Заключение Эйнштейна кажется столь удивительным и странным, потому что наше воспитание здесь, на Земле, с неподвижной планетой под ногами, сбивает с толку нашу интуицию. Когда сила тяжести на Земле удерживает вас неподвижно на ее поверхности, вы наблюдаете эффекты тяготения, так как не падаете к центру Земли, куда влечет вас тяготение. На Земле мы привыкли к тому, что тяготение заставляет тела падать. Но «падение» на самом деле означает «падение относительно нас». Если бы мы падали вниз вместе с брошенным мячом, как это происходит в свободно падающем лифте, мяч не падал бы быстрее нас. Поэтому мы не видели бы этого падения.
В вашей свободно падающей системе отсчета все законы физики будут совпадать с законами физики, выполняющимися, если вы и все вокруг вас находится в состоянии покоя. Свободно падающий наблюдатель будет видеть, что движение описывается теми же уравнениями, согласующимися со специальной теорией относительности, которые применимы для наблюдателя в инерциальной неускоренной системе отсчета. В обзорной статье 1907 года, посвященной теории относительности, Эйнштейн объясняет, почему гравитационное поле имеет только относительное существование, «так как для свободно падающего с крыши дома наблюдателя, по крайней мере, в непосредственном окружении, отсутствует гравитационное поле»
[43].
Это было самое глубокое прозрение Эйнштейна. Уравнения движения для свободно падающего наблюдателя являются уравнениями движения для наблюдателя в инерциальной системе отсчета. Свободно падающий наблюдатель не ощущает силы тяготения; влияние силы тяготения испытывают только тела, которые не находятся в свободном падении.
В нашей жизни мы в общем-то редко наблюдаем вещи или людей, находящихся в свободном падении. Если такое падение происходит, оно вызывает ужас. Но, как сказал один ирландец физику Рафаэлю Буссо, когда он осматривал Скалы Мохера в Ирландии: «Вас убивает не падение, а чертов удар при остановке». Когда я поломала несколько костей во время несчастного случая при восхождении и вынуждена была пропустить конференцию, которую сама же организовала, там ходило несколько шуток о том, как я проверяла теорию тяготения. Могу утверждать с полной уверенностью, что значение ускорения силы тяжести совпадает с предсказаниями.
Проверка общей теории относительности
Можно много говорить об общей теории относительности; скоро мы перейдем к рассмотрению остальных разделов, развитие которых потребовало значительно больше времени. Но уже один принцип эквивалентности объясняет многие результаты общей теории относительности. В тот момент, когда Эйнштейн заметил, что тяготение может быть устранено в ускоренной системе отсчета, он получил возможность вычислять влияние гравитации, представив ускоренную систему, эквивалентную системе с гравитацией. Это позволило ему вычислить гравитационные эффекты для ряда интересных систем, так что другие ученые смогли использовать их для проверки его выводов. Рассмотрим несколько наиболее важных экспериментальных тестов.
Во-первых, это гравитационное красное смещение света. В результате красного смещения мы принимаем световые волны меньшей частоты, чем та, с которой они были испущенны. (Вы, вероятно, встречались с аналогичным эффектом для звуковых волн, когда мотоцикл с ревом мчится мимо вас, и высота звука мотора нарастает, а затем падает.)
Есть несколько способов объяснить происхождение гравитационного красного смещения, но, вероятно, простейший — это объяснение по аналогии. Представьте, что вы подбросили вверх мяч. Поднимающийся мяч постепенно замедляется, двигаясь противоположно направлению силе тяжести. Но энергия мяча не потеряна, даже если он замедляется. Эта энергия превращается в потенциальную энергию, которая затем, когда мяч падает вниз, превращается в кинетическую энергию, или энергию движения.
Такое же объяснение применимо к частице света фотону. Точно так же, как мяч теряет импульс, если его подбросить вверх в воздухе, фотон теряет импульс, когда он пытается избавиться от влияния гравитационного поля. Как и в случае мяча, это означает, что фотон теряет кинетическую энергию, но приобретает потенциальную энергию, пробивая себе путь из гравитационного поля. Но фотон не может замедлиться, как это происходит с мячом, так как фотон всегда летит с постоянной скоростью света. Забегая вперед, мы увидим в следующей главе, что одно из следствий квантовой механики гласит: фотон уменьшает свою энергию, когда он уменьшает свою частоту. Именно это и происходит с фотоном, пролетающим сквозь область с переменным гравитационным потенциалом. Чтобы уменьшить свою энергию, фотон уменьшает свою частоту, и эта уменьшившаяся частота и представляет собой гравитационное красное смещение.
Наоборот, фотон, движущийся к источнику гравитационного поля, будет увеличивать свою частоту. В 1965 году физик канадского происхождения Роберт Паунд и один из его студентов Глен Ребка измерили этот эффект, изучив гамма-излучение, испущенное образцом радиоактивного железа, помещенным на верхушке «башни» в гарвардской лаборатории им. Джефферсона, — том здании, где я сейчас работаю. (Хотя приподнятый фронтон лаборатории им. Джефферсона и этажи под ним являются частью всего здания, их называют «башней».) Гравитационные поля на вершине и у основания башни несколько различаются, так как вершина находится чуть дальше от центра Земли. Высокая башня лучше всего подходит для такого эксперимента, так как при этом увеличивается разность высот между местом, откуда испускается гамма-излучение (вершина башни), и местом, где оно регистрируется (основание башни). Но даже несмотря на то, что вся башня состоит из трех этажей, фронтона и нескольких окон над ним, и вся ее высота равна около 22 м, Паунду и Ребке удалось с немыслимой точностью, равной пяти миллионным от миллиардной доли, измерить разность частот между испущенными и поглощенными фотонами. Таким образом, они установили, что предсказания общей теории относительности для гравитационного красного смещения были верны с точностью, равной по меньшей мере 1 %.
Второе экспериментально наблюдаемое следствие принципа эквивалентности — это отклонение луча света. Гравитация может притягивать не только массу, но и энергию. В конце концов, знаменитое соотношение E = mc2 означает, что энергия и масса тесно связаны. Если масса испытывает тяготение, это же должно быть верно и для энергии. Тяготение Солнца влияет не только на массу, но и на траекторию луча света. Теория Эйнштейна точно предсказывает величину отклонения луча света под влиянием Солнца. Эти предсказания были впервые подтверждены во время солнечного затмения 1919 года.
