Верны ли теории Эйнштейна? (часть 2)
Как известно, многие страны мира, включая и Германию, объявили нынешний год годом Эйнштейна – в связи со столетним юбилеем публикации им в журнале «Анналы физики» 4-х небольших статей, которым было суждено совершить подлинный переворот в науке и самым радикальным образом изменить наши представления о Вселенной. Все эти 4 статьи были напечатаны в 1905-м году. В честь сотой годовщины столь эпохального события и в ознаменование другой круглой даты, также отмечаемой в текущем году, – пятидесятилетия со дня смерти великого физика – по всему миру проходит множество конференций, семинаров, симпозиумов и выставок. Но, к счастью, дело не исчерпывается разного рода церемониями, презентациями и прочими торжественными мероприятиями. Ведь научное наследие Эйнштейна вызывает не только исторический интерес, оно ещё и сегодня продолжает активно обсуждаться и порождает жаркие дискуссии среди учёных. Многие из них, воспользовавшись нынешним юбилеем как удобным поводом, планируют или уже реализуют проекты, цель которых – внести ясность в некоторые всё ещё не до конца понятые феномены и явления, произвести с максимально возможной на сегодняшний день точностью ряд измерений с тем, чтобы экспериментально подтвердить – или опровергнуть – теоретические расчёты гениального физика. Об одном из таких проектах, связанном с попыткой обнаружить предсказанные Эйнштейном гравитационные волны, мы недавно уже рассказывали. Сегодня речь пойдёт об аномалиях в поведении маятника во время солнечных затмений и о том, по праву ли скорость света считается универсальной константой.
Когда сто лет назад молодой Эйнштейн опубликовал свои сенсационные статьи, значение и смысл его умозаключений поняли и по достоинству оценили лишь немногие специалисты; широкой общественности высказанные им гипотезы и теории представлялись совершенно нелепыми. Ситуация разом изменилась в 1919-м году, когда во время солнечного затмения учёным впервые удалось наблюдать отклонение светового луча в гравитационном поле. Это стало убедительным подтверждением Общей теории относительности и мгновенно прославило её автора. И вот теперь группа физиков вознамерилась доказать, что эта теория отнюдь не является истиной в последней инстанции. Примечательно, что дать ответ на вопрос, кто прав, предстоит опять же солнечному затмению.
30-го июня 1954-го года французский инженер Морис Алле (Maurice Allais), будущий лауреат Нобелевской премии по экономике, а на тот момент сотрудник Высшей национальной школы рудного дела в Париже, проводил серию опытов с так называемым параконическим маятником. Учёный надеялся нащупать взаимосвязь между земным магнетизмом и гравитацией. Случайно один из экспериментов совпал по времени с солнечным затмением – и тут маятник внезапно повёл себя очень странно. Нидерландский физик Крис Дёйф (Chris Duif), научный сотрудник Технологического университета в Делфте, рассказывает:
Пока над Францией продолжалось затмение, маятник вёл себя совершенно непредсказуемо, произвольно меняя плоскость качания. Эйнштейновская теория гравитации этот эффект объяснить не могла. Спустя пять лет, в 1959-м году, Морис Алле повторил свои измерения и снова наблюдал тот же самый эффект.
Со времен знаменитых опытов, поставленных французским физиком Жаном Бернаром Леоном Фуко (Jean Bernard Leon Foucault) в Пантеоне в Париже в 1851-м году, известно, что плоскость свободного качания маятника медленно поворачивается относительно пола. Вернее, так воспринимает происходящее стоящий рядом наблюдатель; на самом-то деле плоскость качания как раз неподвижна, это пол медленно уплывает из-под маятника, что доказывает суточное вращение Земли. В экспериментах Мориса Алле всё именно так и происходило, но лишь до начала солнечного затмения. Едва Луна заслонила Солнце, как плоскость качания маятника внезапно сдвинулась назад, словно подчиняясь какой-то неведомой силе. С тех пор ныне уже 94-летний учёный-экономист твёрдо убеждён, что Общая теория относительности либо вообще неверна, либо весьма несовершенна. Впрочем, его мнение разделяют немногие: подавляющее большинство физиков всё же не спешат развенчивать Эйнштейна и ищут необычному феномену какое-нибудь простое объяснение. В 2002-м году за решение этой проблемы взялась даже группа экспертов Европейского космического агентства:
В своём отчёте они пришли к заключению, что эти аномалии объясняются воздействиями внешней среды. Например, сотрясениями почвы, вызванными автотранспортом или случайными прохожими. Или, скажем, колебаниями атмосферного давления вследствие резкого похолодания. Или несовершенством измерительной аппаратуры. Однако на самом деле ни один из этих факторов не может удовлетворительно объяснить эффект, который наблюдался Морисом Алле.
Сам Крис Дёйф вот уже 20 лет занимается возможными отклонениями от Общей теории относительности. Он не сомневается в правильности измерений Мориса Алле. Весь ход его экспериментов подробнейшим образом задокументирован в полном соответствии с принятыми в науке стандартами. Кроме того, несколько других групп исследователей позднее зарегистрировали такие же аномалии. В 1961-м году их описали трое румынских учёных. В 1970-м году Эруин Саксл (Erwin Saxl), основатель компании «Tensitron», и Милдред Аллен (Mildred Allen), научная сотрудница колледжа Маунт Холиоук, штат Массачусетс, поставили серию опытов, наблюдая за поведением до, во время и после затмения совсем другого – так называемого торсионного – маятника, и также отметили при этом ряд существенных аномалий. Впрочем, Дёйф признаёт, что подобные аномалии проявляются не при каждом солнечном затмении – но это лишь делает загадку ещё более интересной в его глазах. Он внимательно изучил отчёт специалистов Европейского космического агентства, проанализировал все предложенные ими объяснения и пришёл к однозначному выводу:
Совершенно очевидно, что никакими локальными внешними воздействиями результаты экспериментов Алле объяснить невозможно. А с тем, что они не укладываются в теорию Эйнштейна, согласится любой непредвзятый физик. Значит, этот загадочный феномен заслуживает того, чтобы изучить его более внимательно.
Поскольку ни один из авторитетных учёных, пользующихся весом в научном мире, до сих пор не выказал желания всерьёз взяться за столь щекотливую тему, все надежды Алле, Дёйфа и их единомышленников обращены к независимому британскому исследователю Томасу Гуди (Thomas Goodey) из Брентфорда. Он долгие годы преподавал математику в Кембридже, однако сегодня не связан с какими-либо научными учреждениями. В ближайшие 2-3 года учёный намерен провести обширную серию высокоточных экспериментов в разных частях света и раз и навсегда ответить на волнующий его вопрос. Для этого Гуди понадобятся 12 идентичных параконических маятников. Несколько штук уже изготовлены и даже успели выполнить свою функцию – 8-го апреля во время кольцеобразного солнечного затмения в северо-западной части Южной Америки Гуди провёл первые эксперименты вместе с Эктором Мунерой (Héctor Múnera) из Национального университета Колумбии в Боготе. Следующее полное солнечное затмение Гуди встретит 3-го октября в Португалии вместе со своим тамошним коллегой Жозе Боржишом ди Алмейдой (José Borges de Almeida), сотрудником университета Минью в Браге. Затем на очереди солнечное затмение 22-го сентября 2006-го года – Гуди отправится на остров Святой Елены в южной части Атлантики. А в промежутках – лунные затмения, вызывающие, по мнению Дёйфа и его сторонников, хоть и более слабый, чем солнечные, но всё же вполне явственный эффект, который, может быть, удастся зарегистрировать. Тем более что сегодняшняя измерительная аппаратура позволяет получать в десятки раз более высокое разрешение, чем это было возможно полвека назад. Впрочем, об Общей теории относительности Эйнштейна Дёйф говорит всё же осторожно:
Ошибочной она, видимо, не является. Но похоже, что она нуждается в некотором дополнении. Первые шаги в этом направлении уже сделаны – предложена, например, теория струн, включающая в себя Общую теорию относительности, как Общая теория относительности включила в себя ньютоновскую механику. Я ничуть не удивлюсь, если в рамках этой новой обобщённой теории найдут объяснение и те гравитационные аномалии, которые наблюдаются во время солнечных затмений.
Дёйф надеется, что решение этой проблемы заодно позволит разгадать и другую загадку. В 1998-м году специалисты Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, штат Калифорния, обнаружили, что курс запущенных около 25-ти лет назад и находящихся на окраине Солнечной системы космических аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11» медленно но верно отклоняется от расчётного. Было установлено, что помимо обычного ускорения, вызванного притяжением Солнца и убывающего обратно пропорционально квадрату расстояния до светила, аппараты испытывают ещё и некое дополнительное ускорение, направленное строго на Солнце. Самым неожиданным и весьма странным свойством этого аномального ускорения оказалось его постоянство: по мере удаления аппаратов от Солнца величина ускорения не изменялась. Расчёты показали, что никакими известными факторами, будь то гравитационное воздействие пояса астероидов, утечка газа или давление солнечного ветра, объяснить это загадочное ускорение невозможно. Некоторые учёные полагают, что обнаружение такого ускорения неизвестной природы свидетельствует о наличии небольшой по величине, но весьма важной ошибки в теории гравитации. В частности, израильский физик Мордехай Мильгром (Mordehai Milgrom), сотрудник научно-исследовательского института имени Вейцмана в Реховоте, высказал гипотезу о том, что гравитация связана обратно пропорциональной зависимостью с расстоянием лишь там, где она велика; там же, где она мала, она убывает медленнее, чем растёт квадрат расстояния. Такая поправка, внесённая в теорию гравитации, позволит заодно объяснить и закономерности движения звёзд и галактик, не прибегая к гипотезе о существовании во Вселенной огромной массы невидимой – так называемой «тёмной» – материи. Возможно даже, что это откроет путь к объединению Общей теории относительности с квантовой механикой. По мнению Дёйфа, все эти аномалии, скорее всего, взаимосвязаны самым непосредственным образом, поскольку наличие целого ряда непонятных и при этом независимых эффектов представляется маловероятным.
Между тем, в научном мире не прекращаются покушения и на Специальную теорию относительности. Как известно, она базируется на постулате постоянства скорости света – вне зависимости от того, перемещается ли источник света в пространстве или же неподвижен. И вот теперь британские исследователи вознамерились вновь самым тщательным образом проверить этот постулат. Бен Варкоу (Ben Varcoe), научный сотрудник университета Суссекса, говорит:
Мы хотим проверить, насколько Специальная теория относительности на самом деле отвечает реалиям, насколько она точна.
При этом физик не скрывает своей надежды если не низвергнуть Эйнштейна с пьедестала, то, по крайней мере, подкорректировать его:
Мы всё-таки ожидаем, что при достаточно высокой точности измерений законы, сформулированные Эйнштейном, окажутся верными не на все 100 процентов.
Если Варкоу действительно удастся зарегистрировать хотя бы ничтожно малое отклонение от эйнштейновской теории, это станет настоящей революцией не только в физике, но и во всём естествознании. И всем нашим представлениям об окружающем мире потребуется новый фундамент.
Мы используем очень старую схему эксперимента, основанную на применении интерферометра. Несколько упрощая, можно сказать, что этот прибор состоит из двух трубок одинаковой длины, расположенных под прямым углом друг к другу. Луч лазера разделяется на два когерентных луча, каждый из которых направляется в свою трубку, в конце которой установлено зеркало. Отражённые лучи сводятся вместе, образуя интерференционную картину. Согласно Эйнштейну, как бы ни были ориентированы трубки относительно направления движения Земли, свет будет распространяться во все стороны с одинаковой скоростью. Вот это мы и собираемся проверить, с максимально возможной точностью измеряя время прохождения лучей.
В физике двухлучевые интерферометры уже давно используется очень широко, поскольку позволяют регистрировать и измерять самые ничтожные изменения расстояния. Впрочем, на сей раз британские физики несколько видоизменили привычный прибор:
В наших измерениях мы используем методику, получившую название «медленный свет». Ведь обычно скорость света составляет почти 300 тысяч километров в секунду. Мы же как бы тормозим свет, снижаем его скорость до 7-ми метров в секунду.
Объяснять физическую природу этого эффекта здесь не место, достаточно сказать, что в интерферометре британских исследователей модулированные лучи лазера распространяются не в вакууме, а в парах рубидия. В результате скорость передачи сигнала, наложенного на лазерный луч, оказывается равной средней скорости велосипедиста. Этот трюк существенно повышает точность измерений в условиях лаборатории. Бен Варкоу поясняет:
Если длина трубки вашего интерферометра составляет один метр, то свету для преодоления этого расстояния в оба конца потребуется всего несколько наносекунд, то есть несколько миллиардных долей секунды. А если затормозить свет до 7-ми метров в секунду, то ему на тот же путь понадобится примерно треть секунды. Иными словами, наш трюк позволяет нам на компактном приборе, легко помещающемся в лаборатории, добиться той же точности измерения, для которой обычно понадобился бы интерферометр с трубками длиной в несколько тысяч километров.
Ведь чем длиннее трубки интерферометра, тем выше его чувствительность и тем более точные измерения он позволяет производить. Таким образом, Бену Варкоу и его коллегам удалось создать сверхпрецизионный и очень компактный прибор. А сами измерения основаны на том, что Земля обращается вокруг Солнца.
Земля обращается вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. А Солнце вместе с планетами перемещается во Вселенной со скоростью 400 километров в секунду. Это означает, что какую-то часть года Земля летит в пространстве гораздо быстрее Солнца, а полгода спустя – гораздо медленнее.
Одну трубку интерферометра учёные направили строго в направлении движения Земли. В ней луч лазера должен в полной мере воспринять изменения скорости планеты – если, конечно, такое влияние вопреки Эйнштейну всё же имеет место. А вторая трубка расположена перпендикулярно к первой, и на луч лазера в ней изменения скорости Земли никак не должны сказаться. Произведённые до сих пор измерения с точностью до 15-го знака после запятой никаких отклонений от теории Эйнштейна не выявили. Цель Варкоу – повысить точность измерений до 30-го знака после запятой. Результаты учёный планирует опубликовать в конце года.