Эксперимент Паунда и Ребка: проверка формулы Эйнштейна

Эффектное начало весьма красит любой очерк. Это аксиома, хорошо известная авторам. Так вот, некий средневековый монах, известный под именем Блаженного Августина, говорил о времени примерно так: «Я отлично представляю, что такое время, пока не просят пояснить, что это такое, и совершенно перестаю понимать, как только пытаюсь объяснить». А как обстоит дело теперь? Прежде всего, несколько общих замечаний. В теории относительности Эйнштейна и специалистов и дилетантов наиболее поражают те выводы, что относятся к понятию времени. Прочитав Эйнштейна, физики неожиданно для себя обнаружили, что прежде они вообще не имели ясного представления о таких «самоочевидных» вещах, как время и длина. Более того, выяснилось, что ученые даже не желали задумываться над этими вопросами, удовлетворяясь некими загадочными понятиями «абсолютного времени» и «абсолютного пространства», предложенными еще Ньютоном.

Это всех устраивало. Причем было принято нечто вроде молчаливого соглашения, предполагавшего, что хотя, конечно, углублять понятия пространства и времени можно, но все это вещи ясные, а различные «глубокие» рассуждения идут от лукавого. Такой «нигилизм» объяснялся просто. За двести с лишним лет, разделявших Ньютона и Эйнштейна, ни один опыт не дал повода усомниться в незыблемости основ.

Но когда Эйнштейн показал, что строгий анализ таких понятий, как время, совершенно необходим, когда стало ясно, что те интуитивные представления о времени и пространстве, на которых основывалась классическая физика, принципиально ошибочны и справедливы лишь приближенно — тогда весь фундамент ньютоновской физики оказался, строго говоря, иллюзорным.

Физикам пришлось переоценить свои «жизненные принципы». И, вероятно, можно рискнуть на парадокс: в первую очередь революционное значение теории Эйнштейна связано даже не с чисто фактическим ее содержанием, а именно с потрясением «моральных основ». Вот почему до сих пор даже некоторые ученые старшего поколения, признавая на словах теорию относительности, не понимают ее смысла.

Время есть… время

Не нужно быть физиком или философом, чтобы почувствовать, что время — это некое «Нечто» с большой буквы, что-то такое, что… словом, «время — это время». И совсем не случайно в сказаниях и легендах каждой цивилизации, более того, почти каждого народа, появляется образ неотвратимого, неумолимого и всепоглощающего времени. Радикальнее всех решили проблему греки. До Зевса, утверждают мифы, миром правил Крон (Хронос), олицетворяющий Время. Наивная символика неведомых авторов проявилась в том, что Крон непринужденно пожирал своих детей (вообще историку можно предложить довольно любопытную задачу — проанализировать мотив времени в сказаниях различных народов).

Однако прошли тысячелетия, и примерно в 1920 году широкой публике стало известно, что знаменитый физик Эйнштейн открыл нечто непонятное, но очень важное, совершенно изменяющее наши представления о времени и пространстве. И поскольку физиками часто употреблялись слова «относительность пространства и времени», слова, которые выглядели довольно ясными, то возникла иллюзия понимания.

В результате же оказалось, что нет другой физической теории, вокруг которой нагромождалось бы столько слов, не имеющих никакого содержания. К сожалению, этот процесс продолжается и в наши дни. Очевидно, настал тот торжественный момент, когда надо пообещать, что на следующих нескольких страничках автор даст исчерпывающее, строго научное и исключительно популярное объяснение, в котором покажет, что такое время и как объяснила это понятие наша нынешняя наука. Увы, ничего такого не будет.

Если говорить о философской стороне дела, то мы удовлетворимся тем, что время объективно и реально. Что же касается «глубокого проникновения» в понятие времени —то этого, повторяю, не будет сделано. Мы ограничимся, так сказать, «потребительским» и к тому же очень отрывочным анализом.

Много тысяч часов

Для физика узнать, что такое время, — значит измерить его. Иначе говоря, время — это часы. А часы — это любой периодический процесс, причем безразлично, создан ли этот процесс искусственно или же сама природа благосклонно предоставила его в наше распоряжение.

Старорежимные «ходики» (колебания маятника), вращение Земли вокруг Солнца, колебания пластинки, годовые кольца на деревьях, колебания атомов или атомных ядер, вращение Земли вокруг своей оси, падение капель из сосуда, десятки и сотни других повторяющихся процессов — все это часы. Какие же из сотен тысяч часов, имеющихся в нашем распоряжении, измеряют истинное, «всамделишное» время? Ведь показания различных часов, как правило, не совпадают между собой.

Первый наивный ответ таков: точное время определяется по сигналам точного времени, по радио. Но стоит чуть-чуть задуматься, и придется признать, что мы слишком уж наивны. Действительно, а как стало известно, что часы в институте имени Штернберга измеряют точное, истинное («всепожирающее») время. Может быть, истинное время измеряется не в лабораториях, не тончайшими часами ультрасовременной конструкции (смотрите нашу прошлую статью), а «ходиками» какой-либо старушки, проживающей в Карманицком переулке? А может быть, за основу основ следует взять старинные купеческие часы — «луковицу» — ее знакомого старичка, живущего на Сивцевом Вражке? Хотя предложенный выбор выглядит нелепо, но любопытно, что сам вопрос совсем не так смехотворен, как может казаться.

Итак, повторим: «Как узнали, какие именно часы измеряют истинное время?» Узнать это нельзя! Можно только договориться. И договариваться следует разумно.

В поисках эталона

Определяя точное время по часам бабушки из Карманицкого переулка, мы сделали, конечно, не слишком удачный выбор. Во-первых, ход таких часов вряд ли согласовался бы с вращением Земли вокруг своей оси. Сегодня от восхода до захода Солнца прошло бы, скажем, 9 часов, завтра 8 часов 40 минут, послезавтра 11 часов (бабушка могла забыть завести «ходики»), а через неделю… кто знает, что было бы через неделю. Понятно, что такой разнобой, мягко говоря, неудобен.

Мне хотелось бы, чтобы читатели не удивлялись нарочито «детской» форме анализа, потому что, повторяю, сам вопрос вполне серьезен. Хорошо, бабушку мы отстраняем от службы времени, старичка с Сивцева Вражка тоже. Но что предложить взамен? Прежде всего, не торопясь с ответом, согласимся с тем, что нет «истинного» времени самого по себе. Необходимо договориться, какие именно часы измеряют это загадочное «истинное» время. Необходим эталон времени. Часы-эталон.

Тогда истинное время — это то время, которое показывают часы-эталон. С точки зрения логики мы не погрешили бы, объявив эталоном многострадальные «ходики» упоминавшейся старушки. Такой выбор логически безупречен, хотя практически он совершенно не годится. Ибо при подобном эталоне точного времени оказалось бы, что показания десятков часов самой различной природы великолепно согласуются между собой, все они синхронны, а эталон то обгоняет, то отстает, то снова обгоняет… Короче, возникла бы ситуация, довольно точно характеризуемая старинной армейской остротой: «вся рота шагает не в ногу, лишь один поручик идет в ногу».

Если уцепиться за пехотную аналогию, то проблему определения «истинного» времени можно представить такой «поэтической» картиной. Бесчисленное множество самых различных периодических процессов-часов уподобим некоей разноплеменной и разноязычной отступающей армии. Например, великой армии Наполеона, уходящей из Москвы. Войска отступают, воинский порядок исчез. Солдаты идут несогласованно. Один то обгоняет другого, то отстает. Никто не держит строя. Вместо армии — беспорядочная орда. И только старая гвардия хранит порядок. Ее солдаты спаянно, синхронно печатают шаг точно так же, как несколько месяцев назад.

Вернувшись к измерению времени, мы выберем за эталон какие-либо часы из «старой гвардии» — из того семейства часов, между показаниями которых есть полное согласие. По их показаниям и определяют «истинно» неумолимое и всепоглощающее время. Какие-либо одни из выбранных часов мы для удобства объявляем «главным» эталоном времени. Впрочем, наша система весьма демократична: стоит обнаружить, что согласие между главным эталоном и остальным семейством нарушилось, и он будет безжалостно свергнут. Главным эталоном выберут какие-либо другие часы из семейства эталонов, и никакой трагедии не произойдет. Так, собственно, не раз и случалось в истории физики.

Итак, ясно: единственный критерий, позволяющий утверждать, что наши эталоны хороши и измеряют «истинное» время,— это согласие (синхронность) в показаниях большого числа самых различных по своей физической природе часов. Все остальные часы в мире идут более или менее вразнобой — и с семейством эталонов, и между собою.

Скандал в отрядах «старой гвардии»

Но настоящий скандал в благородном семействе эталонов времени произошел бы, если бы оказалось, что таких семейств синхронных между собою часов не одно, а несколько. Если снова обратиться к армии Наполеона, это означало бы, что не один, а несколько (для простоты — два) отрядов сохранили порядок и шагают в ногу, но каждый по-своему, в скорости шага отрядов согласия нет. Один отряд то обгоняет другой, то отстает, то снова обгоняет. А может быть, все время отстает или, наоборот, уходит вперед. Но внутри каждого отряда царит порядок — идеальная синхронность.

Какой же отряд — какое семейство часов — следует тогда принять за эталон «истинного» времени? Например, вдруг окажется, что все часы, основанные на использовании электромагнитных периодических процессов, великолепно согласуются между собою, но то обгоняют, то отстают от всех часов, основанных, скажем, на измерениях периодов полураспада радиоактивных ядер. Тогда пришлось бы вводить «электромагнитное время», «ядерное время» и, может быть, какое-нибудь еще.

К счастью, такого разнобоя нет. В этом смысле физики признают «единое» время, потому что наш опыт заставляет полагать, что самые различные по своей физической природе часы, если только они находятся в одних и тех же физических условиях, должны согласоваться между собою.

Более чем двести лет физики вообще признавали существование некоего ньютоновского «абсолютного времени». Сам Ньютон определял его так: «Абсолютное, истинное и математическое время протекает само по себе и, благодаря свой природе, равномерно и без всякой связи с каким-либо внешним предметом. Обозначается оно также именем продолжительность». Как видно, «абсолютное время» у Ньютона — что-то данное свыше, неопределяемое. Говоря попросту, определение Ньютона можно перефразировать так: «Время — есть нечто принципиально непонятное».

Только после Эйнштейна общепринятым стал тот совершенно естественный, единственно разумный подход к сущности времени, который был несколько сумбурно изложен выше. Изменение во взглядах на природу времени отнюдь не ограничилось приведенными мною соображениями. Если бы дело было только в этом, в конкретных выводах физики все осталось бы неизменным. На самом деле с понятием времени все значительно «хуже». Пояснить это позвольте фразой, которая неизменно присутствует почти во всех популярных статьях, посвященных теории Эйнштейна:

«Из специальной теории относительности вытекает, что движущиеся часы идут медленнее, чем покоящиеся». Или аналог: «в движущейся системе отсчета время течет медленнее, чем в покоящейся».

Сказать, что эти предложения неправильно передают выводы Эйнштейна, нельзя. Во вполне определенном смысле это действительно так: «движущиеся часы отстают». Но, по сути дела, сказано это предельно неудачно. Просто трудно нарочно придумать лучший способ исказить в восприятии неспециалистов выводы теории относительности, не нарушая при этом истины. И я призываю читателей не обращать внимания на цитированные фразы, где бы они ни встретились, до тех пор, пока точный смысл этих слов не окажется совершенно ясен. Потому что, повторяю, содержание в данном случае куда хитрее, чем кажется на первый взгляд.

А на этот раз давайте обратимся к общей теории относительности, где Эйнштейн устанавливает зависимость времени от тяготения. Тут изложить в одной фразе сущность относительности времени проще. Слова «Ритм хода часов зависит от гравитационного потенциала в той точке, где часы находятся» точно отражают существо дела. Но некая расшифровка, конечно, нужна. Во-первых, гравитация — это тяготение. Во-вторых, гравитационный потенциал — это работа, которую необходимо совершить внешним силам, чтобы перенести единичную массу из бесконечности в данную точку.

Конечно, в популярной статье в этом месте необходим литературный образ. Вот и он. Поднимаясь, скажем, на пятый этаж, мы увеличиваем свою потенциальную энергию —совершаем работу. Говоря более строго, мы переходим с одного потенциального уровня на другой. Работа определяется разностью уровней. А если бы лестница, подобно Вавилонской башне, уходила в бесконечность, то работа, необходимая, чтобы добраться до вершины, определяла бы потенциал в данной точке. Потому что потенциал бесконечно далеких точек естественно положить равным нулю. Поскольку гравитационные силы — всегда силы притяжения, то очевидно, что потенциал любого гравитационного поля всегда отрицателен. (Метеориты не нужно «подгонять» при падении. Их нужно тормозить.)

А теперь можно сформулировать один из основных выводов общей теории относительности. Если пространство, в котором имеется гравитационное поле, «увешать» часами, то темп (ритм) хода часов будет зависеть от значения потенциала гравитационного поля в той точке, где находятся часы. И чем больше потенциал по абсолютной величине, тем медленнее идут часы. Скажем, на поверхности Солнца часы должны отставать от часов на поверхности Земли.

Причем физическая природа часов совершенно безразлична. Гравитационное поле изменяет ритм хода самых разнообразных по своей природе часов совершенно одинаково. Изменение ритма электромагнитных периодических процессов и, например, ядерных процессов определяется одной и той же формулой.

Вообще говоря, это весьма удивительно. Почему-то мир устроен так (или, во всяком случае, он таков, если верить Эйнштейну), что гравитационное поле совершенно единообразно изменяет ритм самых разных по своей природе процессов. Правда, есть одно исключение — это часы, основанные на использовании гравитационного поля (эта ученая фраза скрывает за собой часы с маятником — «ходики»). Ритм таких часов определяется в первую очередь значением ускорения силы тяжести. Но воздействие гравитационного поля на ритм «ходиков» вполне понятно с точки зрения физика-«классика». А воздействие гравитационного поля на часовые устройства любой другой природы — эффект значительно более тонкий и совершенно удивительный именно своей единообразностью.

«Теория, не подтвержденная фактами,— все равно, что святой, не сотворивший чуда». Эта фраза полулегендарного врача, алхимика и философа средневековья Теофраста Парацельса очень точно передает мировоззрение ученых любой эпохи. До самого недавнего времени зависимость ритма часов от гравитационного потенциала можно было проверять только при помощи астрономических наблюдений. Но точность наблюдений была недостаточна, чтобы утверждать, что формула Эйнштейна подтверждена количественно. Можно было претендовать только на качественное согласие.

И вот опыт, поставленный физиками в 1960 году, опыт столь же невероятный, как определение химического состава далеких звезд, обманчиво простой, как все совершенное, — этот опыт позволил количественно проверить формулу Эйнштейна в земных условиях. Речь идет о так называемом эффекте Мессбауэра и основанном на нем эксперименте Паунда и Ребка.

В качестве часов в этом эксперименте использовались ядра атомов. Среди радиоактивных ядер есть такие, которые переходят из возбужденного состояния в основное, испуская гамма-квант — квант электромагнитного излучения. Если этот квант пролетает в гравитационном поле, его частота изменяется. Изменение частоты кванта тождественно изменению ритма часов. (Вероятно, это утверждение многим покажется странным, но, к сожалению, автор не знает, как в достаточно сжатой форме пояснить этот тезис, и должен принять грех недоговоренности на свою совесть.) Изменение частоты кванта при полете в гравитационном поле называют красным смещением (хотя оно может быть и фиолетовым). Когда квант света где-то у поверхности Земли падает на один метр, то отношение изменения его частоты к самой частоте равно 10~16.

Обратите почтительное внимание на эту дробь. Она ужасна. Уловить такое изменение частоты означает приблизительно то же, что заметить исчезновение ложки воды из озера, примерно равного Онежскому! Короче говоря, было однозначно показано, что часы на пятом этаже идут быстрее, чем в подвале.

Для рассказа о том, как это было сделано, нужна отдельная статья, гораздо длиннее той, которую вы читаете. Я скажу совсем немного. Прежде всего, необходимо было обеспечить достаточный «перепад высот» для гамма-кванта. В опыте была взята высота 21 метр. Экспериментальную установку устроили в довольно романтическом месте — в старой-старой башне физической лаборатории Гарвардского университета.

Чтобы достаточно уверенно измерить эффект, установку пришлось оснастить весьма хитрой радиоаппаратурой и различной автоматикой. Цилиндрический баллон, в котором пролетали гамма-кванты, пришлось заполнить проточным гелием, чтобы ослабить поглощение. Вся система должна была быть полностью изолирована от вибраций, и поэтому понадобилось особо хитрое подвешивание баллона с источником и поглотителем.

Короче говоря, в блок-схеме установки можно найти все, что угодно, начиная от часового механизма и гидравлического привода и кончая ртутными реле, генераторами импульсов и схемами совпадений. Когда все было собрано, оказалось, что ожидаемый эффект не наблюдается, и обнаружилось, что вдобавок ко всем удовольствиям необходимо еще поддерживать одинаковую температуру источника и поглотителя с точностью до десятых долей градуса.

К сожалению, способность удивляться мало развита у людей. Поразительный, сказочный мир техники, окружающий нас, привычен с детства и воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Поражает только то, что выходит за привычные рамки. Через два-три десятка лет полеты в космос будут нам казаться настолько же обыденными, как сегодня обыденно радио. Так чем же удивителен описанный выше эксперимент? Достоин ли он редких людей, умеющих видеть странное в привычном и искренне, из чистого «детского» любопытства, стремящихся узнать, как все есть «на самом деле»?

Предыдущее было сказано затем, что не очень ясно — стоило ли Паунду и Ребка заново проверять при помощи эффекта Мессбауэра давно изученное «красное смещение». Я ограничусь тем, что выскажу доводы «за» и «против». Вот доводы «против».

Первый. До сих пор не было ни малейшего основания сомневаться в выводах общей теории относительности, и потому было заранее ясно, что результаты эксперимента, очевидно, будут тривиальны, отнюдь не удивительны. Мало того: «красное смещение» уже наблюдалось экспериментально и можно считать, что этот вывод теории подтвержден, по крайней мере, качественно.

Второй. Опыт, конечно, можно было бы сделать, если бы экспериментальная установка была достаточно проста, но читатель, надеюсь, уже поразился той филигранной работе Паунда и Ребка, о которой в смутных чертах было рассказано выше. Можно уверенно сказать, что опыт Паунда и Ребка не принадлежит к числу изящных по простоте оформления экспериментов.

Третий. Когда эксперимент столь сложен, очень велика вероятность какой-то непредвиденной трудности, и годы напряженной работы (не говоря уже о средствах, затраченных на установку) грозят пройти впустую. Нечто похожее, кстати, и случилось — авторы не подозревали, что им придется термостатировать все устройство. К счастью, это оказалось возможным. Но ведь никто не мог гарантировать успех заранее. В подобных случаях физик рискует, так же как мореплаватель средних веков, уходящий в «море неизвестности».

Вот доводы «против». А какие же говорят «за»?

Первый. Возможно, что такой эксперимент принесет славу. Впрочем, это несколько проблематично, потому что физики в наши дни не удивляются, увидев лишнее подтверждение эффекта «красного смещения» и вообще всей теории Эйнштейна.

Второй — и это, пожалуй, главный довод. Эксперимент интересен. Удивителен не по ожидаемым итогам, а сам по себе. Можно приводить сотни доводов «против», можно дополнить наш список еще более вескими возражениями, можно говорить все что угодно. Но эксперимент интересен. И потом, кто знает, может быть, может быть… конечно, нет никаких, совершенно никаких оснований ожидать что-либо подобное… но все же, может быть, результат будет неожиданным!

Вот примерно таким представляется положение вещей, каким оно было перед опытом. Когда эксперимент был сделан, оказалось, что формула теории для «красного смещения» подтверждается с точностью, по меньшей мере, четырех процентов. Нужно ли это делать и вообще, стоило ли ломать копья, чтобы получить заранее ожидаемый результат? Судите сами…

Автор: В. Андреева.