Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Настоящий кот либо мертвый, либо живой, но он не может быть тем и другим одновременно. Однако если бы кот был одиноким электроном в пустом пространстве и другой материи поблизости не было бы, то предыдущее утверждение оказалось бы логически правильным. Электрон не был бы либо тут, либо там, а был бы с определенной – иногда исчезающе малой – вероятностью одновременно везде и нигде в пространстве. Только когда электронный кот попал бы под луч света и этот луч высветил бы его и тем самым зафиксировал в определенном месте, он уже не был бы – именно в этот момент времени! – размазан по всему пространству. Электроны могут проходить через две двери одновременно, но только до тех пор, пока вы не установите в одном из дверных проемов датчик, который будет регистрировать их прохождение, – вот тогда они будут проходить только через одну из дверей.
Итак, мы снова убеждаемся в поразительном, уникальном значении света. Свет создает реальность, поскольку он передает информацию. Даже понятия пространства и времени берут свое начало в свете и материи. Пространство и время – абстрактные понятия, которые становятся реальными только благодаря нашим действиям по отсчету времени или измерению пространства. Без часов нет времени, без эталонного метра нет пространства. Самым элементарным инструментом для измерения пространства-времени является свет. Только благодаря своей измеримости пространство приобретает физические характеристики, которые мы описываем в моделях и изображениях.
Однако если свет всегда движется с одной и той же скоростью относительно каждого наблюдателя, то для наблюдателя что‐то должно меняться, а именно – должны меняться пространство и время. Альберт Эйнштейн смог продемонстрировать это с помощью простого мысленного эксперимента, из которого он сделал вывод, что пространство и время не являются абсолютными и неизменными величинами, каковыми их считал Ньютон. На самом деле они относительны, а единственной абсолютной величиной является скорость света [40].
Если, например, ко мне приближается машина, то время в ее салоне течет иначе, чем там, где я стою! Это звучит странно, и это действительно странное утверждение, но такой вывод логически вытекает из того, что мы считаем скорость света постоянной.
Рассмотрим некоторые основные методы измерения времени. Механические наручные часы тикают с заданной частотой, которая определяется свойствами колесика-балансира. Регулярное тиканье часов отмеряет время – секунду за секундой. Чтобы узнать, сколько прошло времени, нам нужно лишь посчитать количество “тиков”. К счастью, минутная и часовая стрелки настолько добры, что считают их за нас, так что мы можем просто мельком взглянуть на циферблат и сразу увидеть, который час.
Та же идея применяется и в электронных часах – только в них частоту задают колебания кристалла. И здесь, в конечном счете на атомном уровне, происходит передача энергии посредством электромагнитных полей, то есть происходит обмен виртуальными фотонами. Даже песочные часы зависят от связанных со светом сил, возникающих, когда молекулы песка ударяются друг о друга, пытаясь протиснуться через узкое отверстие в стекле.
Давайте сконструируем “часы с маятником”, в которых для простоты не тяжелый маятник качается туда-сюда, а луч света бегает по вертикали между двумя зеркалами. Если расстояние между ними равно 15 сантиметрам, свету потребуется около наносекунды, чтобы пролететь от одного зеркала до другого и обратно. Допустим, мы зарегистрировали миллиард световых “тиков” в секунду. Это эквивалентно частоте в один гигагерц или, для краткости, 1ГГц. (Как известно, один герц равен одному циклу, или колебанию, в секунду. Единица была названа в честь профессора физики Генриха Герца из Бонна, который первым собрал установку для генерации электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, и исследовал их свойства.)
Теперь самое главное: если я сижу с этими часами со световым маятником в машине, мне кажется, что луч света бегает по вертикали между зеркалами, вверх и вниз. Если, однако, на обочине дороги стоит полицейский и внимательно наблюдает за машиной, проезжающей мимо него на большой скорости, то ему кажется, что свет движется снизу вверх и обратно по диагоналям. След, оставленный лучом света, будет зигзагообразным. Для простоты вообразите себе, что луч света бегает так же медленно, как ползет муравей. Сидя в машине, вы видите, что муравей ползает по вертикали вверх и вниз, а полицейский видит, как он ползет вверх и в то же время движется вперед вместе с машиной, – с точки зрения полицейского муравей движется очень быстро, но его сносит несколько в сторону.
 
Диагонали, по которым движутся муравей и свет с точки зрения полицейского, естественно, длиннее, чем вертикальные линии, поэтому на его взгляд муравей и свет за тот же самый временной интервал проходят большее расстояние. Поэтому наивный наблюдатель мог бы заключить, что муравей движется со “сверхмуравьиной” скоростью, а свет в машине двигается быстрее скорости света. В случае с муравьем это верное заключение, но свету Альберт Эйнштейн и Джеймс Максвелл законодательно запретили двигаться со “сверхсветовой” скоростью. Таким образом, уважающий закон полицейский должен видеть, что свет движется с той же скоростью, которую наблюдает и водитель, даже если с его (полицейского) точки зрения свет проходит большее расстояние.
Как это возможно? Единственный ответ: если расстояние, проходимое светом с точки зрения полицейского, не равно расстоянию, проходимому светом с точки зрения наблюдателя, сидящего в машине, то и время должно быть другим, чтобы скорость света могла оставаться постоянной. Скорость – это расстояние, проходимое в единицу времени, например, километр в час. Если кажется, что длина пути изменилась, то для сохранения постоянства скорости время, необходимое для преодоления этого пути, также должно измениться. Таким образом, полицейский снаружи измерит чуть больший временной интервал, а внутри машины он будет чуть меньшим, то есть в ней время идет как бы медленнее.
Этот эффект называется релятивистским замедлением времени, и он резко противоречит нашей интуиции. Мы привыкли к тому, что скорость может быть переменной. Если я еду на своей машине и делаю крюк, но хочу приехать к месту назначения в то же время, я поеду быстрее. Некоторые люди ради этого даже превышают скорость, рискуя получить штраф. Со светом такого быть не может: он всегда движется с одной и той же скоростью и просто изменяет течение времени, поскольку именно свет определяет время. Мы все должны подстраиваться под время, но само время подстраивается под свет.
Все это звучит невероятно абстрактно, особенно история про световые часы в машине. Нам же кажется, что на самом деле все часы идут одинаково. Чтобы проверить, так ли это, ученые Джозеф Хафеле и Ричард Китинг совершили два кругосветных полета – сначала в направлении вращения Земли, а затем в обратном направлении. Исследователи взяли с собой четыре пары высокоточных цезиевых атомных часов, показания которых они планировали впоследствии сравнить с показаниями таких же атомных часов на земле. Следовало ответить на вопрос: будут ли часы отсчитывать время иначе, если они полетят очень быстро и очень далеко? Эксперимент был простым и дешевым: атомные часы ученые заполучили бесплатно, поэтому самой дорогой частью эксперимента оказались авиабилеты на кругосветные путешествия, приобретенные для часов и купленные на имя “Мистер Клок” (мистер Часы). Эти необычные пассажиры сидели, пристегнутые, каждый на своем месте. Если не считать стоимости авиабилетов, это был, должно быть, самый дешевый эксперимент по проверке теории относительности.
Как и предполагалось, эксперимент Хафеле и Китинга продемонстрировал, что путешествующие в самолете часы идут не так, как часы на земле. Часы, летевшие на восток, то есть по вращению Земли, когда их скорость относительно центра Земли была больше скорости часов на земле, отстали от земных часов на 60 наносекунд за полет. Когда часы летели на запад – против вращения Земли, их скорость была меньше скорости земных часов, и они опередили лабораторные часы на полные 270 наносекунд [41]. Эксперимент позже повторялся несколько раз и всегда убедительно подтверждал важные аспекты теории относительности.