Владимир Львов - Альберт Эйнштейн

На страницах не только фантастических романов и газетных статей, но и в серьезных научных журналах все чаще стали упоминаться искусственные спутники Земли и дебатировался вопрос о запуске ракет в космос.

Эйнштейн, разумеется, не мог не вспомнить в этой связи о гениальном русском мыслителе-самоучке, о котором он столько наслышался в Берлине. «Эра Циолковского» и впрямь готовилась встретиться на перекрестке исторических дорог с «эрой Эйнштейна»! Искусственные спутники и космические ракеты, эти маленькие небесные тела, намеченные к запуску в пространство вселенной, обещали дать физикам инструмент для постановки таких экспериментов в космосе, от которых захватывало дух даже у самого автора теории относительности!

Начать с первого из эффектов, предсказываемых теорией тяготения, — эффекта движения перигелия планетных орбит.

Единственным «подопытным» небесным телом для исследований этого рода была, как мы помним, ближайшая к Солнцу планета Меркурий. Положение должно было измениться после появления вблизи земного шара новых искусственных лун. Теперь уже можно было надеяться подметить кривизну пространства, создаваемую полем тяготения Земли. И хотя масса земного шара в сотни тысяч раз меньше солнечной (что уменьшает эйнштейновский эффект вращения эллипса), но зато чрезвычайно велико число оборотов спутника вокруг Земли. Меркурий, например, за сто лет оборачивается 414 раз вокруг Солнца, тогда как спутник (обращающийся на расстоянии около тысячи километров) обошел бы нашу планету за тот же срок 540 000 раз! Это должно привести к более быстрому накоплению ничтожно малых изменений и — в итоге — смещение перигея[75] спутника за год достигло бы 14,5 дуговых секунды. Это всего лишь в три раза меньше аналогичного векового эффекта для Меркурия. Не нужно, стало быть, затрачивать на опыт целое столетие, но эксперимент может быть проведен, в разных притом условиях и на разных объектах, в течение одного года![76]

Столь же увлекательные перспективы для проверки эффекта «красного смещения».

Спутник, на борту которого находился бы постоянно действующий радиопередатчик, должен испытывать в поле земной тяжести все те изменения хода часов и сдвиги частот, о которых говорилось в связи со звездными спектрами. Сдвинутыми в данном случае оказались бы частоты не светового, а радиодиапазона, и это обеспечит гораздо большую относительную точность измерений. В области сантиметровых радиоволн современная техника и впрямь позволяет подметить изменение длин волн, исчисляемое миллиардными долями сантиметра. Своеобразие эксперимента на спутниках выразится далее в том, что излучатель и приемник колебаний будут находиться тут в обратной взаимосвязи по сравнению со звездными наблюдениями. В опыте, например, со спектром «Сириуса В» регистрирующий прибор помещался на Земле, то есть за пределами поля тяготения звезды, а излучатель (атомы звездного газа) находился в этом поле. Теперь же — в эксперименте с искусственными спутниками — объектом наблюдения явится само поле Земли, а генератор радиоволн окажется вынесенным на периферию этого поля. Сдвиг частот поэтому будет направлен в обратную сторону — число колебаний в секунду увеличится. Придется говорить поэтому уже не о «красном», а о «фиолетовом» смещении длин волн, испускаемых искусственными спутниками! Чем дальше при этом будет отстоять от Земли орбита маленькой луны, тем резче проявится эйнштейновский эффект изменения хода часов…

Но это было не всё.

Переносясь мысленно из царства эйнштейновских законов тяготения в область частной теории относительности («варианта 1905 года»), пионеры межпланетных полетов должны были задуматься всерьез над возможностями, скрывающимися в самом простом факте равномерного и прямолинейного движения.

Что сулит звездоплаванию относительность величин пространства и времени, заложенная в механике больших скоростей?

К этому вопросу подталкивали все новые и новые факты, входившие в повседневный обиход физиков в годы после окончания второй мировой войны.

8

Вот, например, мю-мезоны — новые атомные частицы, замеченные впервые в потоке космических лучей. Измеренный тогда же срок жизни этих неустойчивых частиц — они возникают в атмосфере и составляют вторичную, «жесткую» компоненту лучей из космоса — выражается двумя миллионными долями секунды. Но если мю-мезон «живет» в среднем две миллионные секунды, то какую длину пути может он пройти за это время в воздухе? Если допустить — в пределе, — что полет происходит без торможения и со скоростью, почти не отличающейся от быстроты света, то ответ дается простым перемножением: 300 000 (километров в секунду) X 0,000002 (секунды) = 0,6 (километра). Однако практически, как показали наблюдения, мезоны в потоке космических лучей проходят до момента своего распада толщину атмосферы, исчисляемую многими километрами и даже десятками километров. Как понять эту неувязку? Разгадка оказалась простой: две миллионные секунды — это срок жизни мю-мезона, который показывают «стрелки часов», связанные с самим мезоном (или с любой материальной «площадкой», покоящейся относительно мезона). Рассматривая же поведение частицы относительно поверхности Земли, придется сделать вывод, что ход течения времени для движущегося мезона замедляется. Это был тот самый эффект «растяжения времени», который десятилетием раньше был воспроизведен в лаборатории Айвсом и Стилуэллом. Теперь его демонстрировала физикам сама природа. Срок жизни мезонов, согласно эйнштейновской механике, оказывается увеличенным не менее чем в 15–20 раз, и это дает им возможность пролететь (по отношению к поверхности Земли) в 15–20 раз больший отрезок траектории.

Необычайный эффект «замедленного старения» мезона, пополнив список экспериментальных подтверждений теории относительности, заставил вспомнить об одном парадоксальном рассуждении, рассматривавшемся еще в первые годы эйнштейновской теории.

Если ход часов на движущихся материальных «площадках» замедляется, то пассажиры межпланетной ракеты, умчавшейся с большой скоростью прочь от нашей планеты, будут стареть гораздо медленнее, чем их сверстники, оставшиеся на Земле. Ведь замедление течения времени должно сказаться, бесспорно, не только на периоде качания маятника и на беге часовой стрелки, но и на ритме всех процессов в организме. Темп биений сердца, скорость обмена веществ в клетках, ритм замыканий и размыканий в нервных путях — все должно быть иным в ракете, движущейся по отношению к Земле, если вести счет времени по циферблату часов Земли. Подсчет показывает, что пассажир ракеты, двигавшейся в два раза медленнее, чем свет, вернувшись домой после трех лет странствий (исчисленных «по часам ракеты»), увидит Землю и всех людей на ней постаревшими на пять лет. Звездоплаватель же, летевший со скоростью в 99 процентов от быстроты света, после трех лет отлучки обнаружит, что на Земле прошло пятьдесят лет!