Глава двенадцатая

Ограничения скорости

В жизни встречаются вещи, которые могут летать быстрее пули – в том числе космические корабли или, скажем, Супермен. Однако никто и никогда не движется быстрее света в вакууме. Никто и никогда. Хотя свет, конечно, движется очень быстро, скорость его не бесконечна. А поскольку у света есть скорость, астрофизики знают, что заглядывать очень-очень далеко в пространстве – это все равно что смотреть в прошлое. И если достаточно точно оценить скорость света, можно приблизиться к хорошей оценке возраста Вселенной.

Все это играет роль не только в космических масштабах. Конечно, когда щелкаешь выключателем, не приходится долго ждать, пока свет достигнет пола. Однако в одно прекрасное утро, когда сидишь и завтракаешь и хочется подумать о чем-нибудь новом и интересном, можно поразмышлять над тем, что видишь собственных детей, которые сидят напротив, не такими, каковы они сейчас, а такими, каковы они были когда-то – примерно три наносекунды назад. Казалось бы, сущая ерунда, однако если понаблюдать за детишками в соседней галактике Андромеда, то пока разглядишь, как они едят свои кукурузные хлопья, дети постареют на два с лишним миллиона лет.

Если отбросить знаки после запятой, то скорость света в вакууме составляет 299 792 километра в секунду. Чтобы получить эту величину с такой точностью, потребовались столетия кропотливой работы. Однако мыслители задумывались о природе света задолго до того, как научные методы и инструменты достигли нынешних высот: что есть свет – свойство воспринимающего глаза или эманация предмета? Это волна или поток частиц? Свет перемещается или просто возникает? А если перемещается, то насколько далеко и с какой скоростью?

* * *

В середине V века до н. э. философ, поэт и ученый Эмпедокл, далеко опережавший свое время, задался вопросом, не может ли быть такого, что свет перемещается с некой скоростью и ее можно измерить. Однако миру пришлось дожидаться Галилея, который был сторонником эмпирического подхода к приобретению знаний. Он-то и поставил эксперимент, позволивший, так сказать, пролить свет на этот вопрос.

Об этом эксперименте Галилей писал в своей книге «Математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки», вышедшей в 1638 году. Темной ночью два человека, взяв по горящему светильнику, которые можно быстро заслонять и открывать, стоят далеко друг от друга, но так, чтобы оставаться в зоне видимости. Первый быстро открывает и снова заслоняет свет своего светильника. Второй, завидев этот свет, в тот же миг открывает и снова заслоняет свой светильник. Проделав этот опыт всего один раз на расстоянии меньше мили, Галилей пишет:

Мне удалось произвести его лишь на малом расстоянии… почему я и не мог убедиться, действительно ли появление противоположного света совершается внезапно. Но если оно происходит и не внезапно, то, во всяком случае, с чрезвычайной быстротой, почти мгновенно…

(Пер. С. Долгова)

Доводы Галилея были весьма разумны, тут спорить не приходится, однако они с помощником стояли слишком близко друг к другу, чтобы замерить время, за которое свет проходит от одного наблюдателя к другому, особенно если учесть, как несовершенны были тогдашние хронометры.

Прошло несколько десятков лет, и датский астроном Оле Рёмер поставил более точный эксперимент – он наблюдал орбиту Ио, ближайшего спутника Юпитера. Астрономы следят за движением спутников вокруг этой планеты-гиганта с января 1610 года, когда Галилей увидел в свой новенький телескоп четыре самых крупных и ярких из этих небесных тел. Годы наблюдений показали, что для Ио средняя продолжительность одного оборота – интервал, который легко замерить, с момента исчезновения спутника за Юпитером до момента следующего его исчезновения, – составляла всего около 42,5 часов. А Рёмер обнаружил, что когда Земля находится ближе к Юпитеру, Ио исчезает примерно на 11 минут раньше ожидаемого, а когда Земля находится дальше всего от Юпитера, Ио исчезает примерно на 11 минут позднее.

Рёмер рассудил, что положение Земли относительно Юпитера едва ли влияет на поведение Ио на орбите, поэтому, как видно, в неожиданных отклонениях повинна скорость света. Выходит, этот диапазон в 22 минуты и составляет время, за которое свет проходит диаметр земной орбиты. Из этого предположения Ремер вывел скорость света примерно в 210 000 километров в секунду. Это всего на 30 % отличается от верного ответа, что очень неплохо для первой оценки в истории и уж точно гораздо лучше, чем галилеево «почти мгновенно».

Практически все оставшиеся сомнения в ограниченности скорости света снял Джеймс Брэдли, третий Королевский астроном Великобритании. В 1725 году Брэдли систематически наблюдал звезду под названием Гамма Дракона и отметил сезонный сдвиг в позиции звезды на небосклоне в зависимости от времени года. На то, чтобы разобраться, что происходит, у Брэдли ушло три года, однако в конце концов он объяснил сдвиг сочетанием постоянного движения Земли по орбите с конечной скоростью света. Так и получилось, что Брэдли открыл аберрацию звездного света.

Поясню на примере. Идет дождь, вы сидите в машине в огромной пробке. Вам скучно, поэтому вы (а как же иначе?) высовываете из окна большую пробирку и ловите туда дождевые капли. Если ветра нет, дождь падает вертикально, и если вы хотите собрать как можно больше воды, то держите пробирку в вертикальном положении. Капли попадают в нее сверху и падают прямо на дно.

Наконец пробка рассасывается, и ваша машина снова разгоняется до допустимой скорости. Опыт учит вас, что вертикально падающий дождь теперь будет оставлять на боковых окнах машины косые потеки. Теперь, если вы хотите набрать побольше воды, придется наклонять пробирку под тем углом, который соответствует дождевым потекам на стекле. Чем быстрее движется машина, тем больше угол.

В этом примере движущаяся Земля – это движущаяся машина, телескоп – это пробирка, а попадающий в него солнечный свет можно уподобить падающим дождевым каплям, поскольку движется он не мгновенно. А значит, чтобы поймать звездный свет, нужно наклонить телескоп под соответствующим углом, нацелить его не прямо на звезду на небосклоне, а немного в сторону. Может показаться, что наблюдение Брэдли отдает эзотерикой, однако он первым подтвердил – причем подтвердил не по индукции, а при помощи непосредственных измерений – две важные астрономические гипотезы: что скорость света конечна и что Земля движется по орбите вокруг Солнца. А кроме этого, Брэдли еще и измерил скорость света куда точнее – у него получилось 300 000 километров в секунду.

* * *

К концу XIX века физики уже прекрасно понимали, что свет, в точности как и звук, распространяется волнами, и предположили, что если звуковым волнам нужна какая-то среда, чтобы было где распространяться, например воздух, световым волнам тоже нужна какая-то среда. Иначе как волне распространиться по космическому вакууму? Эта загадочная среда получила название «светоносный эфир», и физик Альберт Майкельсон совместно с химиком Эдвардом Морли поставили перед собой задачу экспериментально подтвердить его существование.

Несколько раньше Майкельсон изобрел прибор под названием интерферометр. Одна из версий этого устройства расщепляет луч света и посылает две его половины в стороны под прямым углом. Каждая часть отражается от зеркала и возвращается на светоделитель, а тот снова смешивает два луча для анализа. Интерферометр дает экспериментатору возможность делать необычайно точные измерения любых отклонений скорости двух световых лучей – то есть, если хочешь обнаружить эфир, лучше установки не придумаешь. Майкельсон и Морли думали, что если направить один луч в сторону вращения Земли, а другой против, скорость первого луча будет складываться со скоростью движения Земли сквозь эфир, а скорость второго останется без изменений.

Так вот, M&M получили нулевой результат. То, что лучи были направлены в противоположных направлениях, вообще никак не сказалось на их скорости – и тот и другой вернулись на светоделитель в точности в одно и то же время. Движение Земли сквозь эфир не оказало ровным счетом никакого воздействия на измеряемую скорость света. Неловко вышло. Если предполагалось, что эфир способствует передаче света, а зарегистрировать это не удалось, может быть, никакого эфира вообще не существует? Оказалось, что свет распространяется сам по себе, для того чтобы луч переместился в вакууме из одной точки в другую, не нужны ни среда, ни колдовство. И светоносный эфир отправился на свалку истории, где уже покоились прочие научные идеи, не выдержавшие проверки временем.

Благодаря своей изобретательности Майкельсон еще и повысил точность измерения скорости света – у него получилось 299 982 километра в секунду.

* * *

Начиная с 1905 года исследования поведения света стали приносить поистине жутковатые результаты. В этому году Эйнштейн обнародовал специальную теорию относительности, согласно которой из нулевого результата M&M следовали поистине потрясающие выводы. Эйнштейн объявил, что скорость света в пустом пространстве – универсальная постоянная, которая не зависит ни от скорости движения источника света, ни от скорости человека, который производит измерения.

Предположим, Эйнштейн прав – и что же? Ну, например, если вы летите в звездолете со скоростью в половину скорости света и выпускаете луч света из прожектора на носу, то и мы с вами, и все прочие обитатели Вселенной, кому взбредет в голову измерить скорость луча, намеряем ровно 299 792 километров в секунду. Мало того – если вы зажжете прожектора по бокам, сверху и на хвосте своего звездолета, все мы по-прежнему намеряем ту же скорость.

В голове не укладывается.

Здравый смысл говорит, что если выстрелить из пистолета прямо по ходу движущегося поезда, скорость пули относительно земли будет равна скорости пули плюс скорость поезда. А если выстрелить назад против хода движения поезда, то скорость пули относительно земли будет равна ее скорости минус скорость поезда. Все это верно для пуль, однако, согласно Эйнштейну, не относится к свету.

Эйнштейн, конечно, был прав, и следствия из его теории поистине головокружительны. Если все, всегда и повсюду измеряют одну и ту же скорость луча света, выпущенного из воображаемого звездолета, это приводит ко множеству странностей сразу. Прежде всего, при увеличении скорости звездолета длина всего – и ваша, и ваших измерительных приборов, и самого звездолета – сокращается по направлению движения, и это видят все остальные. Более того, и время в вашей системе отсчета замедляется ровно настолько, чтобы вы, достав сократившуюся рулетку, простодушно намеряли ту же самую старую добрую постоянную скорость света – а иначе никак. Перед нами вселенский заговор на самом высшем уровне.

* * *

Методы измерений становились все совершеннее, и вскоре к скорости света добавлялись все новые и новые знаки после запятой. Более того, физики так замечательно научились играть в эту игру, что в конечном итоге бросили это занятие.

В единицы скорости всегда входят единицы расстояния и времени – ну, например, 50 миль в час или, скажем, 800 метров в секунду. Когда Эйнштейн приступил к работе над специальной теорией относительности, секунду уже удалось определить достаточно точно, а вот с определением метра была полная путаница. В 1791 году метр определили как одну десятимиллионную расстояния от Северного полюса до экватора по Парижскому меридиану. Затем точность пытались улучшить, и в 1889 году метр определили заново – как длину платиново-иридиевого эталона, который хранится в Международной палате мер и весов во французском городе Севре, измеренную при температуре таяния льда. В 1960 году основа для определения метра снова была изменена, а точность еще более повышена: 1 650 763,73 длины волны света, излучаемого в вакууме при невозмущенном переходе с энергетического уровня 2p10 на энергетический уровень 5d5 изотопа криптона-86. Если вдуматься, все очевидно.

Вскоре всем заинтересованным лицам стало очевидно, что скорость света можно измерить гораздо точнее, чем длину метра. Поэтому в 1983 году на Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение определить – не измерить, а именно определить – скорость света согласно ее самой последней, самой точной оценке: 299 792 458 метров в секунду. Иначе говоря, с тех пор определение метра поставлено в однозначную зависимость от скорости света: метр – это ровно 1/299 792 458 того расстояния, которое проходит свет в вакууме за одну секунду. И если завтра кто-то измерит скорость света еще точнее, чем в 1983 году, ему придется корректировать длину метра, а не скорость света.

Впрочем, не тревожьтесь. Если скорость света и будет уточнена, то поправки окажутся совсем крошечными и на длине вашей школьной линейки не скажутся. Если вы средний европеец, скорее всего, ваш рост по-прежнему будет немного меньше 1 м 80 см. А если вы американец, у вашего внедорожника расход топлива на сто километров будет по-прежнему кошмарным.

* * *

Пусть скорость света и представляет собой астрофизическую святыню, она не незыблема. Во всех прозрачных средах – в воздухе, воде, стекле и особенно в бриллиантах – воздух перемещается медленнее, чем в вакууме.

А вот скорость света в вакууме постоянна, а чтобы величина считалась настоящей постоянной, она должна оставаться прежней независимо от того, где, когда, как и почему ее измерили. Однако полиция, которая следит за соблюдением скорости света, никому на слово не верит и вот уже несколько лет ищет улики, подтверждающие, что за 13,7 миллиардов лет, миновавших после Большого Взрыва, скорость света все-таки менялась. В частности, ученые измерили так называемую постоянную тонкой структуры – сочетание скорости света в вакууме и нескольких других физических постоянных, в том числе постоянной Планка, числа пи и заряда электрона.

Полученная постоянная – это мера мелких сдвигов энергетических уровней атомов, которые влияют на спектры звезд и галактик. Поскольку Вселенная – это гигантская машина времени, где можно, поглядев на далекие объекты, увидеть далекое прошлое, любое изменение постоянной тонкой структуры со временем проявилось бы в наблюдениях над происходящим в космосе. У ученых есть веские причины считать, что ни постоянная Планка, ни заряд электрона не менялись, а значение пи уж точно незыблемо, поэтому, если возникнут какие-то несообразности, винить в них можно будет только скорость света.

Один из способов, которыми астрофизики подсчитывают возраст Вселенной, предполагает, что скорость света всегда была одной и той же, так что интерес к возможным отклонениям от этой величины в той или иной части Вселенной отнюдь не праздный. Однако по состоянию на январь 2006 года наблюдения и измерения не выявили ни малейших признаков того, что постоянная тонкой структуры когда-либо менялась в пространстве или во времени.