Какой смысл в теории без экспериментов?»

_________

В конце этой главы я подробнее расскажу о Gravity Probe B, геодезической прецессии и увлечении инерциальных систем отсчета, но прежде вернемся примерно на 100 лет назад. Альберт Эйнштейн только что сформулировал ОТО. Она прекрасно объясняет все, что мы наблюдаем в окружающем мире: падение яблок с веток, орбитальное движение планет и даже слишком сильную прецессию перигелия Меркурия. Прекрасно! Но является ли это пределом наших знаний о гравитации и пространственно-временном континууме? Прав ли Эйнштейн?

Сам ученый предложил три пути проверки своей теории. Один из них связан с наблюдением, заставившим Эйнштейна приступить к ее разработке, – странным поведением Меркурия, тем фактом, что его вытянутая орбита смещается гораздо быстрее, чем предполагает теория Ньютона. Действительно, его теория полностью объясняет прецессию Меркурия.

Два других способа проверки опираются на специфические предсказания ОТО: отклонение света звезд и гравитационное красное смещение. По сути, Эйнштейн заявил: «Испытайте меня. Если я прав, свет звезд должен отклоняться массивными телами, а длина волны света изменяться в сильном гравитационном поле. Если ничего подобного не наблюдается, значит, я ошибаюсь и нам нужно начинать сначала».

В первую очередь разберемся с отклонением света. Представьте себе Солнце, каким оно наблюдается с Земли. Фоном Солнцу служат звезды. Вы их, разумеется, не видите, поскольку Солнце слишком яркое, но они там есть. Каждый день года мы точно знаем, в какой части неба находится Солнце.

Теперь представьте себе свет звезды, расположенной в наблюдаемом участке неба вблизи края солнечного диска. Свет звезды движется во Вселенной по прямой десятки или сотни лет, может, и больше, точно в направлении нашего телескопа. Но вот свет проходит рядом с Солнцем. Поскольку Солнце является массивным телом, оно вызывает местное искривление пространственно-временного континуума, как было описано в главе 1. В результате траектория света отклоняется. Свет начнет двигаться немного в другом направлении и не попадет в наш телескоп.

Но если свет не попадает в телескоп, видим ли мы вообще эту звезду? Разумеется, видим. Есть и другие лучи той же звезды, исходящие в пространство в несколько различающихся направлениях и также двигающиеся по прямым. В других условиях они миновали бы наш телескоп. Но при прохождении рядом с Солнцем их траектории также отклоняются искривлением пространственно-временного континуума, вследствие чего они попадают в объектив.

Таково предсказание ОТО Эйнштейна: мы можем наблюдать лучи света звезды, отклонившиеся под воздействием искривления пространственно-временного континуума. Не будь искривления, свет, проходящий очень близко от края солнечного диска, дал бы изображение звезды вплотную с Солнцем. Но, поскольку свет, проходящий рядом с Солнцем, отклоняется на несколько иную траекторию движения, мы видим эту звезду чуть дальше от края солнечного диска, чем она находится на самом деле, – то есть видим ее в «неправильном» положении.

В каком-то смысле Солнце действует как линза. Оно словно увеличивает звездное поле в своей непосредственной близости. На бóльших видимых расстояниях от Солнца эффект становится слишком слабым, чтобы его можно было заметить. Но рядом с краем Солнца все звезды кажутся чуть оттесненными в стороны. Вот оно, искомое отклонение света звезд искривлением пространственно-временного континуума.

Тут есть любопытный момент. Не многим известно, что теория всемирного тяготения Ньютона тоже предсказывает отклонение света звезд. Это звучит дико – в конце концов, свет не имеет массы, не так ли? Разве нечто, не имеющее массы, может притягиваться и сбиваться с пути массивным телом, например Солнцем? Давайте представим два объекта, движущихся вокруг Солнца в одинаковом направлении: Землю и яблоко. Земля намного массивнее яблока. Вследствие этого сила притяжения, действующая на яблоко, намного меньше действующей на Землю. Но в случае менее массивного тела меньшей силы достаточно для сообщения аналогичного ускорения. Фактически именно это продемонстрировали Симон Стевин и Ян Корнелиус де Гроот, роняя шары разной массы с башни Новой церкви в Делфте. Что справедливо для шаров разной массы, справедливо и для Земли и яблока. Они оба ускоряются в одинаковой мере и в результате движутся по одной траектории вокруг Солнца.