Вселенная. Руководство по эксплуатации - Бломквист Джефф

Нет, мы не придумали способ нарушить первый закон термодинамики, а всего лишь показали всем этим устройством, что если свет исходит от источника гравитации, он должен потерять энергию. Если направить лазерный луч снизу вверх, на утес, энергия луча наверху будет меньше, чем внизу. С другой стороны, если свет падает к Земле, то набирает энергию. Это не просто произвольная спекуляция. В 1959 году Роберт Паунд и Джордж Ребка, которые тогда работали в Гарварде, сумели измерить потерю энергии фотонов, когда фотоны летели вверх вдоль стены лаборатории Джефферсона в Гарварде — всего в 22,5 метра высотой.

Измерить эту потерю непросто. В ходе эксперимента Паунда—Ребки фотоны потеряли всего одну квадрильонную. своей начальной энергии. Даже если бы мы направили лазерный луч на утес, уходивший в глубокий космос, мы бы потеряли лишь одну миллиардную его энергии. Неудивительно, что в обыденной жизни подобные явления не бросаются нам в глаза. Если бы гравитация была сильнее, она бы проявлялась гораздо заметнее, а измерить ее было бы проще.

Великолепным примером маленьких тугих тючков с гравитацией служат белые карлики. Белые карлики обладают массой примерно в миллион раз больше массы Земли, хотя размера они сравнимого, поэтому и гравитация там примерно в миллион раз сильнее. Если бы вы находились на белом карлике, то весили бы в миллион раз больше, и если бы мы были хуже воспитаны, то донимали бы вас сальными шуточками.

Но во Вселенной есть места и с более суровыми условиями, чем белые карлики. Представьте себе, что мы стоим на поверхности крайне массивной планеты, где гравитация крайне сильна, и направляем в воздух лазерный луч. Чем выше взлетает фотон, тем больше энергии он теряет.

Теперь представьте себе, что эта планета еще и крайне компактна. В таком случае свет потеряет столько энергии, что обратится вспять и вернется на поверхность планеты. Или не вернется? Если планета и правда такая плотная, что свет не может с нее выбраться» то он, прежде всего, и вверх не поднимется. Это вроде малыша, который пытается идти вверх по эскалатору, едущему вниз. Ах, лапочка, он так старается, но неминуемо спускается все ниже и ниже. Вообще-то у такой планеты и поверхности толком не будет. Она тоже схлопнется под воздействием чудовищной гравитации, и вся планета тоже схлопнется в одну точку — в сингулярность.

Создать такую сингулярность — дело трудное. Чтобы сгенерировать подобную гравитацию с помощью нашей Земли, мы должны будем сжать ее в шарик в 7,5 миллиметра в диаметре. Даже солнце, которое массивнее Земли в триста тысяч раз, придется сжать до радиуса 3,2 километра. Это меньше Манхэттена.

Такова общая идея черной дыры — это настолько компактная система, что от нее не может убежать даже свет. Горизонт событий, точка, откуда нет возврата, — это невидимая граница между отчаянным притяжением очень сильной гравитации и билетом в один конец к центру массивного чудища. Стоит чему-нибудь — звезде, одинокому носку, ключам от машины, частице — пересечь горизонт событий, и его затянет в черную дыру. Этой алчной пасти не избежать даже фотону. Раз уж свет, оказавшись за горизонтом событий, не может оттуда вырваться, больше ничто не в силах. Не забывайте: скорость света — это вселенский предел скорости.

Черная дыра — необходимейшее орудие в арсенале чокнутого профессора. Она пригодится для самых разных целей — в ней хорошо топить надоедливых протагонистов и прятать результаты неудавшихся биологических экспериментов. Но больше всего любому по-настоящему чокнутому профессору хочется найти применение тому, что гравитация вблизи черной дыры сворачивает время, и создать на этой основе машину времени.

Прежде чем мы разберемся, что такое черная дыра и с чем ее едят и можно ли (или нельзя) сделать из нее машину времени, давайте «вспомним» некоторые черты фотонов — частиц, которые, как мы обсудили в главе 2, составляют свет.

Как вы помните, если вы видели один фотон, значит, видели все. По сути дела, разница между ними только в том, что одни фотоны более энергичны, другие менее. Есть много свойств света, которые на первый взгляд кажутся разными, но на самом деле это разные проявления одного и того же. В случае света количество энергии фотона коррелирует с цветом светового луча. Эта взаимозависимость энергии и цвета простирается далеко за пределы видимого спектра.

В главе 2 мы также поговорили о том, что свет ведет себя как кусочки волн и чем выше энергии, тем короче длина волны. Самое главное в этом (в рамках настоящей дискуссии) — то, что, поскольку фотоны представляют собой маленькие волны, мы можем засечь время, которое требуется, чтобы два последовательных фронта волны прошли фиксированную точку,— этот интервал называется периодом волны. Помните, в главе 1 мы говорили о цезиевых часах? Теперь мы готовы рассказать вам, что мы на самом деле имели в виду. Если взять фотон, который испустил атом цезия, и измерить время между гребнями волны, то он будет вести себя как часы — одни из точнейших часов во Вселенной.

При большой длине волны (и низкой энергии) гребни движутся относительно медленно. Например, радиоволна колеблется примерно 100 раз за каждую миллионную долю секунды — но для субатомных частиц это вечность. У более коротких волн период тоже короче. Зная лишь эти несколько фактов и вооружившись нашим лазерным мысленным экспериментом, мы будем практически готовы самостоятельно открыть одно из великих достижений Эйнштейна — общую теорию относительности.

Общая теория относительности рассказывает нам, как на самом деле устроена гравитация, и точно описывает мерзкое нутро предметов наподобие черных дыр. В числе прочего мы увидим, что время и пространство отнюдь не так абсолютны, как мы думали, и что возле черных дыр происходят очень странные вещи.

Представьте себе, что доктор Дейв и Робо-Джефф берут свой вечный двигатель на планету с очень сильной гравитацией. Они снова направляют лазерный луч на вершину утеса. К тому времени, как лазер достигнет вершины, он утратит некоторое количество энергии и станет немного краснее. Из-за растяжения времени период фотона, измеренный на вершине утеса, будет длиннее, чем у подножия.

Это же фотонная версия наших цезиевых часов! Давайте же найдем им применение. Скажем, доктор Дейв шлет фотонный луч на вершину утеса с периодом в одну секунду (то есть луч этот состоит из радиоволн с совсем низкой энергией). Если гравитация планеты достаточно сильна, Робо-Джефф на вершине утеса будет видеть вспышки с интервалом в две секунды.

Тут все сильно осложняется. Ёсли мы поместим наручные часы доктора Дейва у подножия утеса, то заметим, что за 50 секунд прошло 50 гребней волн. Однако Робо-Джефф на вершине утеса увидит за то же время только 25 гребней.

Как же так?

Единственное объяснение — что для доктора Дейва время течет медленнее, чем для Робо-Джеффа. Только подумайте: Робо-Джеффу покажется, что часы доктора Дейва идут медленнее в два раза, поэтому и доктор Дейв стареет вполовину медленнее. Как и при разговоре о специальной теории относительности, оговоримся, что это не оптическая иллюзия. С точки зрения Робо-Джеффа, доктор Дейв стареет медленнее, его цифровые часы тикают медленнее и сам он движется замедленно.

В целом это правда. Вблизи массивных тел часы идут медленнее, чем вдалеке. Даже на поверхности Земли время идет медленнее, чем в глубоком космосе, но всего лишь на одну миллиардную. Для сравнения: через сто лет часы в глубоком космосе и на Земле будут идти с разницей всего в три секунды. Конечно, вас не удивит, что эффект так незначителен. Если бы разница была заметнее, то ваша физическая интуиция знала бы об этом. Однако, как мы увидим, вблизи горизонта событий черной дыры этот эффект становится значительным. Далёким