Из общей теории относительности следует, что чем сильнее гравитационное поле в заданной точке пространства, тем медленнее там течет время. Это значит, что всегда на больших небесных телах время течет медленнее, чем на малых. Если бы в мире не было материи, то не было бы и пространства и времени. Неотделимость времени от материи проявляется в существовании конкретной связи между массой и временем. Все процессы с массами происходят во времени, скорость же течения времени, в свою очередь, зависит от величины ближайших масс.
Рассмотрим теперь подробнее, как измеряется скорость течения времени на других небесных телах.
Атом каждого элемента излучает определенный присущий только этому элементу спектр света. Так, например, свет, излученный атомом водорода, состоит из четырех спектральных линий: первая из них имеет частоту 457 млн. Мгц (красная линия), вторая — 617 млн. Мгц (светло-синяя линия), третья — 691 млн. Мгц (темно-синяя линия) и, наконец, четвертая — с частотой 755 млн. Мгц (фиолетовая линия).
Рассмотрим теперь подробнее, как измеряется скорость течения времени на других небесных телах.
Атом каждого элемента излучает определенный присущий только этому элементу спектр света. Так, например, свет, излученный атомом водорода, состоит из четырех спектральных линий: первая из них имеет частоту 457 млн. Мгц (красная линия), вторая — 617 млн. Мгц (светло-синяя линия), третья — 691 млн. Мгц (темно-синяя линия) и, наконец, четвертая — с частотой 755 млн. Мгц (фиолетовая линия).
Из общей теории относительности следует, что чем сильнее гравитационное поле в заданной точке пространства, тем медленнее там течет время. Это значит, что всегда на больших небесных телах время течет медленнее, чем на малых. Если бы в мире не было материи, то не было бы и пространства и времени. Неотделимость времени от материи проявляется в существовании конкретной связи между массой и временем. Все процессы с массами происходят во времени, скорость же течения времени, в свою очередь, зависит от величины ближайших масс.
Рассмотрим теперь подробнее, как измеряется скорость течения времени на других небесных телах.
Атом каждого элемента излучает определенный присущий только этому элементу спектр света. Так, например, свет, излученный атомом водорода, состоит из четырех спектральных линий: первая из них имеет частоту 457 млн. Мгц (красная линия), вторая — 617 млн. Мгц (светло-синяя линия), третья — 691 млн. Мгц (темно-синяя линия) и, наконец, четвертая — с частотой 755 млн. Мгц (фиолетовая линия).
Если на Солнце время течет медленнее, чем на Земле, то это должно оказывать влияние и на атомы. На Солнце частота излучения атома определяется течением времени на Солнце, атом же, находящийся на Земле, излучает в соответствии с течением времени на Земле. Частота света, идущего от Солнца, поэтому должна отличаться от частоты излучения земных источников света. Рассмотрим этот вопрос конкретнее.
Рассмотрим теперь подробнее, как измеряется скорость течения времени на других небесных телах.
Атом каждого элемента излучает определенный присущий только этому элементу спектр света. Так, например, свет, излученный атомом водорода, состоит из четырех спектральных линий: первая из них имеет частоту 457 млн. Мгц (красная линия), вторая — 617 млн. Мгц (светло-синяя линия), третья — 691 млн. Мгц (темно-синяя линия) и, наконец, четвертая — с частотой 755 млн. Мгц (фиолетовая линия).
Если на Солнце время течет медленнее, чем на Земле, то это должно оказывать влияние и на атомы. На Солнце частота излучения атома определяется течением времени на Солнце, атом же, находящийся на Земле, излучает в соответствии с течением времени на Земле. Частота света, идущего от Солнца, поэтому должна отличаться от частоты излучения земных источников света. Рассмотрим этот вопрос конкретнее.
Рис. 56. Спектр водорода земного источника (верхняя полоса) по сравнению со спектром солнечного водорода (нижняя полоса). Для наглядности смещение линий нижнего спектра по отношению к верхнему увеличено в 10000 раз
Hα — красная спектральная линия; Hβ— светло-синяя; Нγ — темно-синяя ; Hδ —фиолетовая
Hα — красная спектральная линия; Hβ— светло-синяя; Нγ — темно-синяя ; Hδ —фиолетовая
Предположим, что атомы водорода на Солнце излучают свет, который совершает за одну солнечную секунду 4,57 • 1014 колебаний. Пусть этот свет достигает Земли и при этом его частота остается прежней. Так как на Земле время течет быстрее, чем на Солнце, то земная секунда короче солнечной. Тот самый свет, который на Солнце имел частоту, равную 4,57 • 1014 гц (т. е. за одну солнечную секунду совершал столько колебаний), на Земле будет иметь частоту, меньшую на 109 гц (т. е. за одну земную секунду будет совершать на 109 колебаний меньше). В то же время на Земле атомы водорода излучают свет с частотой 4,57 • 1014 гц. Таким образом, свет, излученный атомами водорода на Солнце, будет иметь меньшую частоту, чем свет, излученный атомами водорода на Земле. Так как с уменьшением частоты спектр света смещается «в красную сторону», то в спектре солнечного света все линии будут смещены в сторону более длинных волн по сравнению с линиями спектра, полученного в земной лаборатории. Сравнение спектров должно дать приблизительно такую картину, как на рис. 56, где верхняя полоса изображает линии спектра земного водорода, а нижняя — те же самые линии в спектре солнечного водорода. Для наглядности сдвиг линий увеличен приблизительно в 10000 раз.
Существует ли в действительности такое смещение спектральных линий? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сравнить спектр света, пришедшего до нас от Солнца или от других звезд, со спектром света земного источника. Трудность заключается в том, что смещение спектра может быть вызвано не только разницей в скорости течения времени, но рядом других причин. Если, например, звезда удаляется от нас, спектральные линии излученного ею света будут смещены в красную сторону; у приближающейся звезды, напротив, спектральные линии будут сдвигаться в фиолетовую сторону (эффект Допплера). Даже движение со скоростью несколько километров в секунду вызывает больший сдвиг спектральных линий, чем гравитационное смещение в спектрах таких звезд, как Солнце. Кроме того, атомы в звездных атмосферах движутся с очень большими скоростями — одни атомы в данный момент приближаются к нам, другие удаляются от нас. Поэтому спектральные линии одной части атомов будут смещаться в красную сторону, а другой части — в фиолетовую сторону. Вследствие этого спектральная линия будет уширяться, что будет затруднять точное определение сдвига ее положения. И все же измерения, правда, не вполне уверенно, показывают, что линии солнечного спектра действительно сдвинуты в красную сторону и притом на ожидаемую величину.
Лучше, чем у света, идущего от Солнца, эффект красного смещения заметен в спектре меньшего компонента Сириуса. Сириус — двойная звезда, один компонент которой (так называемый спутник) обладает большой плотностью; его масса примерно равна массе Солнца, а диаметр составляет всего 0,8% диаметра Солнца. Один кубический сантиметр массы спутника Сириуса составляет около 2 т. Благодаря большой концентрации массы сила тяжести на поверхности спутника Сириуса в 20 раз больше, чем на поверхности Солнца, поэтому время на спутнике течет значительно медленнее, чем на Солнце. Вследствие этого спектральные линии спутника Сириуса должны быть сдвинуты в несколько десятков раз больше по сравнению с линиями солнечного спектра. Это смещение действительно было обнаружено. Соответствует ли в точности величина смещения предсказанной теоретически, все же еще нельзя сказать, так как диаметр спутника Сириуса и масса его неизвестны с достаточной точностью, а величина смещения спектральных линий зависит от массы и плотности звезды. Во всяком случае наблюдения подтверждают, что предсказанное общей теорией относительности гравитационное смещение спектральных линий существует. Это показывает, что вблизи больших масс время течет медленнее, чем вблизи малых масс.
Замедленное течение времени в сильном гравитационном поле — одно из следствий общей теории относительности. Общая теория относительности, в свою очередь, основывается на принципе эквивалентности, который утверждает равенство тяжелой и инертной масс. Используя идеи квантовой теории, легко убедиться, что красное смещение спектральных линий света, излучаемого массивными небесными телами, непосредственно следует уже из равенства тяжелой и инертной масс.
Одним из основных понятий квантовой теории является понятие о квантах света (фотонах): электромагнитная волна с частотой ѵ обладает такими свойствами, как если бы она состояла из отдельных частиц — фотонов. При этом энергия каждого фотона равна
Существует ли в действительности такое смещение спектральных линий? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сравнить спектр света, пришедшего до нас от Солнца или от других звезд, со спектром света земного источника. Трудность заключается в том, что смещение спектра может быть вызвано не только разницей в скорости течения времени, но рядом других причин. Если, например, звезда удаляется от нас, спектральные линии излученного ею света будут смещены в красную сторону; у приближающейся звезды, напротив, спектральные линии будут сдвигаться в фиолетовую сторону (эффект Допплера). Даже движение со скоростью несколько километров в секунду вызывает больший сдвиг спектральных линий, чем гравитационное смещение в спектрах таких звезд, как Солнце. Кроме того, атомы в звездных атмосферах движутся с очень большими скоростями — одни атомы в данный момент приближаются к нам, другие удаляются от нас. Поэтому спектральные линии одной части атомов будут смещаться в красную сторону, а другой части — в фиолетовую сторону. Вследствие этого спектральная линия будет уширяться, что будет затруднять точное определение сдвига ее положения. И все же измерения, правда, не вполне уверенно, показывают, что линии солнечного спектра действительно сдвинуты в красную сторону и притом на ожидаемую величину.
Лучше, чем у света, идущего от Солнца, эффект красного смещения заметен в спектре меньшего компонента Сириуса. Сириус — двойная звезда, один компонент которой (так называемый спутник) обладает большой плотностью; его масса примерно равна массе Солнца, а диаметр составляет всего 0,8% диаметра Солнца. Один кубический сантиметр массы спутника Сириуса составляет около 2 т. Благодаря большой концентрации массы сила тяжести на поверхности спутника Сириуса в 20 раз больше, чем на поверхности Солнца, поэтому время на спутнике течет значительно медленнее, чем на Солнце. Вследствие этого спектральные линии спутника Сириуса должны быть сдвинуты в несколько десятков раз больше по сравнению с линиями солнечного спектра. Это смещение действительно было обнаружено. Соответствует ли в точности величина смещения предсказанной теоретически, все же еще нельзя сказать, так как диаметр спутника Сириуса и масса его неизвестны с достаточной точностью, а величина смещения спектральных линий зависит от массы и плотности звезды. Во всяком случае наблюдения подтверждают, что предсказанное общей теорией относительности гравитационное смещение спектральных линий существует. Это показывает, что вблизи больших масс время течет медленнее, чем вблизи малых масс.
Замедленное течение времени в сильном гравитационном поле — одно из следствий общей теории относительности. Общая теория относительности, в свою очередь, основывается на принципе эквивалентности, который утверждает равенство тяжелой и инертной масс. Используя идеи квантовой теории, легко убедиться, что красное смещение спектральных линий света, излучаемого массивными небесными телами, непосредственно следует уже из равенства тяжелой и инертной масс.
Одним из основных понятий квантовой теории является понятие о квантах света (фотонах): электромагнитная волна с частотой ѵ обладает такими свойствами, как если бы она состояла из отдельных частиц — фотонов. При этом энергия каждого фотона равна
E = hѵ, (а)
где h — так называемая постоянная Планка, численное значение которой равно h = 6,62 • 10-27 эрг-сек.
Применим теперь закон эквивалентности массы и энергии. Согласно этому закону, инертная масса каждого фотона равна
m= hv/c2 (б)
Хотя масса покоя фотона равна нулю, как мы уже видели раньше, масса фотона, движущегося со скоростью света, имеет конечное значение, которое определяется формулой (б).
Далее мы уже отмечали, что инертная и тяжелая массы всегда равны. Следовательно, формула (б) определяет и тяжелую массу фотона.
Итак, у фотонов всегда имеется тяжелая масса. Другими словами, фотоны подчиняются действию силы тяжести. Например, на фотоны, излученные Солнцем, действует сила тяжести, которая притягивает их обратно, и для преодоления этой силы тяжести фотоны должны затратить определенную энергию. Энергия фотонов, достигших Землю, будет меньше той энергии, которую они имели на Солнце. Из формулы (а) видно, что энергия фотона может уменьшиться только в том случае, если уменьшается частота света ѵ. Отсюда следует, что частота света, приходящего с Солнца на Землю, должна уменьшаться, т. е. должно существовать красное смещение спектральных линий.