Нечто о часах и тяготении. Продолжение.

«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.