Физика времени

Особая роль света в физике делает эффект Доплера для света очень важным фактом, который с новой стороны открывает нам свойство относительности времени.

Эффект Доплера

Эффект Доплера возникает по простой причине — из-за конечности скорости распространения света. Его наглядное объяснение, которое мы сейчас дадим, целиком на этом основывается и не требует каких-либо других физических соображений.

Представим себе, что после многолетнего полета возвращается космический аппарат и он летит к Земле, прямо по направлению к нам. Пусть этот аппарат посылает нам один за другим два световых сигнала, сначала один, а через год после первого второй. Допустим, что скорость аппарата составляет 0,2 скорости света. Тогда за время между посылкой сигналов аппарат приблизится к нам на 0,2 светового года. (Световой год — расстояние, которое свет проходит за 1 год.) Это значит, что путь второго сигнала от аппарата до нас на 0,2 светового года короче, чем путь первого сигнала, и он будет принят на земле через 0,8 светового года после первого.

Мы видим, что промежуток времени между приемом двух сигналов короче, чем между их испусканием. Таков главный вывод нашего рассуждения. Разумеется, мы брали какие-то определенные скорости и расстояния только для примера. Наш общий вывод от конкретных цифр не зависит. Промежуток времени между приемом сигналов всегда короче, чем между их испусканием, если источник и приемник сближаются.

Точно так же можно рассмотреть и пример, в котором источник и приемник удаляются друг от друга. Нетрудно догадаться, что в этом случае результат окажется обратным: промежуток времени между приемом двух сигналов будет длиннее, чем между их испусканием.

А отсюда всего один шаг до объяснения эффекта Доплера. Действительно, наше общее заключение о промежутках времени относится к промежуткам любой длительности. И можно взять в качестве исходного промежутка какой угодно интервал времени. Например, мы можем взять время между двумя мак– максимальными значениями электрического поля, следующими одно за другим в электромагнитной волне, то есть промежуток времени, равный периоду волны. Те же два соседних максимума будут зарегистрированы приемником света, и промежуток времени между их приходом даст нам период принятой волны. В этом случае одним из двух сигналов будет служить первый максимум в волне, а другим — второй, следующий сразу за ним.

Ясно, что в таком случае период принятой волны не будет совпадать с периодом испущенной волны, если расстояние между источником и приемником света изменяется со временем. Когда они сближаются, период принятой волны короче исходного периода испущенной волны. Когда же источник и приемник удаляются друг от друга, период принятой волны будет, наоборот, длиннее.

Но в этом и состоит эффект Доплера. И все дело здесь именно в конечности скорости распространения света. Стоит только представить себе, что свет имеет бесконечную скорость, и эффект исчезнет — период света не будет зависеть от движения источника и приемника. Тот «выигрыш» во времени, который мы получали в примере с космическим аппаратом, летящим к Земле, сразу, очевидно, теряется: свету все равно, с какого расстояния лететь; он мгновенно, без затраты времени достиг бы нас, будь его скорость бесконечной.

«Световые» часы

Свет — это распространяющиеся в пространстве периодические колебания электрического и магнитного полей. Этим колебательным процессом можно воспользоваться для измерения времени, и тогда световая волна будет служить нам часами. Эти часы указывают нам на относительность времени.

Действительно, источником света может быть, например, атом, испускающий свет строго определенной длины волны или периода. Но излученный им свет, дойдя до нас, имеет уже не тот период (и не ту длину волны), если источник и приемник движутся друг относительно друга. Сравнивая этот период с периодом излучения точно такого же атома, находящегося в нашей лаборатории, у приемника света, мы найдем, что период принятого света не совпадает с периодом излучения атома в нашей собственной системе отсчета. При этом период принятого света может быть и больше, и меньше периода излучения атома в зависимости от того, удаляется ли от нас или приближается к нам источник. Выходит, что «тик-так» «световых» часов в источнике может доходить до нас «звучащим» и реже, и чаще, чем в нашей лаборатории. Значит, и воспринимаемый нами темп течения времени на движущемся источнике будет отличным от нашего — либо ниже, либо выше нашего собственного.

Но сравним этот вывод с тем, что показал нам первый мысленный эксперимент этой главы. Тогда мы установили, что все действия в движущейся относительно нас лаборатории представляются нам всегда замедленными. Здесь же возможно и замедление, и ускорение. В чем дело?

Ответ, даваемый теорией относительности, таков. В действительности речь идет о двух разных эффектах относительности времени. Эффект, допускающий, так сказать, оба знака — и замедление, и ускорение, возникает лишь тогда, когда изменяется расстояние между источником и приемником, то есть когда они либо удаляются друг от друга, либо сближаются друг с другом. Он определяется величиной и направлением — к нам или от нас — скорости вдоль луча зрения, то есть прямой, которая соединяет нас с источником.

Однако относительная скорость двух лабораторий не обязательно направлена строго вдоль луча зрения. У нее может быть не только продольная, но и поперечная (перпендикуляр– (перпендикулярная) лучу зрения составляющая. Когда источник света перемещается вместе с движущейся лабораторией перпендикулярно к лучу зрения, эффект, связанный с продольной скоростью, просто отсутствует. Остается в этом случае только эффект замедления. Как показывает теория, он не зависит от направления скорости и определяется лишь ее величиной. Потому-то эффект и имеет всегда один знак — только замедление.

Этот эффект тоже называют эффектом Доплера, но с добавлением поперечный, чтобы отличить его от эффекта, связанного с продольной скоростью, который иногда для ясности называют продольным эффектом Доплера*).

*) Но поперечный эффект Доплера присутствует и тогда, когда имеется одно лишь продольное движение. В этом случае он накладывается на продольный эффект — усиливает замедление или ослабляет ускорение. Поперечный эффект слабее продольного. Математически он определяется квадратом отношения скорости движения к скорости света: продольный же эффект зависит от первой степени этого отношения. А квадрат величины, меньшей единицы, меньше самой величины.

Разбегание галактик

Самое впечатляющее проявление эффекта Доплера — это знаменитое красное смещение в излучении далеких галактик. О нем стало известно в начале нашего века, когда американский астроном В. М. Слайфер обнаружил, что определенные линии излучения в спектрах некоторых далеких галактик находятся не на своих «нормальных» местах на шкале электромагнитных волн, а сдвинуты по этой шкале в красную сторону.

В 1929 году появилась обстоятельная работа другого американского астронома, Э. Хаббла, в которой был представлен гораздо более обширный материал спектральных наблюдений галактик. Из данных Хаббла следовало, что красное смещение в спектрах галактик тем сильнее, чем дальше от нас они находятся.

Объяснение этого явления, ставшее теперь уже общепринятым, основывается на космологической теории А. А. Фридмана. Согласно этой теории, созданной еще до открытий Хаббла, галактики и их группы и скопления не покоятся друг относительно друга, а разбегаются друг от друга. Наблюдая за этим движением из нашей Галактики, мы видим, что все наше окружение в мире галактик удаляется от нас. Теория предсказывает, что чем дальше от нас находится какая-то галактика, тем больше скорость ее убегания.

Это предсказание теории и было подтверждено наблюдениями Э. Хаббла.