Общую теорию относительности считали теорией, которой следует пользоваться главным образом при рассмотрении больших областей мирового пространства, и полагали, что вряд ли эту теорию придется привлечь для описания событий, происходящих на Земле. В пользу таких утверждении, в частности, говорило то, что первыми, и долгое время единственными, опытными подтверждениями этой теории служили процессы в мировом пространстве. Однако под влиянием достижений ядерной физики эти взгляды изменились.
Хотя астрономические наблюдения и показали, что красное смещение линий в спектре Солнца имеет место, проверить, точно ли оно совпадает по величине со смещением, предсказываемым теорией относительности, не удалось. Наблюдения за спутником Сириуса также не дали окончательного ответа на этот вопрос. Надежды, связанные с измерением зависимости скорости течения времени от гравитационного поля с помощью радиоаппаратуры, помещенной на искусственных спутниках Земли, до сих пор не увенчались успехом, так как стабильность современных радиопередатчиков все еще приблизительно в 10 раз меньше, чем это необходимо для таких измерений.
Хотя астрономические наблюдения и показали, что красное смещение линий в спектре Солнца имеет место, проверить, точно ли оно совпадает по величине со смещением, предсказываемым теорией относительности, не удалось. Наблюдения за спутником Сириуса также не дали окончательного ответа на этот вопрос. Надежды, связанные с измерением зависимости скорости течения времени от гравитационного поля с помощью радиоаппаратуры, помещенной на искусственных спутниках Земли, до сих пор не увенчались успехом, так как стабильность современных радиопередатчиков все еще приблизительно в 10 раз меньше, чем это необходимо для таких измерений.
Общую теорию относительности считали теорией, которой следует пользоваться главным образом при рассмотрении больших областей мирового пространства, и полагали, что вряд ли эту теорию придется привлечь для описания событий, происходящих на Земле. В пользу таких утверждении, в частности, говорило то, что первыми, и долгое время единственными, опытными подтверждениями этой теории служили процессы в мировом пространстве. Однако под влиянием достижений ядерной физики эти взгляды изменились.
Хотя астрономические наблюдения и показали, что красное смещение линий в спектре Солнца имеет место, проверить, точно ли оно совпадает по величине со смещением, предсказываемым теорией относительности, не удалось. Наблюдения за спутником Сириуса также не дали окончательного ответа на этот вопрос. Надежды, связанные с измерением зависимости скорости течения времени от гравитационного поля с помощью радиоаппаратуры, помещенной на искусственных спутниках Земли, до сих пор не увенчались успехом, так как стабильность современных радиопередатчиков все еще приблизительно в 10 раз меньше, чем это необходимо для таких измерений.
Совершенно неожиданно удалось измерить разницу в скорости течения времени в лабораторных условиях. Это сделал в 1959 г. американский физик Паунд с сотрудниками. В качестве помещения для опытов он использовал башню физической лаборатории Джефферсона в Гарвардском университете. Это — вторая башня, вошедшая в историю физики (первой была пизанская, с которой связаны опыты Галилея), Остановимся подробнее на принципиальной стороне этих замечательных экспериментов.
Для всех микросистем характерно прежде всего то, что они могут находиться только в состояниях с определенной энергией; все состояния с промежуточными энергиями запрещены. Если микросистема переходит из одного энергетического состояния в другое, она излучает (или поглощает) всегда квант определенной энергии (фотон). Частота кванта ѵ, а тем самым и частота излучаемой электромагнитной волны, связана с освобождающейся (или поглощающейся) энергией Е микросистемы по известной нам уже формуле
Е = hv.
Излучение энергии микросистемой всегда происходит в виде неделимых квантов. Точно так же и поглощение энергии микросистемой возможно только определенными порциями. Микросистему удается перевести в состояние с большей энергией с помощью электромагнитного излучения лишь определенной частоты. В силу целого ряда причин, которые мы не будем анализировать, энергетические уровни в реальных микросистемах не определены точными значениями энергии, а имеют некоторую ширину. Это значит, что частота излучаемых или поглощаемых системой квантов может изменяться в определенных пределах. Если же частота кванта не укладывается в границы, обусловленные шириной энергетического уровня, то такой квант не может быть поглощен системой. С его помощью нельзя перевести систему в возбужденное состояние, хотя энергия кванта может быть даже больше, чем это необходимо для возбуждения системы. Так, например, не может произойти возбуждения изображенной на рис. 57 микросистемы с помощью кванта, энергия которого равна так как для того чтобы перевести систему в энергетическое состояние E2, энергия кванта Е1 мала, а для перехода системы в состояние Е1 должна поглотиться только часть кванта, что невозможно, поскольку квант неделим.
Рассмотрим теперь конкретную микросистему, а именно: ядра атомов железа Fe57, имеющих массовое число А = 57. В ядре такого атома может быть уровень, который отстоит от основного уровня на 14,4 килоэлектронвольта (кэв). Рассмотрим теперь (мысленно) такой случай: имеются два образца железа Fe57. Предположим, что в первом из них ядра Fe57 находятся на первом возбужденном уровне, а во втором — на основном уровне. В идеальном случае могло бы происходить следующее. Ядра железа в первом образце могли бы спонтанно (самопроизвольно) переходить в основное состояние, излучая кванты с энергией, равной в точности 14,4 кэв.
Хотя астрономические наблюдения и показали, что красное смещение линий в спектре Солнца имеет место, проверить, точно ли оно совпадает по величине со смещением, предсказываемым теорией относительности, не удалось. Наблюдения за спутником Сириуса также не дали окончательного ответа на этот вопрос. Надежды, связанные с измерением зависимости скорости течения времени от гравитационного поля с помощью радиоаппаратуры, помещенной на искусственных спутниках Земли, до сих пор не увенчались успехом, так как стабильность современных радиопередатчиков все еще приблизительно в 10 раз меньше, чем это необходимо для таких измерений.
Совершенно неожиданно удалось измерить разницу в скорости течения времени в лабораторных условиях. Это сделал в 1959 г. американский физик Паунд с сотрудниками. В качестве помещения для опытов он использовал башню физической лаборатории Джефферсона в Гарвардском университете. Это — вторая башня, вошедшая в историю физики (первой была пизанская, с которой связаны опыты Галилея), Остановимся подробнее на принципиальной стороне этих замечательных экспериментов.
Для всех микросистем характерно прежде всего то, что они могут находиться только в состояниях с определенной энергией; все состояния с промежуточными энергиями запрещены. Если микросистема переходит из одного энергетического состояния в другое, она излучает (или поглощает) всегда квант определенной энергии (фотон). Частота кванта ѵ, а тем самым и частота излучаемой электромагнитной волны, связана с освобождающейся (или поглощающейся) энергией Е микросистемы по известной нам уже формуле
Е = hv.
Излучение энергии микросистемой всегда происходит в виде неделимых квантов. Точно так же и поглощение энергии микросистемой возможно только определенными порциями. Микросистему удается перевести в состояние с большей энергией с помощью электромагнитного излучения лишь определенной частоты. В силу целого ряда причин, которые мы не будем анализировать, энергетические уровни в реальных микросистемах не определены точными значениями энергии, а имеют некоторую ширину. Это значит, что частота излучаемых или поглощаемых системой квантов может изменяться в определенных пределах. Если же частота кванта не укладывается в границы, обусловленные шириной энергетического уровня, то такой квант не может быть поглощен системой. С его помощью нельзя перевести систему в возбужденное состояние, хотя энергия кванта может быть даже больше, чем это необходимо для возбуждения системы. Так, например, не может произойти возбуждения изображенной на рис. 57 микросистемы с помощью кванта, энергия которого равна так как для того чтобы перевести систему в энергетическое состояние E2, энергия кванта Е1 мала, а для перехода системы в состояние Е1 должна поглотиться только часть кванта, что невозможно, поскольку квант неделим.
Рассмотрим теперь конкретную микросистему, а именно: ядра атомов железа Fe57, имеющих массовое число А = 57. В ядре такого атома может быть уровень, который отстоит от основного уровня на 14,4 килоэлектронвольта (кэв). Рассмотрим теперь (мысленно) такой случай: имеются два образца железа Fe57. Предположим, что в первом из них ядра Fe57 находятся на первом возбужденном уровне, а во втором — на основном уровне. В идеальном случае могло бы происходить следующее. Ядра железа в первом образце могли бы спонтанно (самопроизвольно) переходить в основное состояние, излучая кванты с энергией, равной в точности 14,4 кэв.
Рис. 57. Схема энергетических состоянии микросистемы
Излученные кванты могли бы поглощаться ядрами атомов Fe57 другого образца, которые благодаря этому перешли бы в первое возбужденное состояние. Таким образом, могло бы происходить резонансное поглощение излучения вторым образцом. Однако в реальных опытах дело обстоит сложнее: ядра Fe57 не свободны, а находятся в поле кристаллической решетки, они связаны друг с другом. Это вызывает различные дополнительные явления, которые препятствуют возникновению резонансного поглощения. Тем не менее
при соблюдении определенных условий можно вызвать резонансное поглощение для ядер Fe57 в реальных условиях. Такое резонансное поглощение называют по имени его первооткрывателя эффектом Мессбауэра.
Ширина энергетических уравнений в ядрах в общем очень мала. Например, у ядер железа Fe57 уровень, соответствующий энергии 14,4 кэв, имеет исключительно малую ширину (размытие), не превышающую 10-8 эв. Незначительная ширина уровня приводит к тому, то резонансное поглощение прекращается уже при очень малых отклонениях энергии квантов от данной величины. Этим и воспользовался Паунд в своих опытах. В качестве источника излучения в опытах Паунда использовались не Fe57, а ядра Со57. Это было связано с тем, что возбуждение ядер Fe57 было бы довольно сложной задачей, ядра же Со57 радиоактивны и самопроизвольно излучают кванты с энергией 14,4 кэв 27.
Источник излучения в опытах помещали наверху башни на высоте 21 м. Измерения резонансного поглощения проводили внизу башни. Оказалось, что резонансное поглощение ядрами Fe57 излучения, приходящего сверху, было нарушено. При обработке результатов опыта установили, что частота квантов, приходящих с высоты 21 м, увеличилась на 2,5*10-13% первоначальной частоты. Путем непосредственного измерения удалось показать, что благодаря более слабому гравитационному полю, наверху башни время течет несколько быстрее, чем внизу башни. Опыт Паунда повторяли многократно, результат был один и тот же: чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее течет время. При этом зависимость скорости течения времени от силы гравитационного поля была именно такой, как утверждает общая теория относительности.
Проиллюстрируем точность описанного выше опыта. Человек, который все время находился на земной поверхности, постареет за 80 лет на 0,00001 секунды меньше другого, проведшего все это время в башне на высоте 21 м.
Использование эффекта Мессбауэра позволило проверить и другие положения общей теории относительности.
Выше мы говорили, что согласно принципу эквивалентности любое гравитационное поле в небольшой области пространства и в течение короткого промежутка времени можно рассматривать как эффект, обусловленный ускоренным движением, и наоборот. Отсюда следует, что гравитационное «красное смещение» спектральных линий можно также вызвать с помощью ускоренного движения. Для проверки этого вывода проделали следующий опыт: источник излучения Со57 поместили на поверхности цилиндра диаметром 13,28 см и начали вращать цилиндр со скоростью 500 об/сек. Используя резонансное поглощение, измеряли энергию квантов, излученных из вращающегося цилиндра, с помощью неподвижной мишени, содержащей ядра Fe57. Методика была такой же, как и в предыдущем опыте. И, действительно, оказалось, что кванты, попавшие из вращающегося цилиндра на мишень, вели себя так, как если бы они пришли из более сильного гравитационного поля — они теряли энергию. Происходило красное смещение спектральных линии, притом именно на такую величину, как предсказывает теория. Этот прямой эксперимент показал, что на вращающемся цилиндре время течет медленнее, чем в лаборатории.
при соблюдении определенных условий можно вызвать резонансное поглощение для ядер Fe57 в реальных условиях. Такое резонансное поглощение называют по имени его первооткрывателя эффектом Мессбауэра.
Ширина энергетических уравнений в ядрах в общем очень мала. Например, у ядер железа Fe57 уровень, соответствующий энергии 14,4 кэв, имеет исключительно малую ширину (размытие), не превышающую 10-8 эв. Незначительная ширина уровня приводит к тому, то резонансное поглощение прекращается уже при очень малых отклонениях энергии квантов от данной величины. Этим и воспользовался Паунд в своих опытах. В качестве источника излучения в опытах Паунда использовались не Fe57, а ядра Со57. Это было связано с тем, что возбуждение ядер Fe57 было бы довольно сложной задачей, ядра же Со57 радиоактивны и самопроизвольно излучают кванты с энергией 14,4 кэв 27.
Источник излучения в опытах помещали наверху башни на высоте 21 м. Измерения резонансного поглощения проводили внизу башни. Оказалось, что резонансное поглощение ядрами Fe57 излучения, приходящего сверху, было нарушено. При обработке результатов опыта установили, что частота квантов, приходящих с высоты 21 м, увеличилась на 2,5*10-13% первоначальной частоты. Путем непосредственного измерения удалось показать, что благодаря более слабому гравитационному полю, наверху башни время течет несколько быстрее, чем внизу башни. Опыт Паунда повторяли многократно, результат был один и тот же: чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее течет время. При этом зависимость скорости течения времени от силы гравитационного поля была именно такой, как утверждает общая теория относительности.
Проиллюстрируем точность описанного выше опыта. Человек, который все время находился на земной поверхности, постареет за 80 лет на 0,00001 секунды меньше другого, проведшего все это время в башне на высоте 21 м.
Использование эффекта Мессбауэра позволило проверить и другие положения общей теории относительности.
Выше мы говорили, что согласно принципу эквивалентности любое гравитационное поле в небольшой области пространства и в течение короткого промежутка времени можно рассматривать как эффект, обусловленный ускоренным движением, и наоборот. Отсюда следует, что гравитационное «красное смещение» спектральных линий можно также вызвать с помощью ускоренного движения. Для проверки этого вывода проделали следующий опыт: источник излучения Со57 поместили на поверхности цилиндра диаметром 13,28 см и начали вращать цилиндр со скоростью 500 об/сек. Используя резонансное поглощение, измеряли энергию квантов, излученных из вращающегося цилиндра, с помощью неподвижной мишени, содержащей ядра Fe57. Методика была такой же, как и в предыдущем опыте. И, действительно, оказалось, что кванты, попавшие из вращающегося цилиндра на мишень, вели себя так, как если бы они пришли из более сильного гравитационного поля — они теряли энергию. Происходило красное смещение спектральных линии, притом именно на такую величину, как предсказывает теория. Этот прямой эксперимент показал, что на вращающемся цилиндре время течет медленнее, чем в лаборатории.