Физика времени

Чему же научил нас этот опыт? Мы узнали, что колебания в световой волне изменяют свой ритм при ее распространении в поле тяготения. Если, как в нашем опыте, свет движется против направления силы тяжести, ритм колебаний замедляется. Сила тяготения оказывает на него замедляющее действие. Это означает, что если мы сделаем часы, «работающие» на таких колебаниях, то их тиканье будет реже в поле тяготения. Но часы указывают нам время и потому приходится заключить, что сила тяготения замедляет сам темп протекания времени.

Если с потолка лаборатории посмотреть на часы, стоящие на ее полу, то увидим, что эти часы отстают от наших собственных часов на потолке. Внизу время течет медленнее, чем наверху. Из двух братьев-близнецов, живущих в одном доме на разных этажах, быстрее растет тот, который ближе к крыше. Разница, конечно, очень небольшая, но важно, что она есть и даже может быть измерена.

Об измерении замедления времени мы расскажем чуть позже, а сейчас снова вернемся ненадолго к только что проделанному мысленному эксперименту.

Легко представить себе, что будет, если свет посылать не с пола на потолок, а, наоборот, с потолка на пол. Должен измениться знак эффекта: свет, распространяющийся по направлению силы тяготения, должен становиться более голубым. Вместо увеличения периода света и замедления ритма его колебаний получим уменьшение периода и ускорение ритма. Если снизу смотреть на часы, находящиеся на потолке, то они будут уходить вперед по сравнению с нашими собственными часами на полу. Но это снова означает, что внизу часы идут медленнее, чем наверху.

Замедление времени в поле тяготения — одно из замечательных следствий общей теории относительности. Мы узнали о нем из мысленных экспериментов, в которых для простоты считали силу тяготения и ускорение постоянными по высоте. Это вполне приемлемое приближение для условий на поверхности Земли, когда высота, на которой находятся часы, считается малой — по сравнению с радиусом Земли. Но в действи-

тельности эффект остается в силе и тогда, когда высота не мала и нужно учитывать, что сила тяготения не постоянна, а убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. И в этом случае часы идут тем медленнее, чем ближе они к поверхности тела. Всякий раз из двух часов, находящихся на разных расстояниях от тяготеющего тела, быстрее идут те, ко- которые дальше от этого тела. На очень далекие часы тяготение уже не оказывает практически никакого действия, и там они, а с ними и время, достигают самого высокого своего ритма.

Измерение

Прямой лабораторный, а не мысленный эксперимент с замедлением времени в поле тяготения провели в 1960 году физики Гарвардского университета (США). В их эксперименте электромагнитная волна (это был не видимый свет, а гамма-излучение, что, конечно, не меняет сути дела) проходила расстояние 22 метра по высоте с потолка к полу в башне физической лаборатории. Предсказываемое теорией замедление времени очень мало — всего приблизительно на 3 • 10^-13 процента. Чтобы представить себе малость этой цифры*), скажем, что при таком замедлении времени за год набирается примерно одна стомиллионная доля секунды — лишняя у верхних часов. Или иначе: чтобы набралась разность хода часов в 1 секунду, нужно ждать примерно сто миллионов лет.

_{*) Она получается так: нужно взять разность потенциалов поля тяготения на пути, пройденном светом, и разделить на квадрат скорости света и затем перейти к процентам, умножив это отношение на 100.}

В эксперименте нужно было зафиксировать очень малый сдвиг длины волны излучения, сдвиг, который и оценивается величиной 3 • 10^-13 процента. И тем не менее такой сдвиг длины волны, а с ним и эффект замедления времени, оказался измеренным. Это было сделано с помощью специальных сверхточных приборов (игравших роль часов), основанных на так называемом эффекте Мёссбауэра — явлении испускания твердыми телами гамма-излучения необычайно строго фиксированной длины волны.

Эксперимент обнаружил эффект гравитационного красного смещения, или замедления времени, в поле тяготения. Со всей экспериментальной точностью **) подтвердилась и его численная величина, предсказываемая теорией.

_{**) Возможная погрешность не превышала десяти процентов от измеряемой величины.}

Это было одно из самых тонких и искусных измерений в современной экспериментальной физике.

Позднее, в 1976 году, эксперимент повторили — с гораздо более высокой точностью — физики Смитсоновского института (США). У них свет проходил 160 километров по высоте — аппаратура была вынесена на эту высоту ракетой. Для такой высоты, или, точнее, для такого перепада высот между источником и приемником, замедление времени в семь с лишним тысяч раз больше, чем в гарвардском эксперименте, что точно соответствует отношению высот.