Читать книгу "Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер"

Мы до сих пор почитаем Бора как одного из основоположников квантовой физики. И по-прежнему преподаем модель Бора студентам; это простой и убедительный способ начать знакомство с исследованиями квантового поведения. (Мало кто из профессоров при этом указывает, что теория Бора дает неверные предсказания; не хочется, чтобы студенты знали – интуитивно понятная и простая модель ошибочна; по крайней мере, пока уровень их физического образования не продвинется хотя бы немного.) Когда-нибудь мы станем так же относиться к Дираку, Фейнману и их притянутым за уши теориям антивещества.

Фальсификация космологического происхождения времени. Часть I

Можно ли назвать фальсифицируемой космологическую теорию происхождения времени – включая создание нового времени Большим взрывом, течение времени и смысл понятия сейчас? В одном из возможных способов проверить это используется открытие о том, что расширение Вселенной ускоряется и она увеличивается в размерах со все большей скоростью. Время связано с пространством, это четвертое измерение в системе пространства-времени, поэтому естественно ожидать, что скорость хода времени тоже увеличивается. Это означает, что часы сегодня идут быстрее, чем вчера, и они демонстрируют космологическое ускорение времени. Можно ли как-нибудь зарегистрировать и измерить это?

В принципе, да: изменчивость скорости хода вселенского времени можно заметить, если посмотреть на какие-нибудь далекие часы.

Вспомните, что небольшую разницу в скорости хода часов удалось зарегистрировать в эксперименте Паунда и Ребки с вертикальным гамма-лучом, когда впервые наблюдалось замедление времени в результате действия гравитации. Подобное замедление времени было отмечено также в авиационном эксперименте Хафеле−Китинга, зафиксировавшем, что часы на большой высоте идут быстрее, чем на поверхности Земли, – и медленнее из-за эффекта скорости. Разница эта ежедневно видна в работе системы GPS, куда для компенсации этого временного эффекта приходится вводить поправки. Влияние силы тяготения на время заметно и при измерении спектральных линий на поверхности белых карликов; они демонстрируют сдвиг частоты из-за растяжения времени, потому что сильные гравитационные поля замедляют время на их поверхности.

В принципе, любой из этих экспериментов мог обнаружить также и ускорение времени. Сигналы испускаются в один момент времени, проходят сквозь пространство и принимаются позже. Большая часть наблюдаемых эффектов при этом будет обусловлена гравитационным потенциалом и допплеровским сдвигом, но некоторое превышение дает и космологическое ускорение времени. Эффект не должен зависеть от направления: всегда будет красное смещение (то есть уменьшение частоты); это значит, что наблюдаемая скорость хода из прошлого должна всегда быть меньше скорости хода настоящих часов. Эксперимент Паунда и Ребки показал увеличение частоты для гамма-лучей, идущих вертикально вниз, и показал бы (предположительно) космологическое ускорение времени для гамма-лучей, идущих вертикально вверх; космологическое ускорение времени снизило бы частоту тех и других лучей.

Мы могли бы также поискать аномальное красное смещение у далеких галактик. Галактики, для которых ускорение измерено наиболее точно, испустили свой свет около 8 миллиардов лет назад. Согласно наблюдениям, их скорость отличается от скорости хаббловского расширения примерно на 4 %. Эти галактики отстоят от нас на 8 миллиардов световых лет и удаляются от нас (расстояние увеличивается) со скоростью, равной 40 % скорости света. Часть этой скорости, обусловленная ускорением времени, составляет примерно 2 % скорости света.

Конечно, все далекие галактики и без того демонстрируют красное смещение, но мы приписываем его расширению пространства; тому, что расстояние до них стремительно увеличивается. Это закон Хаббла. Как же отличить красное смещение, обусловленное расширением, от красного смещения, обусловленного космологическим замедлением времени? Один из способов сделать это – отдельно измерить меняющееся расстояние, причем так, чтобы измерение не зависело от обусловленного скоростью красного смещения. Если бы мы знали скорость изменения расстояния, то понимали бы, какая доля красного смещения обусловлена расширением и какая его часть вызвана космологическим замедлением времени.

Прежде чем искать способ это проделать (то есть такой, посредством которого подобное измерение можно было бы завершить при нашей жизни), давайте рассмотрим, можно ли провести такой эксперимент в принципе – если бы у нас были неограниченные ресурсы и терпение. Предположим, мы имели бы на исследование миллиард лет. Не могли бы мы просто посмотреть, с какой скоростью удаляется от нас та или иная галактика, не опираясь на обусловленное скоростью красное смещение? Мы могли бы попытаться найти в галактике «стандартную линейку» – например, размер звезды известного типа – и понаблюдать, как видимая величина этой линейки изменяется со временем, получив таким образом независимую оценку скорости ее удаления. Или мы, может быть, выявили какой-то свет (микроволновое излучение?), который отражается от этой галактики. Цель – отделить красное смещение, обусловленное скоростью расширения, от красного смещения, которое зависит также от собственного замедления времени.

Здесь есть ловушка. Современные представления о расстоянии прочно связаны с измерением времени. Сейчас мы определяем длину метра как расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Такое определение означает, что свет или любая по-настоящему лишенная массы частица движется сквозь пустое пространство со скоростью ровно 299 792 458 м/с. Никакое экспериментальное измерение ни при каких обстоятельствах не сможет определить скорость света более точно! Причина определения единицы длины таким образом кроется не в нашей лени; оказывается, очень трудно предложить хорошее определение метра, и ничего лучше просто не удалось найти. Это определение пришло на смену старому методу, когда стандарт длины зависел от эталонного метрового стержня, который держали в специальном хранилище Парижа. Но если в той отдаленной галактике, о которой идет речь, часы идут медленнее (по сравнению с нашими часами), то и эталон – стандартный метровый стержень на одной из планет этой галактики – окажется длиннее, поскольку свет за каждую секунду там успевает пройти большее расстояние. Это означает, что мера длины, определенная по эталонному стержню, будет иной. Получается, что космологическое замедление времени можно спутать с изменением скорости расширения Вселенной.

Вообще говоря, при взгляде на уравнения модели Леметра возникает впечатление, что эта проблема нерешаемая; по крайней мере, в той степени, в которой точен космологический принцип (идеально однородная Вселенная). Может оказаться, что не существует способа отличить расширение пространства от расширения времени. Разумеется, Вселенная не полностью однородна; космологический принцип – всего лишь приближение, позволяющее проводить вычисления и находить решения в рамках простого (для физиков) математического выражения. Может быть, нам удастся воспользоваться неоднородностью пространства, чтобы выявить ускорение времени. Вероятно, это ускорение можно выявить локально; в ходе эксперимента Паунду и Ребке (с гамма-лучами, направленными вертикально вниз с башни) удалось зарегистрировать сдвиг (девиацию) частоты на всего лишь одну миллионно-миллиардную долю (10−15). У меня пока нет никаких практических предложений на этот счет. Немного утешает лишь то, что Дирак, предлагая свой позитрон, тоже считал, что не существует способа обнаружить такую частицу в обозримом будущем.