Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Время относительно
Как только мы попадаем на орбиту, наше представление о пространстве и времени меняется. Мы не просто по‐другому видим нашу родную планету – Землю, но меняется и наше восприятие течения дней, месяцев и лет. “Ибо тысяча лет в глазах твоих подобна только что прошедшему дню” [7], как говорится в одном из известных псалмов. Время относительно. Люди подозревали об этом с незапамятных времен, но нигде мы не ощущаем это так ясно, как в открытом космосе.
Когда я писал свою первую программу наблюдений для космического телескопа “Хаббл”, мне пришлось разделить последовательности команд на 95‐минутные блоки, потому что именно столько времени требовалось телескопу для обращения вокруг Земли. На его орбите Солнце восходит и заходит каждые 95 минут. Для телескопа сутки длятся 95 минут, и астронавты на Международной космической станции также наблюдают восходы Солнца каждые 95 минут. Я видел это в своем компьютере, готовя программу наблюдений и мысленно путешествуя по Вселенной.
Но относительность времени означает нечто большее, чем просто иная длина дня. В космосе часы идут не так, как на Земле, хотя вряд ли кто‐то думает, что это возможно. На орбите высотой 20 000 километров над Землей они за день убегают на 39 микросекунд. И, следовательно, за 70 лет наши земные часы отстанут от наших космических часов на одну секунду. Кажется, что это не так уж и много, и все же у нас сегодня нет проблем с тем, чтобы измерить эту представляющуюся ничтожной разницу, – разницу, которая является ключевым аспектом общей теории относительности Альберта Эйнштейна: время действительно относительно. Эта теория описывает не только нашу Солнечную систему, но и черные дыры, и пространственно-временную ткань всей Вселенной.
Путь к открытию был необычайно долог. В широком смысле он начался с фундаментальных открытий, таких как открытие строения нашей Солнечной системы и законов, которые ею управляют, а также с изучения структуры и законов всего космоса. В узком же смысле он начался с того, что мы поняли парадоксальную вещь: свет ведет себя и как волна, и как частица, – и это его свойство непосредственно связано со знаменитой специальной теорией относительности Эйнштейна.
Можно сказать, что глубокое понимание замечательных свойств света явилось ключом ко всему. Более прочего поражает здесь то, что свет не только дает нам возможность видеть все вокруг, позволяя, в частности, исследовать Землю, Луну и звезды, но еще и теснейшим образом связан со временем, пространством и гравитацией.
Давайте обратимся к истории современной физики. Для Исаака Ньютона – автора теории тяготения – свет состоял из маленьких корпускул, то есть мельчайших частиц. Позже, в XIX веке, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, взяв за основу блестящую революционную работу Майкла Фарадея, доказал, что свет и все другие формы излучения представляют собой электромагнитные волны. И радиосигналы, используемые в технологии Wi-Fi, сотовых телефонах или автомобильных радиоприемниках, и тепловое излучение, регистрируемое приборами ночного видения, и рентгеновские лучи, которые мы используем, чтобы рассмотреть кости под кожей, и даже видимый свет, который воспринимают наши глаза, – все это, согласно теории Максвелла, суть колебания электрических и магнитных полей. Они отличаются друг от друга только своей частотой и способами, с помощью которых мы их производим и измеряем. Но по сути все эти колебания представляют собой одно и то же явление, а именно – свет: видимый свет, свет с длиной волны из радио-, инфракрасного или рентгеновского диапазона.
В частотном диапазоне, используемом мобильными телефонами, волны колеблются миллиард раз в секунду, а их длина составляет больше 20 сантиметров. Волны видимого света колеблются секстиллионы раз в секунду, и их длина в сто раз меньше диаметра волоса. Поскольку световые волны определенного цвета и частоты всегда колеблются с одинаковой скоростью, свет является идеальным метрономом для часов и эталоном времени. Самые точные оптические часы на сегодня откалиброваны так, что их точность составляет более 10–19 секунд  [8]. За все время существования Вселенной (на сегодня это примерно 14 миллиардов лет) такие часы отстанут всего примерно на полсекунды! Это такая степень точности, о которой предыдущие поколения даже не мечтали.
 
Но что именно вызывает эти колебания? Долго считалось, что все космическое пространство заполнено так называемым эфиром. Имелся в виду не тот эфир, который растворитель, а эфир – гипотетическая среда, в которой электромагнитные волны (или световые, или радиоволны) распространяются во все стороны, как звуковые волны в воздухе.
Одним из свойств уравнений Максвелла – самым обескураживающим и неожиданным для физиков, причем остающимся таковым и по сей день, – является представление о том, что свет с любой длиной волны, распространяющийся в пустом пространстве, должен всегда двигаться с одной и той же постоянной скоростью, не зависящей от того, как быстро двигается наблюдатель. Рентгеновский луч столь же быстр, как радиоволна или лазерный луч, и в уравнениях Максвелла скорость света не зависит от скорости приемника или излучателя. То, что свет распространяется с конечной скоростью, мы знали самое позднее с конца XVII века, когда Оле Рёмер измерил движение спутников Юпитера и использовал их в качестве часов  [9]. Но разве не должна скорость света меняться в зависимости от того, летишь ли ты с большой скоростью сквозь таинственный эфир или стоишь на месте?
Допустим, я плыву на серфборде в океане. Сильный ветер дует в сторону берега, а я гребу от него перпендикулярно линии прибоя. Волны приближаются ко мне с большой скоростью – на самом деле почти так же быстро, как они набегают на берег. Но если я меняю направление и быстро гребу в ту же сторону, куда устремлены ветер и волны, моя скорость почти равняется скорости волн под моим серфбордом. По сравнению с ним скорость волн мала, однако скорость волн относительно берега очень высока.
То же самое относится и к звуковым волнам. Если я еду на велосипеде при попутном ветре, звук клаксона едущего за мной автомобиля достигает моих ушей несколько быстрее, чем когда ветра нет, – и я слышу предупреждение немного раньше. Если же я поеду навстречу ветру, то услышу гудок сзади несколько позже: звук тоже распространяется против ветра. Если бы я мог крутить педали со сверхзвуковой скоростью, я никогда не услышал бы гудка. Если бы я крутил педали еще быстрее и опередил собственные звуковые волны, то преодолел бы звуковой барьер и создал ужасный шум, поскольку многие из производимых мною звуков достигли бы человека, слышащего их, одновременно. Но, в отличие от пилотов реактивных самолетов, ни одному велосипедисту еще не удалось преодолеть звуковой барьер.
Радиоволны должны вести себя подобным же образом – по крайней мере так думали люди более ста лет назад. По их представлениям эфир, в точности как воздух в нашей атмосфере, заполняет пустоту космического пространства, а Земля, бороздящая эфир со скоростью 100 000 километров в час по орбите вокруг Солнца, схожа с моим велосипедом или серфбордом. Если вы измерите скорость света в направлении движения Земли вокруг Солнца, то эта “скорость света” должна быть на самом деле совершенно другой, чем скорость, измеренная под прямым углом или в точно противоположном направлении. Иными словами, она должна зависеть от того, при “попутном” или “встречном” ветре движется свет в эфире.
Именно этот эффект пытались измерить американские физики Альберт А. Майкельсон [10] и Эдвард У. Морли в конце XIX века. Для этого они измерили относительную скорость света в двух световых коридорах (или каналах), расположенных перпендикулярно друг другу. Эксперимент закончился полной неудачей. Ученые не смогли увидеть сколько‐нибудь существенного различия в скоростях света. Таким образом, не было найдено прямых доказательств существования эфира – он оказался просто иллюзией.