Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 21

Свет, испускаемый атомами, нельзя использовать для измерения гравитационного красного смещения на Земле, так как атомы испускают его не со столь точно выдержанными частотами, чтобы удалось заметить то ничтожно малое замедление времени, которое имеет место на поверхности Земли. Однако эффект Мёссбауэра справедлив и для излучения гамма-лучей радиоактивными ядрами, скажем, кобальта (⁶⁰Со) или железа (⁵⁷Fe). Открытие Мёссбауэра свидетельствует, что подобные радиоактивные изотопы способны излучать гамма - лучи с поразительно точно выдержанными частотами. Паунд и Ребка осознали, что такая точность уже достаточна для обнаружения гравитационного красного смещения прямо здесь, на Земле.

Опыт Паунда и Ребки проводился в Джефферсоновской физической лаборатории Гарвардского университета (США). Гамма - лучи испускались ядрами радиоактивного кобальта (^б0Со), источник гамма - лучей находился в подвале. Лучи проходили сквозь отверстия, сделанные в междуэтажных перекрытиях, и доходили до поглотителя в надстройке на крыше, расположенной на высоте 22,5 м. Измеряя частоту поглощённых гамма-лучей, Паунд и Ребка нашли, что она уменьшилась в точности настолько, насколько предсказывалось теорией Эйнштейна. Эксперимент был повторен в 1965 г. Р. В. Паундом и Дж.Л. Снайдером с таким же результатом. Наконец-то было подтверждено гравитационное замедление течения времени (см. рис. 5.13)!

РИС. 5.13. Гравитационное красное смещение. Время замедляет своё течение в гравитационном поле. Поэтому гамма-лучи, испущенные радиоактивными ядрами в подвале здания, должны обладать меньшей частотой, чем точно такие же гамма-лучи, испущенные таким же источником на чердаке.

Опубликование в конце 1915 г. статьи Эйнштейна «К общей теории относительности» оказало глубокое воздействие на всю науку. Более чем на протяжении двух столетий ньютонова механика казалась точной в приложении практически ко всем задачам, касавшимся тяготения. Но теперь появилась новая теория, дающая ещё более точные результаты и потребовавшая радикального пересмотра наших представлений о пространстве и времени. Однако после первых восторгов учёные осознали, насколько трудно выявлять эффекты общей теории относительности. Поэтому довольно быстро все вернулись к использованию прежней ньютоновской теории. Математические методы этой теории намного проще, чем методы решения уравнений Эйнштейна, и в 99,99% случаев представление о гравитации как об обычной силе приводило к правильным результатам. Общая теория относительности не вызывала интереса.

Интерес к эффектам и предсказаниям общей теории относительности возродился в конце 1960-х годов. Подобное оживление было вызвано прежде всего тем, что астрофизики стали лучше понимать процессы эволюции звёзд. Как станет ясно из двух последующих глав, в результате «смерти» звезды гравитационное поле может стать настолько сильным, что пространство-время там «свернется» и звезда исчезнет из нашей Вселенной. Останется то, что мы называем чёрной дырой. Кривизна пространства-времени вокруг чёрной дыры настолько велика, что там можно даже указать место, где время остановится! Теперь гравитационное красное смещение господствует над всем - оно уже не ничтожно слабый эффект!

Гравитационное красное смещение - это всегда замедление течения времени. Дело в том, что гравитация всегда проявляет себя как притяжение. До сих пор никогда не наблюдалось гравитационное отталкивание (антигравитация). Однако, рассматривая ниже вращающуюся чёрную дыру, мы обнаружим, что теоретически возможно путешествие сквозь такую чёрную дыру в области пространства-времени, где тяготение отрицательно. В этом мире антигравитации время течёт быстрее и часы спешат. Антигравитация - вот подарок для любителей спешить!

6

ЗВЁЗДЫ И ИХ ЭВОЛЮЦИЯ

Когда мы глядим ночью на звёздное небо, оно кажется нам навеки застывшим и неизменным. Даже для самого внимательного наблюдателя сочетания звёзд, которые мы называем созвездиями, кажутся сегодня точно такими же, какими они были тысячелетия назад. Те звёзды, которые светили ярче всех, самими яркими и остались, а едва видные звёзды так и остались самыми слабыми. Однако самое простое размышление показывает, что кажущаяся неизменность неба - всего лишь иллюзия. Мы можем наблюдать звёзды только потому, что они испускают свет. А испуская свет, они теряют энергию. Истощение их энергетических ресурсов должно приводить к изменениям в недрах звёзд. Иными словами, звёзды должны эволюционировать.

Представим себе какое-нибудь маленькое насекомое в лесу. Пусть оно наделено достаточно проницательным умом, но продолжительность его жизни невелика - скажем, оно живет всего 24 ч. Глядя вокруг себя, это насекомое видит огромные деревья, вздымающиеся высоко вверх. Оно видит зеленые побеги, пробивающиеся из влажной почвы, и отдельные гниющие стволы, в беспорядке валяющиеся на земле. Лес представляется этому насекомому вечным и неизменным. За всю свою жизнь (24 ч!) наше насекомое не обнаружит ни одного свидетельства, которое противоречило бы его первоначальному впечатлению. Однако, призвав на помощь разум, оно пришло бы к замечательным выводам. Может быть, лес изменяется? Может быть, тонкие зеленые побеги подрастут и станут деревьями? Может быть, самые старые деревья в конце концов падают на землю, превращаются в гниющие стволы и удобряют почву для будущих поколений деревьев? Несмотря на кажущуюся неизменность леса, это насекомое способно обнаружить существование жизненного цикла окружающих деревьев.

Чтобы выявить существование жизненного цикла звёзд, астрономы должны начать с вопроса: что такое звёзды? Глядя на небо, они видят яркие звёзды и звёзды слабые, звёзды голубоватые и красноватые. Астрономам отсюда сразу же становится ясно, что первое впечатление может оказаться совершенно неверным. Например, вы смотрите на яркую звезду в небе, а ведь вы не можете узнать, насколько ярка эта звезда на самом деле. Может быть, это исключительно яркая звезда, находящаяся очень далеко от Земли, но может быть, что это слабая звезда, только она случайно оказалась поблизости. Кажущаяся яркость звёзд не говорит астрономам ничего существенного о внутренних свойствах этих звёзд. Астроном предпочел бы знать абсолютную яркость звезды. Абсолютная яркость показывает, насколько яркой является звезда в действительности, т. е. сколько же энергии эта звезда испускает в пространство.

Видимая и абсолютная яркости звезды связаны между собой через расстояние до звезды. Чтобы понять причину этого, вспомним вид уличных фонарей темной ночью. Одного только субъективного ощущения яркости фонаря для ваших глаз вам недостаточно, чтобы сказать, насколько ярко светит этот фонарь на самом деле. Это может быть 100-ваттная лампочка поблизости или 500-ваттная - вдали от вас. Но если вы знаете расстояние до фонаря, можно прикинуть, насколько ярко светит фонарь в действительности. Существует очень простая связь между видимой яркостью, абсолютной яркостью и расстоянием. При известных видимой яркости и расстоянии всегда можно найти его действительную, или абсолютную, яркость. И эта абсолютная яркость укажет вам основное свойство источника света! Она укажет, какую мощность в ваттах лампа (или звезда) излучает в действительности.

Начиная с середины XIX в. астрономы усовершенствовали в конце концов технику измерения параллакса до такой степени, что смогли измерить расстояния до многих звёзд. Как говорилось в гл. 1, нахождение параллакса - это прямой, хотя и трудоёмкий способ непосредственного измерения расстояния до звёзд. В результате астрономы, зная расстояния до звёзд, без труда рассчитали их абсолютную яркость. Наконец-то они выяснили, насколько ярки звёзды на самом деле!

Выражать абсолютную яркость, или светимость, звезды удобно, если указать, насколько эта звезда ярче или слабее, чем Солнце. Значит, светимость Солнца принимается за единицу: Солнце светит с абсолютной яркостью в «1 Солнце». Многие звёзды излучают лишь одну сотую того света, который даёт Солнце. Их светимость равна приблизительно «1/100 Солнца». Напротив, многие звёзды излучают в тысячи раз больше света, чем наше солнце. Например, яркая голубая звезда Ригель в созвездии Ориона обладает светимостью 50000 Солнц. Выяснилось, что Ригель - это одна из самых ярких (в абсолютном смысле) звёзд, известных в астрономии.