26. Чем ниже, тем моложеОбитатели верхних этажей высоток стареют быстрее, чем жильцы первого этажа
Я не могу договариваться с тобой о времени – твое время отличается от моего.
Обитатели верхних этажей высотных зданий стареют быстрее, чем те, кто живет на первом этаже. Это следствие теории гравитации Эйнштейна и общей теории относительности, которая утверждает, что время течет медленнее в сильном гравитационном поле. Так как первый этаж высотки ближе к центру Земли, чем верхние этажи, сила тяготения на первом этаже слегка больше, и поэтому время течет там чуть-чуть медленнее (и если вы хотите прожить дольше, переезжайте жить в деревню!)[87].
Такое замедление времени под действием силы тяжести ничтожно, для его обнаружения требуются сверхчувствительные атомные часы. Этот невероятно малый эффект удалось измерить в 2010 году физикам из Национального института стандартов и технологий в США: они разместили сверхточные атомные часы на двух соседних ступенях лестницы и показали, что время течет по-разному для двух людей, стоящих на этих ступенях[88].
Почему в сильном поле гравитации мы стареем медленнее? Гениальность Эйнштейна в 1915 году проявилась в том, что он понял: гравитации не существует, это всего лишь иллюзия. В это надо постараться вникнуть. Представьте, что вы просыпаетесь в ракете, которая летит в пустом пространстве с ускорением 1g. Вы можете спокойно пройтись по полу, точно так же, как если бы находились на Земле. Если занавески на окнах опущены и вам невдомек, что вы летите в ракете, вы вполне можете подумать, что проснулись в кабине, стоящей на поверхности Земли.
Эйнштейн открыл удивительную истину, связанную с гравитацией: гравитация есть ускорение. В этот самый момент вы думаете, что вас притягивает сила гравитации, а на самом деле вы просто двигаетесь с ускорением и не замечаете этого.
Стоп. Как такое возможно?
Мысленно погрузимся снова в ракету. Пусть у вас с собой есть лазер и вы пускаете луч в горизонтальном направлении, слева направо. Внимательно присмотревшись, можно обнаружить, что точка на правой стене ракеты, куда попал луч лазера, находится немного ближе к полу, чем исходная точка, откуда луч стартовал. Объясняется это тем, что за время прохождения светового луча от стенки до стенки кабины пол переместился вверх по отношению к лучу, двигаясь с ускорением 1g. Вы все еще не знаете, что летите в ракете с ускорением. Вы думаете, что испытываете силу тяжести, находясь в каюте на Земле. Но как тогда вы объясните тот факт, что световой луч слегка искривился по направлению к полу?
Расстояние между двумя точками свет всегда проходит по наикратчайшему пути. Этот факт общеизвестен. Кратчайший путь между двумя точками для путешественника, идущего по ровной местности – прямая линия. Совсем другое дело, если вы идете по пересеченной местности. Самый короткий путь может оказаться довольно извилистым (и будет выглядеть таковым с высоты птичьего полета). Тот факт, что луч лазера проследовал по искривленной траектории от стенки до стенки вашей каюты, может натолкнуть вас на мысль, что пространство искажено или изогнуто, как холмистый пейзаж. А поскольку вы считаете, что находитесь в гравитационном поле, это означает, что гравитация изгибает пространство. Гравитация – это искривленное пространство, догадался Эйнштейн.
Но еще в 1905 году Эйнштейн сделал открытие, что пространство и время неразрывно связаны в единую субстанцию – пространство-время. Значит, гравитация суть искривленное пространство-время. Мы этого не осознаем по той простой причине, что пространство-время – четырехмерная структура, а мы в ней занимаем скромное место, будучи всего лишь трехмерными объектами. Понадобился гений ранга Эйнштейна, чтобы понять истинную природу вещей.
Таким образом, настоящая причина того, почему мы ходим по поверхности Земли, а не парим в воздухе, заключается в том, что пространство-время вокруг Земли изогнуто. Как будто мы вместе с Землей очутились в ложбине пространственно-временно́го ландшафта. Мы бы и дальше падали вниз под действием ускорения, пробив дно лощины, но путь нам преграждает поверхность Земли. Эта поверхность прикладывает к нам силу снизу вверх, а мы воспринимаем эту силу как гравитацию.
Итак, гравитация – это деформированное пространство-время. Это означает, что не только пространство вынуждено подчиняться воле гравитации, изгибая пути световых лучей, но и время начинает вести себя странным образом. И вот здесь – наконец-то! – мы начинаем понимать, почему время замедляется под действием гравитации.
Представьте себе воображаемые «часы», конструкция которых основана на двух зеркалах, поставленных параллельно друг другу. Между этими зеркалами, поочередно отражаясь, носится туда-сюда лазерный луч. При каждом отражении от зеркала часы «тикают». Если часы находятся на Земле, траектория света не прямая, а слегка изогнутая – гравитация искривляет направление движения света.
Пусть у нас одни такие часы расположены выше, а другие ниже, ближе к поверхности Земли. Для нижних часов гравитационное поле несколько больше, чем для верхних, так как они ближе к центру притяжения Земли. Это значит, что свет в нижних часах будет идти по более изогнутой траектории, чем в верхних. Но чем более изогнутой является траектория, тем большее расстояние надо преодолеть свету между двумя зеркалами и, соответственно, тем больше времени ему понадобится для этого. Из этого следует, что нижние часы тикают медленнее верхних. Другими словами, время в условиях сильной гравитации течет медленнее.
Представьте себе часы, которые «тикают» каждый раз, когда световой луч проходит между двумя зеркалами. Ближе к источнику массы, такому как Земля, где гравитация сильнее, пространство более изогнуто. Поэтому свету требуется больше времени, чтобы пройти между зеркалами. Гравитация замедляет время.
Этот базовый принцип лежит в основе устройства всех часов. Если гравитационное поле влияет на эти часы, оно должно влиять и на все остальные. Время замедляется в гравитационном поле – этот вывод обязателен для всех типов часов.
Вы можете подумать, что этот эффект не имеет отношения к повседневной жизни и интересен только для специалистов, но это не так. Навигаторы и смартфоны определяют наше местоположение относительно целой сети спутников GPS, которые вращаются вокруг Земли по сильно вытянутым орбитам. Время для бортовых часов этих спутников замедляется, когда спутники приближаются к планете и попадают в более сильное поле тяготения. Наши электронные устройства не могли бы точно определять местоположение относительно спутников GPS, если бы они не компенсировали этот эффект.
Сами того не подозревая, мы каждый день принимаем участие в экспериментах по проверке общей теории относительности Эйнштейна. Если бы теория была не верна, ошибки определения местоположения с помощью системы GPS каждый день нарастали бы на 50 метров. На самом деле и через десять лет точность измерений будет сохраняться в пределах 5 метров, показывая, насколько точна общая теория относительности[89].
Замедление времени незначительно в слабых гравитационных полях, но в условиях повышенной гравитации этот эффект может стать очень существенным. Мы знаем, что самые сильные источники гравитации – это черные дыры, бездонные ямы в пространстве-времени, образовавшиеся в результате катастрофического сжатия массивных звезд в самом конце их эволюции. За горизонтом событий черной дыры – точкой невозврата попавшего туда света или любого вещества – время замедляется настолько по отношению к остальному космосу, что гипотетический наблюдатель, смотрящий из-под горизонта событий, увидел бы, как все будущие события Вселенной мелькают перед его глазами в ускоренном темпе, как будто незримый киномеханик прокручивает киноленту вперед с бешеной скоростью.
27. Как взорвать комараНаша невообразимая и незаметная мощь
Десятки тысяч устройств в десятках тысяч мест приводят в действие машины в промышленности и в быту – и все благодаря тому, что мы узнали, что такое электромагнетизм.
У меня в руках пустая банка из-под варенья. Я часто беру ее с собой на выступления и в нужный момент поднимаю и говорю: «Я принес с собой Терри, моего комара. Все ли его видят? Он довольно маленький». После лекции некоторые подходят ко мне и спрашивают, действительно ли я держу в банке комара в качестве домашнего питомца. Другие, не без иронии, выражают озабоченность по поводу комариного комфорта: «Вы уверены, что в банке достаточно воздуха и он не задохнется?»
Я показываю слушателям банку из-под варенья не просто так. Я говорю, что Терри, как и любой из нас, состоит из атомов. Атом, как мы учили в школе, состоит из ядра и электронов, а его строение похоже на строение Солнечной системы – электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Ядро имеет положительный электрический заряд, а электроны – отрицательный. Разные заряды обладают тем свойством, что притягивают друг друга, и именно эта сила притяжения склеивает атом в единое целое.
В этом месте своего повествования я задаю слушателям вопрос: что произойдет, если вдруг, по мановению волшебной палочки, отнять у Терри все электроны? В нем остались бы только положительно заряженные ядра, а заряды одного знака имеют свойство отталкивать друг друга. Моего Терри разнесло бы в клочья. Возникает вопрос: какова будет сила взрыва и какая при этом выделится энергия? Я предлагаю публике четыре варианта ответа: взрыв комара будет похож на…
1) бенгальский огонь;
2) динамитный патрон;
3) водородную бомбу;