Чтение онлайн

Самая первая попытка обнаружить эффект гравитационного замедления времени была сделана еще в 20-е годы — не в лаборатории, а по астрономическим наблюдениям. Свет, двигаясь к нам от Солнца или какой-либо звезды, распространяется, очевидно, против силы тяготения, создаваемой Солнцем или этой звездой, и потому должен испытывать гравитационное красное смещение, указывающее на то, что время вблизи Солнца или звезды течет медленнее.

Для света Солнца эффект приблизительно в миллиард раз сильнее, чем в лабораторном эксперименте гарвардских фи- физиков. И сам по себе он был бы вполне измерим, если бы не побочные неблагоприятные обстоятельства - например, движение газа в солнечной атмосфере, которые маскируют гравитационное красное смещение.

В последние годы гравитационное красное смещение искали в свете самых плотных из известных сейчас звезд - белых карликов и нейтронных звезд. В ряде успешных попыток эффект был обнаружен, и снова его величина оказалась наилучшим образом согласующейся с тем, что предсказывает общая теория относительности.

Интересные космические эксперименты проделаны недавно с помощью радиолокации. Представим себе, что мы посылаем импульс радиоизлучения на планету, когда она находится за Солнцем и, так сказать, выглядывает из-за него. Луч радиоволн пройдет вблизи края солнечного диска, достигнет поверхности планеты, а затем отразится от нее и вернется на Землю, где его приход зарегистрируют. Можно измерить время путешествия сигнала туда и обратно.

Тяготение Солнца влияет на темп протекания времени, замедляет его вблизи себя. Поэтому путешествие радиосигнала займет в этом случае больше времени, чем тогда, когда на его пути — при том же пройденном расстоянии — нет никакого те- тела, создающего тяготение. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.

Эксперименты такого рода проводились неоднократно, сигналы посылались на планеты Меркурий и Венеру. Использовались также и космические аппараты, запущенные на орбиту вокруг Солнца и снабженные специальными отражающими устройствами, ретрансляторами. Во всех случаях предсказание общей теории относительности, касающееся замедления времени в поле тяготения, подтверждалось с очень хорошей точностью — до 1—2 процентов от измеряемой величины*).

*) Подробнее об экспериментальной проверке общей теории относительности см. книгу: Брагинский В. Б., Потарев А. Г. Удивительная гравитация - М.: Haука, 1985. Вып. 39 - (Б-чка «Квант»)

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности — полная остановка времени в очень сильном поле тяготения.

Мы уже говорили о том, что замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света. И это смещение тоже, естественно, тем ощутимее, чем сильнее тяготение. Период принимаемого света увеличивается при распространении против силы тяготения, увеличивается и его длина волны, а частота света, обратно пропорциональная периоду и длине волны, соответственно убывает. Общая теория относительности утверждает, что при определенных условиях период и длина волны принимаемого света могут устремиться к бесконечности, а его частота — к нулю.

Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случиться, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом всего 3 километра или еще меньше**). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда и исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным.

**) Радиус Солнца равен 700 тысяч километров.

Скажем сразу, что с Солнцем этого никогда на самом деле не произойдет. В конце своего существования, через 15 — 20 миллиардов лет, оно испытает, вероятно, множество превращений; его центральная область может значительно сжаться, но все же не так сильно.

Однако другие звезды, массы которых в три и более раз превышает массу Солнца***), в конце своей жизни и вправду испытают скорее всего быстрое катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения Это приведет их к состоянию черной дыры. Черная дыра — физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что красное смещение для света, испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность.

***) Масса Солнца равна 2•1030 килограммов.

Черные дыры возникают в результате неудержимого сжатия вещества под действием его собственного тяготения. Чтобы возникла черная дыра, тело должно сжаться до радиуса, не превосходящего отношения массы тела к массе Солнца, умноженного на 3 километра. Это критическое значение радиуса называется гравитационным радиусом тела.

Физики и астрономы совершенно уверены, что черные дыры существуют в природе. Это мнение основывается на их доверии к обшей теории относительности, следствия которой всегда подтверждались в разнообразных экспериментах и наблюдениях. Но черных дыр до сих пор не удалось обнаружить. Трудности астрономических поисков связаны с самой природой этих необычных объектов. Ведь бесконечное красное смещение, из-за которого обращается в нуль частота принимаемого света, делает их просто невидимыми. Они не светят и потому в полном смысле слова являются черными. Лишь по ряду косвенных признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в двойной системе, в которой ее партнером была бы обычная звезда. Из наблюдений движения видимой звезды в общем поле тяготения такой пары можно было бы оценить массу невидимой звезды, и если эта величина превысит массу Солнца в три и более раз (см. выше), можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.

Сейчас имеется несколько хорошо изученных двойных систем, в которых масса невидимого партнера оценивается в 5 или даже 8 масс Солнца. Скорее всего, это и есть черные дыры. Но астрономические оценки масс почти всегда содержат некоторую неопределенность, так что впредь до дальнейших уточнений этих оценок астрономы предпочитают называть такие объекты лишь кандидатами в черные дыры.

Нейтронные звезды, о которых мы уже не раз упоминали, не так уж далеки от состояния черной дыры. Это сильно сжавшиеся тела, размеры которых всего лишь в несколько раз превышают их гравитационные радиусы. Это почти черные дыры. Измерения, когда они удаются, определенно указывают на большое гравитационное красное смещение, которое в их излучении в десятки тысяч раз больше, чем в свете Солнца.

Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронной звезды, а вблизи черной дыры, у ее гравитационного радиуса оно столь велико, что время там как бы замирает. Можно сказать, что у часов, расположенных вблизи черной дыры и покоящихся там, одно «тик-так» отделено от другого столь значительным промежутком времени, что по часам, находящимся далеко от черной дыры, этот промежуток оказывается бесконечным по своей длительности.

А если часы не покоятся вблизи черной дыры, а свободно падают в ее поле тяготения — что они покажут?

Свободно падающие часы не испытывают действия тяготения. Они долетят до гравитационного радиуса и ничего особенного с ними не произойдет. Их «тик-так» будут следовать друг за другом в одном и том же ритме в течение всего их движения. Они будут отмерять собственное время, полностью игнорируя сильное поле тяготения, в котором они падают. Длительность падения, измеренная в этом собственном времени, будет совсем не велика. Свободное падение в поле тяготения черной дыры, образованной массой, равной, скажем, 3 массам Солнца, с расстояния миллион километров до гравитационного радиуса, занимает всего около часа.

Однако по часам, которые покоятся вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле тяжести растянется во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело к гравитационному радиусу, тем более медлительным будет представляться этот полет удаленному наблюдателю. Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к гравитационному радиусу и никогда не достигнет его. В этом снова проявляется замедление времени вблизи черной дыры по сравнению с его ходом на большом расстоянии от него.