Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

спутниковая система) из России и Galileo из Европы работали надежно. На высоте 3170 километров над уровнем моря (9550 километров от центра Земли) эффекты гравитации и скорости на орбите как раз уравновешивают друг друга. Следовательно, нулевое изменение частоты на графике указывает на то, что здесь эффекты специальной и общей теории относительности на течение времени в сумме равны нулю. Часы на Международной космической станции немного отстают от часов на Земле, а часы на спутниках – наоборот. Для спутников GPS со скоростью около 14000 километров в секунду и высотой 20000 километров поправка составляет 46 миллионных долей секунды в день.

С 1960 года гравитационное замедление времени на Земле измеряется все более точно. Разница составляет всего 10-16 секунд на метр высоты – за год настольные часы пойдут на три миллиардных доли секунды быстрее, чем наземные, синхронизированные с ними изначально, – что составляет всего 44 секунды за время существования Вселенной (13,8 миллиарда лет). Атомные часы в настоящее время достигли точности хода порядка 10-18, и их также можно подключать с помощью оптоволоконных кабелей. Таким образом, перепады высот теперь можно определять с точностью до сантиметра – и это с расстояния в сотни километров. Это сделало геодезию точной наукой (и подтвердило в 2010 году эффекты общей теории относительности с погрешностью в 0,00000007 процента). Смещение тектонических плит уже сейчас можно определить на уровне одного сантиметра в год; но определение высоты все еще не является единым на международном уровне (например, нулевая высота над уровнем моря в Германии на 27 сантиметров выше, чем в Швейцарии, что однажды вызвало хаос при строительстве моста на границе этих стран). Кроме того, будет установлен новый стандарт времени (определение секунды), который будет учитывать эффекты теории относительности. Также станет возможно сделать гораздо более точную гравитационную карту Земли, которая поможет определить местонахождение месторождений минералов и подземных вод. А с помощью GPS уже можно определить, что земная ось колеблется на 15 метров в течение двенадцатилетнего периода, что позволяет сделать выводы о неравномерном внутреннем распределении массы Земли.

Измерения относительно точны

Грандиозные испытания общей теории относительности подвергли проверке также и специальную теорию, и подтвердили ее как частный случай в системах с очень низкой гравитацией.

Но физики также отдельно проверяли специальную теорию относительности – и до сих пор не нашли никаких отклонений от предсказанных результатов. Например, мюоны[83] демонстрируют, что замедление времени и сокращение длины – это не иллюзии, а измеримые эффекты. Эти частицы возникают в результате реакции космических лучей – преимущественно протонов с высокой энергией – с атомными ядрами в атмосфере Земли. Эти мюоны, тяжелые «братья и сестры» электронов, можно обнаружить на Земле с помощью специальных детекторов. Без эффектов теории относительности это было бы невозможно. Это связано с тем, что мюоны нестабильны и распадаются с периодом полураспада всего 1,5 миллионных долей секунды. Они образуются на высоте 30 километров и могут преодолеть за это время – хотя и почти со скоростью света – всего 450 метров. Таким образом, через 30 километров почти все они должны были распасться. Но для земных наблюдателей это не так, потому что замедление времени значительно увеличивает продолжительность жизни мюонов. Или, выражаясь иначе, из-за огромной скорости мюонов их путь значительно сокращен – «с их точки зрения», в их собственной системе отсчета, от поверхности Земли их отделяют не 30 километров, а несколько сотен метров.

Впервые эффект растяжения времени при высоких скоростях был измерен в 1976 году в европейском исследовательском центре ЦЕРН[84], около Женевы. Физики создали там мюоны, которые проносились через накопительное кольцо[85] со скоростью 99,94 процента от скорости света. Их период полураспада составлял 44,6 миллионных доли секунды, то есть в 30 раз превышал значения в состоянии покоя. Результат согласуется с предсказанием специальной теории относительности (погрешность измерений: 0,2 процента).

Первое, пока неточное подтверждение формулы E = mc2 было получено Джоном Кокрофтом[86] и Эрнестом Уолтоном[87] в Кавендишской лаборатории в Кембридже. В 1932 году они запустили первый в мире ускоритель частиц, который «обстрелял» пучком протонов атомы лития, и в результате чего получалось две альфа-частицы (ядра гелия-4,4Не). Излишек массы превратился в энергию (17 мегаэлектронвольт, МэВ).

В 1934 году в Париже Ирен[88] и Фред Жолио-Кюри[89]наблюдали, как частицы образовывались в результате излучения высоких энергий, что в том же году предсказывал Энрико Ферми[90]. Таким образом, энергия и масса могут превращаться друг в друга. Наиболее точное на сегодняшний день подтверждение равенства E = mc2 с погрешностью всего 0,00004 процента было опубликовано в 2005 году группой исследователей под руководством Саймона Рейнвилла из Массачусетского технологического института. При бомбардировке нейтронами атомов кремния и серы происходил захват нейтронов, в результате чего атомы испускали гамма-излучение с точно измеряемой энергией. Релятивистское увеличение массы – теперь тоже не просто идея. Физики, которые занимаются частицами, сталкиваются с ним каждый день. Например, если в Большом адронном коллайдере[91]ЦЕРНа протоны ускоряются до 99,999 999 процентов скорости света, то они в 7000 раз тяжелее, чем в состоянии покоя.

Релятивистская масса играла свою роль и в работе старых ламповых телевизоров: в электронно-лучевых трубках электроны ускоряются примерно до одной трети скорости света в поле напряжением 20 000 вольт и их масса увеличивалась на 6 процентов. Если бы при конструировании трубок не учитывался этот эффект специальной теории относительности, то электроны при попадании на флуоресцентный экран, где они создают отдельные точки телевизионного изображения, отклонились бы на миллиметр и изображение было бы размытым.

Черные дыры и гравитационные волны

Но даже гениям вроде Альберта Эйнштейна не все удается понять с первой попытки. Сначала он сомневался в возможности колебаний пространства-времени, затем предсказывал их, затем пересматривал свои взгляды, наконец снова поверил в их существование.

В письме от 19 февраля 1916 года астрофизику Карлу Шварцшильду[92] Эйнштейн утверждал, что в общей теории относительности «не может быть гравитационных волн, аналогичных световым волнам». Как и Эйнштейн, Шварцшильд тогда работал в Королевской прусской академии наук в Берлине, но позже остался в России и служил лейтенантом артиллерии на Восточном фронте. Ему удалось найти первые точные решения уравнений поля Эйнштейна. Позже в его честь был назван радиус Шварцшильда – расстояние, на котором черная дыра уже не выпускает из себя свет. (Конечно, тогда этого еще никто не понимал,