Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

направлении полет через Лос-Анджелес, Гонолулу, Гуам, Окинаву, Тайбэй, Гонконг, Бангкок, Бомбей, Тель-Авив, Афины, Рим, Париж, Шаннон и Бостон занял около 80 часов 20 минут чистого времени, и здесь ожидаемые эффекты складывались: (179 ± 18)из-за высоты + (96 ± 10)из-за скорости = (275 ± 21) нс. Актуальная же разница показаний часов составила (273 ± 7) нс. Этот эксперимент Хафеле и Китинга затем повторяли в нескольких вариантах, в том числе постоянно отслеживая положение и скорость самолета с помощью радара. На 25-ю годовщину оригинального опыта его частично повторили на участке Лондон – Вашингтон и обратно, а в 2010 г. благодаря дальнемагистральным рейсам удалось облететь вокруг Земли всего с тремя промежуточными пунктами: на маршруте Лондон – Лос-Анджелес – Окленд – Гонконг – Лондон ожидаемую разницу вычислили как 246 ± 3 нс, а реально зафиксировано было 230 ± 20 нс.*****

Падения света. «Материя» в высказывании Уилера включает и свет. Ему (свету) пространство-время тоже говорит, как двигаться: по геодезическим. «Надменность» света, впрочем, никуда не делась, и подходящие для него геодезические несколько отличаются от остальных – они не могут описывать движение никакого тела, но это тоже геодезические в строгом математическом смысле. Они ожидаемо называются «световые геодезические». Особая роль света проявляет себя и в том, что свет движется только по геодезическим. Обычное тело можно толкать палкой, увозить в трюме ракеты или приделать к нему моторчик – и тогда оно уже не будет свободно падать, т. е. двигаться под действием одной только гравитации, и в пространстве-времени его движение не будет описываться геодезической. Но со светом ничего такого проделать нельзя; его можно только притянуть гравитационно, а это и значит, что его траектории в пространстве описываются геодезическими в пространстве-времени. И пространственные траектории вовсе не обязательно оказываются прямыми!

Распространение света – это всегда свободное падение

Световые геодезические таковы, что, в частности, свет далеких звезд, проходя вблизи Солнца, отклоняется от прямой линии. Эти отклонения можно измерить; правда, к таким измерениям надо специально готовиться, потому что требуется загородить Солнце, чтобы оно не слепило. Для этой цели прекрасно подходит Луна – правда, только в короткие минуты солнечных затмений и в тех регионах, где затмение полное. После первого такого измерения в 1919 г. Эйнштейн буквально проснулся знаменитым: почему-то именно отклонение света, а не вращение орбиты Меркурия вызвало публичный резонанс. Возможно, дело в исторически сложившейся «драматургии»: аномалия в движении Меркурия была сначала измерена, а потом получила объяснение, тогда как отклонение света сначала было предсказано, а потом измерено. Современные высокоточные наблюдения позволяют зафиксировать и отклонения лучей света, проходящих на таком угловом расстоянии от Солнца, что «выключения» светила не требуется; космический телескоп Hipparcos Европейского космического агентства, а затем его преемница Gaia, работающая в точке Лагранжа L2 системы Солнце – Земля, проделали десятки тысяч таких измерений. Отклоняют свет, только намного сильнее, и объекты в сотни миллиардов и более раз массивнее Солнца – галактики и скопления галактик; этот эффект называется гравитационным линзированием. Здесь для успеха наблюдения нужно найти яркий источник света за какой-нибудь галактикой. Не очень далекая галактика ZW 2237+030 (400 млн световых лет) учетверяет изображение такого яркого источника (квазара), находящегося на расстоянии около 8 млрд световых лет, а изображение галактики SDP.81 (11,7 млрд световых лет от нас) имеет вид кольца из-за линзирования другой, более близкой галактикой (рис. 6.20)[112].

Чтобы увидеть, как проявляют себя законы, по которым отклоняется – да, свободно падает – свет, вместо разбрасывания гаек надо светить фонариком в сторону притягивающего центра. Из-за того, что вместе со светом нельзя отправить никакие предметы, включая часы, нет «внутреннего» способа измерять протяженность вдоль световой геодезической; как следствие – в световых геодезических меньше разнообразия, чем в «обычных». Это станет заметно, как только мы заменим космический разбрасыватель гаек на тот или иной вариант космического лазера: разнообразие возможных орбит сократится, и вместо двух параметров (энергии и количества вращения относительно центра) результаты наших экспериментов по запуску света в сторону притягивающего центра будут зависеть только от одного. В этом качестве особенно удобно использовать «прицельное расстояние» – минимальное расстояние, на котором луч прошел бы от центра, если бы двигался по прямой. Свет не распространяется по прямой мимо центра притяжения, но параметр все равно удобный, да и название хорошее. А вот от энергии света ничего не зависит: если вы одновременно пошлете свет из обычной лампы и из рентгеновского лазера, то эти два «света» нигде не разделятся, не разойдутся в стороны и не отстанут друг от друга.

Рис. 6.20. Гравитационное линзирование. Слева: эйнштейновский крест – более тусклая галактика в центре создает четыре изображения яркого объекта, находящегося далеко за ней. Справа: эйнштейновское кольцо – искаженное изображение далекой галактики. (Близкой галактики-линзы не видно на этом изображении, полученном в субмилли-метровом диапазоне)

Рис. 6.21. Траектории света вблизи притягивающего центра. Лучи света испущены издалека справа с прицельными расстояниями (снизу вверх) 8 · 1/6 rБУКО, 7 · 1/6 rБУКО, 6,5 · 1/6 rБУКО, 6 · 1/6 rБУКО = rБУКО, 5,5 · 1/6 rБУКО, 5,4 · 1/6 rБУКО, 5,3 · 1/6 rБУКО и («завивающийся» луч) 5,2 · 1/6 rБУКО. Начиная с прицельного расстояния 5,19615 · 1/6 rБУКО лучи перестают возвращаться наружу, а точно с этого прицельного расстояния свет попадает на круговую орбиту радиуса 1/2 rБУКО. Различные оттенки серого использованы для того, чтобы различать лучи

На рис. 6.21 лучи света направляются к центру с различными прицельными расстояниями и в зависимости от этого отклоняются сильнее или слабее. Там выбраны прицельные расстояния, измеряемые в «шестых долях от rБУКО»: 8 · 1/6 rБУКО, 7 · 1/6 rБУКО и еще несколько. Про лучи, которые повернули на 180°, уже как-то неловко говорить «отклоняются»; выбрав определенное прицельное расстояние (около 0,892826 rБУКО, что в «шестых долях», как на рисунке, составляет примерно 5,357 · 1/6 rБУКО), можно увидеть вернувшийся свет нашего же лазера, причем без всяких зеркал – из пустоты. Эта необычная ситуация – если угодно, предельный случай гравитационного линзирования. Совсем небольшое дополнительное уменьшение прицельного расстояния заставит свет делать обороты вокруг центра – возможно, более одного раза (в этой области малые изменения в прицельном расстоянии приводят к сильно различающимся траекториям).