65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Вопрос 51. Что такое гравитационная линза и как она работает?
На сегодняшний день искривление пространства массивными объектами является уже признанным и многократно доказанным научным фактом. Более того, в астрономии при наблюдении удаленных объектов (звезд, галактик, квазаров) искривление пространства очень сильно влияет на изображения, которые мы получаем на Земле при помощи современных телескопов (таких, например, как космический телескоп Джеймса Уэбба или телескоп «Хаббл»). Так происходит потому, что свет от удаленных объектов, проходя миллионы и миллиарды световых лет, испытывает многократное преломление из-за искривления пространства, вызванного другими звездами, галактиками и даже черными дырами, расположенными на пути этого луча. Так что реальный путь светового луча представляет собой не прямую линию, а весьма замысловатую кривую со множеством изгибов.
Этот эффект в астрономии получил название гравитационное линзирование, потому что большие скопления материи способны своим гравитационным полем искривлять пространство таким образом, что лучи света преломляются подобно тому, как это происходит в обычной стеклянной линзе. Линзирование возможно, когда на пути света от далекой галактики или квазара находится другая галактика или очень массивная звезда. Из-за этого мы можем видеть увеличенное изображение находящихся за ними космических объектов, либо видеть их в искаженном виде, либо вообще видеть несколько изображений одного и того же объекта.
Следует отметить, что искаженное изображение галактики – это не изъян телескопа, а реальное изображение галактики, какой мы ее видим с Земли.
Очень важной особенностью гравитационных линз является тот факт, что они не просто преломляют свет, идущий от далеких космических объектов, но также увеличивают их изображение, как это делает телескоп. Поэтому ученые активно ищут в космосе такие линзирующие системы, чтобы с их помощью исследовать самые отдаленные уголки Вселенной.
Вопрос 52. Как можно увидеть искривление времени?
Если с искривлением пространства все более или менее понятно (надеюсь, чуть более понятно, чем до прочтения предыдущих глав), его хоть как-то можно себе представить, то как обстоят дела с искривлением времени? Ведь мы же уже знаем, что в теории относительности пространство и время неразрывно связаны друг с другом. Поэтому, если искривляется пространство, то и время должно как-то искривляться. Но как время вообще может искривляться?
А вот как: из общей теории относительности следует, что под действием гравитации (а точнее – вблизи массивных тел) время замедляется. Т. е. искривление времени – это просто его замедление. Причем чем бо́льшая масса находится рядом с вами, тем медленнее будут тикать ваши часы. К примеру, на поверхности Земли время течет чуточку медленнее, чем на Луне. А на Луне – медленнее, чем в открытом космосе. Но самые экстремальные проявления гравитационного замедления времени мы можем встретить вблизи чрезвычайно тяжелых и плотных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры[96], вблизи которых время может вообще может остановиться.
И если первые два подтверждения ОТО были получены довольно быстро (объяснение смещения перигелия Меркурия и отклонение луча света вблизи Солнца), то существование гравитационного замедления времени довольно долго оставалось чисто теоретическим предсказанием и требовало значительно более точных, чем в начале ХХ века, измерительных приборов, поскольку на Земле этот эффект чрезвычайно мал.
Тем не менее зафиксировать замедление времени можно даже в земных условиях. Но для этого нам потребуются сверхточные измерения, ведь разница в ходе часов на поверхности Земли и на вершинах самых высоких гор составляет всего несколько наносекунд. Впервые эксперимент по проверке замедления хода времени в поле тяготения Земли был поставлен в 1959–1960 годах профессором Гарвардского университета Робертом Паундом (1919–2010) и его аспирантом Гленом Ребкой (1931–2015), а впоследствии многократно повторенный и усовершенствованный другими учеными. Все эти эксперименты давали один и тот же результат: чем сильнее гравитация (в частности, чем ближе вы находитесь к поверхности Земли), тем медленнее течет время. Так что ваш сосед сверху стареет чуть быстрее, чем сосед снизу, а ваши ноги немного моложе, чем ваша голова. Конечно, при условии, что бо́льшую часть жизни вы не ходите вниз головой.
Вопрос 53. Как работают GPS/ГЛОНАСС и при чем здесь теория относительности?
Мы уже привыкли к тому, что в наших смартфонах, планшетах и даже наручных умных часах постоянно работают гугл-карты или другие сервисы, которые с достаточно большой точностью определяют наше местоположение. И если нам нужно построить маршрут, то наш умный гаджет не только покажет наилучший способ добраться, куда нам необходимо, но и будет вести нас по этому маршруту, чтобы мы никуда от него не отклонились. Кроме того, многие люди вешают специальные трекеры на своих домашних питомцев, чтобы можно было легче их найти, если они потеряются. При помощи трекеров отслеживают перемещение общественного транспорта в городах и огромных кораблей, перевозящих грузы между разными странами и континентами. Так что сегодня уже сложно представить себе, как раньше люди обходились без этого чрезвычайно удобного изобретения[97]. А работают все эти гаджеты благодаря системам глобального позиционирования: GPS (пожалуй, самая распространенная), ГЛОНАСС, Beidou, Galileo и некоторых других. Так вот, когда ученые и инженеры запустили и стали тестировать все эти системы, оказалось, что невозможно обеспечить их точную работу без учета эффектов теории относительности, а точнее – того самого эффекта замедления времени, о котором мы говорили в предыдущей главе. Давайте разберемся, как работают эти системы и при чем здесь теория относительности.
Ключевой элемент всех систем позиционирования – это спутник, а точнее, система спутников, находящихся на орбите Земли. Все они непрерывно отправляют на Землю сигналы со своими координатами – такое своеобразное космическое радио, которое передает не музыку или новости, а местоположение спутников. И если вам удастся поймать сигнал хотя бы от четырех таких спутников, то вы сможете рассчитать свое собственное местоположение[98]. Но для того, чтобы это сделать, вам нужно не только знать координаты спутников и уметь проводить довольно сложные математические расчеты (ваш гаджет может с этим справиться и сам), но еще вам потребуется узнать расстояния до каждого из этих спутников. Но как его измерить? Мы же не можем взять линейку и полететь с ней в космос. И вот тут первый раз нам на помощь приходит теория относительности. Точнее – ее постулат о постоянстве скорости света (на самом деле не только света, но и любого электромагнитного излучения). Если мы знаем, сколько времени летел сигнал от спутника до нашего гаджета, то, умножив это время на скорость света (которая всегда одинакова), мы получим расстояние от нас до спутника. Значит, спутники
