Дещо про годинник і тяжіння. Продовження.

«Теорія, не підтверджена фактами, – все одно, що святий, який не створив дива». Ця фраза напівлегендарного лікаря, алхіміка і філософа середньовіччя Теофраста Парацельса дуже точно передає світогляд вчених будь-якої епохи. До самого недавнього часу залежність ритму годин від гравітаційного потенціалу можна було перевіряти тільки за допомогою астрономічних спостережень. Але точність спостережень була недостатня, щоб стверджувати, що формула Ейнштейна підтверджена кількісно. Можна було претендувати тільки на якісну згоду.

І от дослід, поставлений фізиками в 1960 році, дослід настільки ж неймовірний, як визначення хімічного складу далеких зірок, оманливо простий, як все досконале, – цей дослід дозволив кількісно перевірити формулу Ейнштейна в земних умовах. Йдеться про так званий ефект Мессбауера і заснованих на ньому експерименті Паунда і Ребке.

Як годинник в цьому експерименті використовувалися ядра атомів. Серед радіоактивних ядер є такі, які переходять із збудженого стану в основний, випускаючи гамма-квант – квант електромагнітного випромінювання. Якщо цей квант пролітає в гравітаційному полі, його частота змінюється. Зміна частоти кванта тотожна зміні ритму годинника. (Ймовірно, це твердження багатьом здасться дивним, але, на жаль, автор не знає, як у досить стислій формі пояснити цю тезу, і повинен ухвалити гріх недомовленості на свою совість.) Зміну частоти кванта при польоті в гравітаційному полі називають червоним зміщенням (хоча воно може бути і фіолетовим). Коли квант світла десь біля поверхні Землі падає на один метр, то відношення зміни його частоти до самої частоти дорівнює 10 ~ 16.

Зверніть шанобливу увагу на цей дріб. Він жахливий. Вловити таку зміну частоти означає приблизно те ж, що помітити зникнення ложки води з озера, приблизно рівного Онезькому! Коротше кажучи, було однозначно показано, що годинник на п’ятому поверсі йде швидше, ніж у підвалі.

Для розповіді про те, як це було зроблено, потрібна окрема стаття, набагато довше тієї, яку ви читаєте. Я скажу зовсім небагато. Перш за все, необхідно було забезпечити достатній «перепад висот» для гамма-кванта. У досліді була взята висота 21 метр. Експериментальну установку влаштували в досить романтичному місці – у старій-старій вежі фізичної лабораторії Гарвардського університету.

Щоб досить впевнено виміряти ефект, установку довелося оснастити вельми хитрою радіоапаратурою і різною автоматикою. Циліндричний балон, в якому пролітали гамма- кванти, довелося заповнити проточним гелієм, щоб послабити поглинання. Вся система повинна була бути повністю ізольована від вібрацій, і тому знадобилося особливо хитре підвішування балона з джерелом і поглиначем.

Коротше кажучи, в блок-схемі установки можна знайти все, що завгодно, починаючи від годинникового механізму і гідравлічного приводу і кінчаючи ртутними реле, генераторами імпульсів і схемами збігів. Коли все було зібрано, виявилося, що очікуваний ефект не спостерігається, і виявилося, що ж до всіх задоволень необхідно ще підтримувати однакову температуру джерела і поглинача з точністю до десятих часток градуса.

На жаль, здатність дивуватися мало розвинена у людей. Разючий, казковий світ техніки, що оточує нас, звичний з дитинства і сприймається як щось само собою зрозуміле. Вражає тільки те, що виходить за звичні рамки. Через два-три десятки років польоти в космос будуть нам здаватися настільки ж буденними, як сьогодні буденно радіо. Так чому ж дивний описаний вище експеримент? Чи гідний він рідкісних людей, які вміють бачити дивне в звичному і щиро, з чистого «дитячої» цікавості, що прагнуть дізнатися, як все є «насправді»?

Попереднє було сказано потім, що не дуже ясно – чи варто було Паунду і Ребке заново перевіряти за допомогою ефекту Мессбауера давно вивчений «червоний зсув». Я обмежуся тим, що висловлю докази «за» і «проти». Ось докази «проти».

Перший. До сих пір не було ні найменшої підстави сумніватися у висновках загальної теорії відносності, і тому було заздалегідь ясно, що результати експерименту, очевидно, будуть тривіальні, аж ніяк не дивні. Мало того: «червоний зсув» вже спостерігався експериментально і можна вважати, що цей висновок теорії підтверджений, принаймні, якісно.

Другий. Дослід, звичайно, можна було б зробити, якби експериментальна установка була досить проста, але читач, сподіваюся, вже вражений тією філігранністю роботи Паунда і Ребке, про яку в неясних рисах було розказано вище. Можна впевнено сказати, що дослід Паунда і Ребке не належить до числа витончених по простоті оформлення експериментів.

Третій. Коли експеримент настільки складний, дуже велика ймовірність якоїсь непередбаченої труднощі, і роки напруженої роботи (не кажучи вже про кошти, витрачені на установку) загрожують пройти даремно. Щось схоже, до речі , і сталося – автори не підозрювали, що їм доведеться термостатувати весь пристрій. На щастя, це виявилося можливим. Але ж ніхто не міг гарантувати успіх заздалегідь. У подібних випадках фізик ризикує, так само як мореплавець середніх віків, який іде в «море невідомості».

Ось докази «проти». А які ж кажуть «за»?

Перший. Можливо, що такий експеримент принесе славу. Втім, це дещо проблематично, тому що фізики в наші дні не дивуються, побачивши зайве підтвердження ефекту «червоного зсуву» і взагалі всієї теорії Ейнштейна.

Другий – і це, мабуть, головний аргумент. Експеримент цікавий. Дивний не за очікуваними підсумками, а сам по собі. Можна наводити сотні доказів «проти», можна доповнити наш список ще більш вагомими запереченнями, можна говорити все що завгодно. Але експеримент цікавий. І потім, хто знає, може бути, може бути … звичайно, немає ніяких, абсолютно ніяких підстав очікувати що-небудь подібне … але все ж, може бути, результат буде несподіваним!

Ось приблизно таким представляється стан речей, яким він був перед дослідом. Коли експеримент був зроблений, виявилося, що формула теорії для «червоного зсуву» підтверджується з точністю, щонайменше, чотирьох відсотків. Чи потрібно це робити і взагалі, чи варто було ламати списи, щоб отримати заздалегідь очікуваний результат? Судіть самі…

Автор: В. Андрєєва.