В начале XX века физика пережила две революции — появление теории относительности и рождение квантовой механики, что в совокупности кардинально изменило старые представления и взрастило совершенно новую науку об устройстве мира. Благодаря Эйнштейну, соединившему пространство, время и материю, получилось, что все, что мы видим и воспринимаем в нашем мире, зависит от выбранной нами точки наблюдения и скорости нашего перемещения по отношению к изучаемому объекту.
Две теории — два мира
В 1905 году в немецком журнале «Анналы физики» («Annalen der Physik») появилась самая знаменитая в XX веке научная работа по физике — статья Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», излагающая основные принципы теории относительности. В современной классификации эта теория получила название «специальной», сокращенно СТО.
Впрочем, устоявшаяся терминология не совсем точно отражает суть вопроса, поскольку в данном случае слово «относительность» означает как раз абсолютность и неизменность скорости света и основных законов природы для наблюдателей в разных системах отсчета. Причем в этой части Эйнштейн вполне солидарен с Галилеем, который утверждал, что никакие физические измерения, к примеру, в трюме парусного корабля не позволят определить, стоит корабль на якоре или равномерно плывет при попутном ветре. Стало быть, нет абсолютного движения тел, есть только относительное — по отношению к другим телам или к некой системе отсчета.
При решении различного рода физических задач ученые достаточно часто переходят из одной системы координат в другую, используя при этом соответствующие правила преобразовании координат. В «старой» физике Ньютона и Галилея время было единым для всех систем отсчета, и при переходе от одной системы к другой преобразовывались только пространственные координаты, новая же физика стала использовать преобразования, «перепутывающие» пространственные координаты и время. Именно из-за того, что основное внимание в СТО уделено анализу одних и тех же экспериментов относительно разных систем отсчета, и возникает понятие относительности. СТО отвергла, казалось бы, естественный взгляд на мир: «пространство — отдельно, время — отдельно». Вместо этого она рассматривает единое четырехмерное пространство-время с особой геометрией Минковского (польский математик, детально исследовавший эту геометрию вскоре после появления СТО). Пространства, как известно, состоят из точек, и в данном случае точка четырехмерного пространства событий — это три обычные пространственные координаты плюс время. Роль привычного для нас евклидова расстояния, которое мы измеряем обычной линейкой, в четырехмерном мире играет так называемый интервал. Мир СТО устроен так, что квадрат интервала между двумя различными событиями бывает не только положительной, но и отрицательной величиной, и даже равной нулю.
Многое из того, что ранее представлялось абсолютным, в СТО начало зависеть от движения наблюдателя — это и пространственные размеры тел, и промежутки времени, и даже понятие одновременности. Приведем простой пример.
Стоящему на платформе наблюдателю мчащийся мимо него поезд кажется короче, чем находящимся внутри пассажирам. Время для пассажиров поезда идет медленнее, чем для наблюдателя. Включенный и в первом, и в последнем вагонах свет пассажиры увидят одновременно, наблюдатель же, стоящий на платформе, решит, что в первом вагоне свет зажегся раньше.
Кроме того, с момента появления СТО скорость света в пустоте стала мировой константой, не зависящей ни от движения источника, ни от перемещения наблюдателя. Эта особенность электромагнитных колебаний — из-за огромной величины скорости света (почти 300 тыс. км/с) — долгое время оставалась для физиков неизвестной. Именно это свойство света –– постоянство его скорости — стало экспериментальным основанием СТО. Этот факт был хорошо известен ученым еще до создания СТО благодаря наблюдениям за двойными звездами и опытам Майкельсона — Морли.
Астрономы, наблюдая за удаленными двойными звездными системами, не замечали никаких особенностей в видимом движении звезд по сравнению с ближайшими к Земле двойными звездами. И это однозначно указывало, что скорость света не складывается со скоростью звезды и свет летит в безвоздушном пространстве со своей, зависящей лишь от свойств этого пространства скоростью.
Опыты Майкельсона и Морли, направленные на выявление зависимости скорости света от движения наблюдателя, привели к отрицательному результату, продемонстрировав, что скорость распространения света — как вдоль земной орбиты, так и поперек ее — одинакова и не влияет на движение источника и приемника света.
Само по себе постоянство скорости света, казалось бы, не могло сильно повлиять на привычную евклидову картину мира с однозначной интерпретацией всех событий и четкой причинно-следственной связью между ними. Но, по Эйнштейну, получалось так, что скорость света — не просто ни от чего не зависящая мировая константа, это еще и предельная скорость, с которой могут перемещаться любые материальные тела, информационные сигналы и физические поля. Таким образом, на фундаментальном уровне сверхсветовое движение оказалось невозможным, и в связи с этим кардинально менялся и весь окружающий мир.
Несмотря на все странности, СТО на протяжении последнего столетия остается основой для описания огромной массы физических явлений. Без нее невозможно понять ни превращений элементарных частиц, ни ядерных реакций, ни строения небесных тел. Теория получает эффективное подтверждение как на любых масштабах –– от ядерных до галактических, –– так и в колоссальном диапазоне скоростей и энергий. При малых же скоростях СТО «переходит» в классическую механику Галилея — Ньютона — со свойственным ей сложением скоростей тел и единым для всех наблюдателей временем и пространством.
Смещение перигелия
В начале ХХ века были известны всего два физических поля — электромагнитное и гравитационное. Появившаяся СТО отлично справилась с описанием поведения электрических зарядов и полей при любых скоростях, чего не получалось в подходе Галилея. Но ньютоновская теория тяготения, служившая практически идеальной основой небесной механики и земной физики, по-прежнему формулировалась в старых понятиях абсолютного пространства и времени и не вписывалась в новые представления.

После создания СТО неоднократно предпринимались попытки описать гравитационное поле в пространстве Минковского, надеясь таким образом включить в рассмотрение СТО быстродвижущиеся тяготеющие объекты, а ньютоновскую теорию гравитации получить в пределе малых скоростей движения.
Великий французский математик Анри Пуанкаре, фактически одновременно с Эйнштейном «открывший» СТО, первым попытался распространить ее и на гравитацию, предположив конечность скорости распространения гравитационного поля. Мысли о том, что гравитация передается со скоростью света, высказывались, конечно, и раньше. Подобные теории, однако, встретились с серьезными трудностями, и одна из них — неспособность объяснить аномальное вековое смещение перигелия орбиты Меркурия, необъяснимое и в теории Ньютона. И пусть величина смещения была едва заметна — 43 угловые секунды в столетие, — но уже тогда она вполне достоверно была получена из астрономических наблюдений.
По законам Кеплера, являющимся следствием закона всемирного тяготения Ньютона, все планеты Солнечной системы движутся по замкнутым эллиптическим орбитам, а у Меркурия этот эллипс со временем немного поворачивается, в итоге он движется по незамкнутой спиралевидной траектории. Кроме того, Меркурий — самое быстрое тело Солнечной системы, и для искомой «гравитации высоких скоростей» объяснение этого эффекта должно было стать первым пробным камнем.
Было еще одно обстоятельство, делавшее попытки описать гравитацию в рамках СТО малопривлекательными. Со времен Галилея было известно, что если исключить сопротивление воздуха, то самые разные тела — кусок дерева, камень, слиток свинца, сосуд с водой и так далее — падают на Землю с совершенно одинаковым ускорением. Подтверждением того является известный школьный опыт, в процессе которого легкое перышко летит на одном уровне со свинцовой дробинкой, если их поместить в длинную трубку с откачанным воздухом. Универсальность ускорения свободного падения для разных тел была подтверждена с высокой точностью в конце XIX века опытом Этвеша, установившего эквивалентность между силой притяжения Земли и инерционным центробежным ускорением, вызванным суточным вращением нашей планеты (ошибка не превышала одной 10-миллионной процента). В уравнениях Ньютона это проявляется как равенство между инертной и гравитационной массами — так называемый «принцип эквивалентности». Сама теория Ньютона объяснить это равенство не способна, не могли это сделать и ее обобщения в рамках СТО.
Инертная масса, фигурирующая во втором законе механики Ньютона («ускорение равно силе, деленной на массу»), и гравитационная, показывающая, как тело реагирует на поле тяготения, — величины, по существу, разной физической природы. Эйнштейну было ясно, что равенство инертной и гравитационной массы не может быть случайным совпадением и должно иметь глубокие причины. Универсальность действия гравитации на тела привела его к идее, ставшей основой ОТО (Общей теории относительности): гравитационное поле есть свойство самого пространства, причем свойство, меняющееся от точки к точке, ведь поле тяготения, вообще говоря, неоднородно. Следовательно, пространство Минковского — плоское, одинаковое во всех точках и во всех направлениях, — не годится, гравитация должна его искажать и искривлять. Так возникает идея кривизны физического пространства-времени.
У всякой фундаментальной идеи, как правило, обнаруживаются предтечи, и главная идея ОТО — не исключение. Еще в 1826 году первооткрыватель неевклидовой геометрии Н.И. Лобачевский говорил об экспериментальном определении геометрии мира. Зависимость кривизны пространства от свойств заполняющей его материи предполагали Б. Риман (1854 год) и В. Клиффорд (1876 год), причем у последнего можно найти и мысль о кривизне, распространяющейся волнами. Идеи, как говорится, витали в воздухе, оставалось их «поймать», отфильтровать и оформить в стройную, логически непротиворечивую теорию.

Плод, что называется, созрел к 1915 году. Общая теория относительности стала еще одним шагом в сторону от простых и наглядных представлений классической физики. В ней четырехмерное пространство-время (часто для краткости говорят просто «пространство») стало искривленным. К тому моменту уже существовал математический аппарат для описания таких пространств — геометрия Римана, она и стала языком новой физической теории. В римановой геометрии, а следовательно, и в ОТО, основная характеристика пространства — это так называемый метрический тензор (метрика), несущий информацию об интервалах между точками-событиями. Метрика записывается как симметричная матрица 4 на 4 и может содержать до 10 различных компонент. Она подчиняется сложным математическим уравнениям. В общем случае это –– система из десяти нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных относительно десяти неизвестных функций четырех пространственно-временных координат. Эта система называется уравнениями Эйнштейна, или Гильберта — Эйнштейна, как иногда говорят, желая подчеркнуть роль великого немецкого математика в создании ОТО. Основной их смысл — связь кривизны пространства с распределением и движением материи («материя говорит пространству, как ему искривляться»). Всякое их решение описывает какую-то мыслимую конфигурацию гравитационного поля. Некоторые решения уравнений Эйнштейна имеют вид колебаний метрики, то есть гравитационных волн, распространяющихся со световой скоростью.
Их источниками во Вселенной должны быть многочисленные нестационарные процессы — движение двойных звезд, взрывы сверхновых, образование черных дыр и так далее. На их регистрацию сейчас направлены активные усилия экспериментаторов. Простой и напрашивающийся образ гравитации как кривизны пространства — тяжелая гиря, продавливающая натянутый батут. Искажения его плоской поверхности отчасти передают суть дела — чем ближе к тяготеющему телу, тем сильнее искривление и круче наклон образующейся от гири «впадины», а мелкие монетки, сползающие к гире, — чем не планеты, «падающие» на Солнце? И еще волны, разбегающиеся от удара по упругой ткани… Аналогия, конечно, довольно грубая, ибо никакой пространственный образ не передаст своеобразие объединенной пространственно-временной геометрии. В чем же такой образ верен, так это в том, что любая гладкая искривленная поверхность на достаточно малых участках почти плоская. Так кривизна земной поверхности совершенно не чувствуется в масштабах городского квартала, но хорошо заметна с палубы корабля в открытом море. Как специальная теория относительности не отменила механику Ньютона (пригодную на малых скоростях), так и ОТО не отменяет СТО, которая справедлива на любом маленьком «клочке» искривленного, но гладкого пространства-времени. Чем меньше размеры «клочка» по сравнению с радиусом кривизны пространства, тем точнее выполняются СТО и ее многочисленные следствия.
Итак, со специальной теорией относительности все более или менее понятно, но куда девалась теория гравитации Ньютона, которая работала совсем неплохо? Естественно, за ней осталось ее законное место: ньютоновские уравнения получаются из уравнений ОТО в пределе малой кривизны (то есть слабых гравитационных полей) и малых относительных скоростей тяготеющих тел. Большинство наблюдаемых явлений попадает как раз в такой вот «слабый» режим малых скоростей и полей. Правда, в ОТО совсем другая интерпретация гравитационных сил: теперь это не силы, а некоторые геометрические характеристики мировых линий, то есть кривых, по которым движутся тела в четырехмерном пространстве-времени. С точки зрения ОТО тело, свободно падающее в поле тяготения, движется вообще без внешних сил, и его мировая линия — геодезическая (или кратчайшая) в кривом четырехмерном мире – аналог прямой линии в плоском пространстве.
ОТО охотно приняла экспериментальный вызов и с удивительной точностью объяснила упомянутую выше аномалию в движении Меркурия, бывшую ранее камнем преткновения всех теорий тяготения. Другой эффект ОТО, поддающийся проверке, — действие гравитации на свет, приводящее к искривлению светового луча в поле небесного тела. По расчетам Эйнштейна, проходя рядом с Солнцем, световой луч должен отклониться на угол в 1,75 угловой секунды. Аналогичный эффект можно получить и в ньютоновской теории, представляя свет потоком частиц, летящих со скоростью света, но тогда расчетное отклонение будет вдвое меньше — около 0,87 секунды при пролете у самого края светила.
Полное солнечное затмение 29 мая 1919 года дало ученым возможность измерить этот эффект, фотографируя изображения звезд рядом с закрытым Луной солнечным диском и сличая полученные кадры с обычными ночными снимками того же участка звездного неба. На картинках с затмением звезды оказались чуть-чуть отодвинуты от края диска по сравнению с их ночными положениями. Угол отклонения варьировался, по данным разных наблюдателей, в пределах от 1,61 до 1,98 угловой секунды возле края диска, постепенно уменьшаясь по мере удаления от него, при ошибке в пределах 0,30. Таким образом, небо подтвердило правоту Эйнштейна!
Это стало подлинным триумфом — теория, рожденная на кончике пера, отлично подтверждалась на практике. И до сих пор успешно проходит все экспериментальные тесты.
Синтез физики с геометрией
Впрочем, не будем забегать вперед и вернемся к 1920—1930-м годам — ко времени активного проникновения физики в микромир и формирования языка, адекватного его свойствам — квантовой механики, позднее — квантовой электродинамики и еще шире — квантовой теории поля. Квантовая теория поначалу строилась в рамках старых, ньютоновских понятий абсолютного пространства и абсолютного времени (нерелятивистская квантовая механика) и с немалыми усилиями осваивала мир высоких скоростей и больших энергий, обретая содержание в четырехмерном пространстве-времени Минковского.
Понимание гравитации как кривизны пространства придавало ОТО исключительный характер по сравнению со всей остальной физикой, а это противоречило важному как для философов, так и для физиков ощущению единства материального мира. С другой стороны, в самом теоретическом выстраивании ОТО возникал ряд важных проблем, одна из них известна как проблема энергии. Понятия энергии и других сохраняющихся величин играют весьма существенную роль в построении квантовой теории. В плоском пространстве без затруднений формулируются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса — они, как известно, связаны с симметрией пространства относительно временных сдвигов, пространственных трансляций и поворотов. В кривом пространстве подобных симметрий нет, поэтому определить энергию и импульс гравитационного поля в ОТО без противоречий было затруднительно.
По этой и некоторым другим причинам не все физики согласились с ОТО. Попытки построения теории гравитации в неискривленном пространстве Минковского продолжаются и по сей день. В отличие от первых подобных попыток новые авторы научились объяснять эффекты, «сделавшие имя» ОТО: в них гравитация представляется полем с нормальными законами сохранения и с надеждами на квантование наравне с другими физическими полями. Согласно книге «Теория и эксперимент в гравитационной физике» известного американского специалиста в области релятивистской теории гравитации К. Уилла, к 1960 году таких теорий насчитывалось не менее 25. Но ни тогда, ни впоследствии они не вызвали сколько-нибудь заметного интереса, хотя их приверженцы с этим не согласятся. А вот тенденция к «сведению всей физики к геометрии» породила целый ряд новых идей, которые и поныне остаются актуальными в теоретической физике. В этой связи ОТО рассматривалась как основа для обобщения, которое достигалось за счет введения более сложных видов геометрии, чем риманова (Вейль, Эддингтон, Картан), повышения размерности пространства-времени путем введения дополнительных невидимых координат (Калуца, Клейн), расширения требований к симметрии исходной формулировки теории (принцип калибровочной симметрии Вейля). Ставилась амбициозная задача, которая выходила за рамки простого объединения электромагнитного и гравитационного полей — получить из единого поля заодно и характеристики тех немногих элементарных частиц, которые к тому времени были уже известны. Альберт Эйнштейн не только не остался в стороне от этих усилий, но и был явным лидером построения единой теории поля на основе ОТО, оставаясь таковым до конца жизни… Впрочем, описание этих попыток только отдаляет нас от основной темы — гравитации. Приведем слова, сказанные одним из создателей квантовой механики, Вернером Гейзенбергом, в начале 1960-х: «Это великолепная в своей основе попытка... Но в то самое время, когда Эйнштейн занимался единой теорией поля, непрерывно открывались новые элементарные частицы, а с ними — сопоставленные им новые поля. Вследствие этого для проведения эйнштейновской программы еще не существовало твердой эмпирической основы, и попытка Эйнштейна не привела к каким-либо убедительным результатам»… Более того, задача построения единой «теории всего на свете» остается центральной задачей теоретической физики на ближайшее будущее.
Гравитационный прорыв
К концу 1950-х физике были известны уже не два, а четыре фундаментальных взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное (объединяющее протоны и нейтроны в атомные ядра) и слабое ядерное (отвечающее за многие превращения частиц и ядерные реакции, к примеру бета-распад). Причем гравитационное взаимодействие в этом ряду представлялось чем-то малосущественным — применительно к частицам оно было во много раз слабее даже слабого взаимодействия и казалось совершенно неважным в физике микромира. Все новые и новые экспериментальные данные о трех остальных взаимодействиях добывались на ускорителях. Бурно развивалась квантовая теория поля в плоском пространстве-времени на основе СТО, ставя и решая проблемы физики элементарных частиц. На этом фоне занятия гравитацией казались едва ли не чудачеством. Важность ОТО как фундаментальной теории признавалась, но ее экспериментальный базис был невелик: один эффект (в движении Меркурия) — проверка с точностью около 1% и один (отклонение света вблизи Солнца) — с точностью около 30%.

Космологические наблюдения могли свидетельствовать лишь о нетривиальности геометрии Вселенной, но никак не о справедливости тех или иных уравнений гравитации. Американцу Кипу Торну, в то время студенту, а ныне одному из корифеев гравитационной физики, его учителя не советовали заниматься ОТО — теорией, по их мнению, очень слабо связанной с остальной физикой и астрономией. Но он не послушался и стал не только выдающимся специалистом в области гравитационных волн, но и исследователем гипотетических пространственно-временных туннелей.
Ситуация стала меняться только в конце 1950-х — начале 1960-х. Развитие экспериментальной техники позволило запланировать и осуществить ряд новых проверок теории гравитации, а астрономические наблюдения все убедительнее свидетельствовали о реальности источников сильных гравитационных полей в космическом пространстве. Возросло и число альтернативных теорий гравитации. Были предсказаны десятки новых эффектов, сопровождаемые не меньшим числом предложений по их проверке.
На этом фоне еще более поразительным выглядит то обстоятельство, что именно ОТО подтверждается со все возрастающей точностью. Так, один из столпов теории — принцип эквивалентности — сегодня проверен с фантастической точностью (одна 10-миллиардная доля процента).
Впрочем, похоже, что возможности экспериментов на поверхности Земли на этом себя и исчерпали — слишком уж мешают исследованиям многочисленные атмосферные, сейсмические и техногенные шумы. Считается, что существенно повысить точности позволит планируемый спутниковый эксперимент STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle). Принцип эквивалентности предсказывается всеми обобщениями ОТО, в которых гравитация отождествляется с кривизной.
Другим, не менее универсальным эффектом, одинаковым для целого класса теорий, представляется так называемое гравитационное красное смещение. Суть его проста и заключается в том, что фотон, удаляясь от тяготеющего центра, теряет энергию и перемещается в более длинноволновую часть спектра — иначе говоря, «краснеет». А приближаясь к тяготеющему центру — «голубеет». Для сравнения: камень, подброшенный вверх, теряет скорость, а падающий вниз — увеличивает ее. В ОТО этот эффект связывается с замедлением хода часов: чем ближе они к источнику гравитационного поля, тем их ход медленнее. Проверен он как для фотонов (опыты 1965 года с резонансным поглощением гамма-фотонов атомными ядрами), так и непосредственно для часов (сдвиги показаний прецизионных атомных часов при полетах на самолетах). В действительности это тот самый эффект, который превращает ОТО из абстрактной теории в реально работающий инструмент. Глобальные спутниковые навигационные системы типа GPS, активно используемые моряками, военными и спасателями, включают в себя сверхточные часы. На точность их хода влияют и скорость спутника (эффект СТО), и гравитационное поле Земли (эффект ОТО), поэтому поправки на все это закладываются в программы обсчета сигналов, и летающие часы периодически «замедляют» с тем, чтобы они шли, как земные. Причем за один оборот спутника вокруг Земли набирается такая разность хода часов, пренебрежение которой ведет к ошибке в 50—100 м при определении координат наземного приемника. Эффект отклонения света (и радиоволн) — также многократно и с большой точностью перепроверенный — стал основой теории гравитационного линзирования — главного метода обнаружения сгустков скрытого вещества во Вселенной. Еще одно подтверждение ОТО — измерение задержки электромагнитного сигнала в поле Солнца (эффект Шапиро). Эта задержка обусловлена не замедлением скорости хода сигналов (скорость света всюду одинакова), а удлинением их пути по сравнению с расчетным для плоского пространства.
Опыты состояли в активной радиолокации космических аппаратов, и наиболее точные данные были получены с помощью орбитального и спускаемого аппаратов серии «Викинг», запущенных на Марс в 1977 году. Эффект составил ни много ни мало около 250 микросекунд, тогда как сами сигналы путешествовали в межпланетном пространстве около часа. В целом эффекты ОТО в Солнечной системе представляют собой малые поправки к предсказаниям классической физики, и проверены они с точностью до десятых долей процента.
Космос в свете ОТО
И все же куда более интересных явлений следует ожидать в сильных гравитационных полях. Их ищут и находят: теоретики — с помощью математических выкладок и рассуждений, астрономы –– с использованием все более совершенных приборов. Так, нейтронные звезды, существование которых еще в 1930-х годах предсказывали Оппенгеймер и Волков (кстати, на основе уравнений ОТО), были открыты в 1967 году в виде радиопульсаров. Бурное развитие астрономии и физики пульсаров привело, помимо прочего, и к новым подтверждениям ОТО. Пульсары –– сверхплотные объекты с массами порядка солнечной и размерами порядка нескольких километров –– часто находятся в двойных системах и порой довольно тесных. Высокая стабильность пульсарных «часов» дает возможность неплохо отслеживать небесную механику такой двойной системы.
Так пришло подтверждение выводов ОТО о вековых сдвигах перицентров (точки орбиты, ближайшие к центру, они же перигелий — для околосолнечных и перигей — для околоземных орбит) в двойных системах. Еще одно известное и едва ли не самое экзотическое предсказание ОТО –– черные дыры. Современная астрофизика рассматривает их как вполне реальные космические объекты, возникающие в результате гравитационного коллапса тяжелых звезд и часто присутствующие в центрах галактик. Любопытно, что уже первое точное решение уравнений Эйнштейна, полученное в 1916 году немецким астрономом К. Шварцшильдом и характеризующее статическое поле тяготеющего центра, содержит описание простейшей черной дыры. Хотя полное понимание свойств решения Шварцшильда было достигнуто лишь в 1960 году. С того же времени физика черных дыр развивается как самостоятельное направление исследований, которое уже привело к ряду интересных и во многом основополагающих результатов. Еще одна область для обсуждения теоретических основ ОТО –– это сингулярности (уходы в бесконечность), которые скрываются за горизонтами черных дыр.
Это –– точки, линии или поверхности, в которых пространство-время теряет гладкость, а величины, характеризующие кривизну, обращаются в бесконечность. Сингулярности могут быть связаны с бесконечными плотностями и давлениями материи, но встречаются и чисто геометрические, например в решениях уравнений Эйнштейна в вакууме –– в отсутствие материи. Неизбежность сингулярностей в решениях ОТО при очень общих условиях доказана в целом ряде теорем, и это указывает на то, что ОТО, по-видимому, не совсем точна при описании сверхсильных гравитационных полей. В отличие, скажем, от горизонта (границы) черной дыры (гладкой поверхности, работающей по принципу «всех впускать, никого не выпускать») сингулярности представляют для теории реальную проблему: исходя из самой теории, указывают границы ее применимости или же места, где она перестает работать. Таким образом, ОТО сама подсказывает необходимость выхода за ее рамки.
В связи с этим существуют предложения, связанные с попытками учесть квантовые явления. Хотя взаимоотношения гравитации и квантовой теории — отдельная и достаточно сложная история. Существует несколько способов получения квантовых версий ОТО, которые приводят к принципиально разным результатам. По этой причине многие специалисты полагают, что квантовая гравитация должна строиться не на основе ОТО, а на основе более общей и более глубокой теории, объединяющей гравитацию с другими взаимодействиями.
Совершенство бесконечности
На сегодняшний момент практически треть ежегодно представляемых научных работ в области гравитации так или иначе оказывается в области классической ОТО и ее астрофизических и космологических приложений. Совершенствуется математический аппарат, включая методы поиска решений уравнений Эйнштейна, находятся новые решения и анализируются старые, обсуждаются принципиальные вопросы и рассчитываются наблюдаемые эффекты. В экспериментальном разделе много работ, предлагающих попытки регистрации гравитационных волн, а также предложения о проведении измерений в космосе. Есть раздел альтернативных подходов, среди которых на почетном месте многомерные теории и теории объединения взаимодействий, включая гравитацию.
Разработчики обобщений ОТО преследуют довольно разнообразные цели. Это и попытки преодолеть ее трудности, сохранив или усилив достоинства, и стремление учесть принципы и явления, в ОТО не представленные. Но, пожалуй, главное во всех новых теориях –– это подход к гравитации как к составной части будущей «теории всего на свете». Объединенные модели гравитации, как правило, используют более сложные геометрические структуры, чем четырехмерная риманова геометрия, а также новые физические поля, помимо метрики. Многие из них используют идеи, выдвинутые еще в начале 1920-х годов. И все же каждая из таких теорий при наложении некоторых ограничений сводится к ОТО. Как и в ОТО, в них ведется поиск решений, представляющих физический интерес (черные дыры, космологические модели и так далее), и предсказаний, допускающих проверку наблюдениями.
Таким образом, несмотря на блестящий экспериментальный статус ОТО, большинство современных специалистов рассматривают ее не как последнее слово в этой области физики, а как низкоэнергетический предел пока еще не известной фундаментальной теории — скорее всего многомерной и объединяющей все взаимодействия. А значит, скорее всего, ОТО предстоит повторить судьбу теории Ньютона — отступить с переднего края исследований в глубокий тыл, став всего лишь важным предельным случаем новой, еще более совершенной теоретической конструкции.
Кладезь теорий
Скалярно-тензорные теории (СТТ)
В них гравитация характеризуется, помимо метрического тензора, определяющего кривизну пространства, одним или несколькими скалярными полями. Это такие поля, которые не зависят от выбора системы координат. СТТ –– самое простое с математической точки зрения обобщение ОТО, предсказывающее в общем случае зависимость гравитационной постоянной от положения в пространстве и времени, отличные от ОТО величины классических эффектов и большее разнообразие гравитационных волн.
Калибровочные теории
Главная их идея восходит к работам немецкого математика Г. Вейля 1918—1922 годов, в которых предлагалось использовать уравнения гравитации и электромагнетизма с дополнительной симметрией относительно некоторых преобразований самих полей. С 1950-х годов подобные симметрии (локальные калибровочные) широко используются для описания взаимодействий частиц. Важно, что калибровочные симметрии могут описываться в терминах геометрии некоторых особых пространств, продолжая тем самым геометризацию физики. Предполагается, что в таких теориях можно «сгладить» многие сингулярности, имеющиеся в решениях ОТО, и по-новому поставить проблемы энергии и квантования.
Теории суперструнного происхождения
Среди претендентов на роль «теории всего на свете» наиболее перспективными считаются так называемые теории суперструн. Струны —– это одномерные микрообъекты, которые, подобно гитарным струнам, могут испытывать колебания с определенным спектром частот. Этим частотам сопоставляются энергии различных частиц. Приставка «супер» в данном случае означает присутствие так называемой суперсимметрии — симметрии между разными типами элементарных частиц. Суперструны «живут» в искривленных пространствах 10-и или 11-и измерений (в зависимости от конкретного варианта теории) и при определенных условиях приводят к некоему подобию ОТО.
Теория мира на бране
Теории, работающие в пространстве, имеющем более четырех измерений, вынуждены отвечать на вопрос, почему эти измерения невидимы. В большинстве случаев, начиная с работ Т. Калуцы и О. Клейна 1920-х годов, ответ звучит так: лишние измерения замкнуты, или свернуты, и имеют крайне малые размеры.
Но возможен и другой ответ: например, 5-е или 6-е измерения — не малы, может быть, даже бесконечны, но наш мир «заперт» на четырехмерной поверхности, а для выхода в 5-е или 6-е измерения нужна огромная энергия. Такая запертая поверхность получила название «брана», а вся теория известна как «мир на бране». В таком мире могут существовать и черные дыры без сингулярностей, и кротовые норы, и многие другие нестандартные объекты и явления.
Кирилл Бронников, доктор физико-математических наук

В стародавние времена медлительные звезды указывали на смену времен года и руководили размеренной жизнью людей. А ныне бешеное движение электронов в атомах отмеряет миллиардные доли секунд нашего далекого от спокойствия бытия. Современные средства измерения времени работают безотказно и удивительно точно, но они никогда не смогут вернуть назад ни одного ушедшего мгновения. И тем не менее люди всегда стремились не только измерить время, но и осознать его природу.
Динамика мироздания
Что такое время? Ответ на этот вопрос ищет не одно поколение философов, астрономов, физиков, математиков, богословов, поэтов и писателей. Причем каждой эпохе свойственно свое представление о природе времени и способах его измерения.
С древнейших времен люди не просто существовали во времени, но и пытались осмыслить его суть. Гераклит Эфесский, живший на рубеже VI и V веков до н. э., писал, что мир полон противоречий и изменчивости, но время течет неизменно. Его знаменитое изречение «В одну и ту же реку нельзя войти дважды» абсолютно верно и сегодня, так же как 2 500 лет назад.
Не обошел проблему времени и Платон (427—347 годы до н. э.). Великий философ-идеалист провозгласил принцип его цикличности. Все в мире, согласно его учению, повторяется через некоторые промежутки времени, то есть идет по кругу или, как считают некоторые современные ученые, по расширяющейся спирали.
А вот Аристотель (384—322 годы до н. э.), ученик Платона, не менее знаменитый, чем его учитель, ко времени относился без должного внимания, не найдя места этому понятию в своей системе. В картине мира, созданной Аристотелем и просуществовавшей в научном мышлении без малого 15 веков, времени отводилась скромная роль средства измерения скорости движения, не более того, поскольку этого великого греческого философа не интересовали динамические процессы мироздания.
Постепенно работа человеческой мысли и потребности развивающегося общества неизбежно привели к пересмотру всего естественно-научного мышления, а также места времени в существующем мире. На пороге эпохи Великих географических открытий каноны научного мировоззрения значительно изменились и возникла новая картина физического мира.
Мир Галилея и Ньютона был, конечно же, Евклидов — бесконечен и однороден, — но в нем время обосновалось уже твердо как одна из важнейших и особых координат. Все вокруг стали описывать как происходящее в непрерывном и бесконечном пространстве-времени. Ньютоновской механике необходимо было абсолютное и единое время во всей Вселенной, а потому точность его измерения стала для науки главной технической задачей.
Теория абсолютного пространства и времени просуществовала всего два столетия. На рубеже XIX—XX веков в физике произошли события, существенно изменившие представление человека об окружающем мире и времени в нем. Квантовая механика Шредингера и теория относительности Эйнштейна позволили осознать, что человек живет уже не в трехмерном, а четырехмерном мире, в котором время, взаимосвязанное с пространством, играет особую роль. Все вокруг стало относительным и вероятностным, многие точные понятия начали растворяться, и время стало зависеть от скорости и степени искривленности пространства. Но для того чтобы к этому прийти, человечеству потребовалась не одна сотня лет.
Капля за каплей
Первый простейший прибор для измерения времени — солнечные часы — был изобретен вавилонянами примерно 3,5 тысячи лет назад. Небольшой стержень (гномон) укрепляли на плоском камне (кадран), разграфленном линиями, — циферблате, часовой стрелкой служила тень от гномона. Но поскольку «работали» такие часы только днем, то ночью им на замену приходила клепсидра, так греки называли водяные часы.
Металлический или глиняный, а позже — стеклянный сосуд наполняли водой. Вода медленно, капля за каплей, вытекала, уровень ее понижался, и деления на сосуде указывали который час. Не менее распространенными в Европе и Китае были так называемые «огненные» часы — в виде свечей с нанесенными на них делениями.
Первые песочные часы появились сравнительно недавно — всего тысячу лет назад. И хотя разного рода сыпучие индикаторы времени были известны давно, только должное развитие стеклодувного мастерства позволило создать относительно точный прибор. Но при помощи песочных часов можно было измерять лишь небольшие промежутки времени, обычно не более получаса. Таким образом, самые лучшие часы того периода могли обеспечить точность измерений времени ± 15—20 минут в сутки.
Без минут
Совершенно новым этапом в долгом процессе усовершенствования механизмов для измерения времени стало создание первых колесных часов. В них привод часов гирей был надежным и простым, а сила тяги — постоянной. Вес гири посредством колесной передачи приводил в действие вращающееся коромысло. Но так как баланс таких часов не имел собственного периода колебаний, то они были не очень точны.
Время и место появления первых механических часов доподлинно неизвестно. Впрочем, некоторые предположения на этот счет все же существуют. Самыми старыми, хотя и документально не подтвержденными сообщениями о них, считают упоминания, относящиеся к X веку. Изобретение механических часов приписывают Римскому Папе Сильвестру II (950— 1003), который, еще будучи простым монахом Гербертом из Ориллака, имел большой интерес к технике и был хорошо знаком с принципами построения различных арабских астрономических приборов. Но поскольку никаких описаний этих часов не сохранилось, то утверждать, что право изобретения механических часов принадлежит именно Сильвестру II, нельзя. Зато исторически подтвержден тот факт, что в 1288 году уже ходили железные башенные Вестминстерские куранты.
В любых часах должно быть что-то, что задает некий постоянный минимальный интервал времени, определяя темп отсчитываемых мгновений. Один из первых шпиндельных спусковых механизмов с билянцем (качающимся туда-сюда коромыслом) был предложен где-то около 1300 года. Важным его достоинством была легкость регулировки скорости хода путем перемещения грузиков на вращающемся коромысле. На циферблатах того периода была только одна стрелка — часовая, и еще эти часы каждый час били в колокол (английское слово «clock» — «часы» произошло от латинского «clocca» — «колокол»).
Постепенно почти все города и церкви обзавелись часами, равномерно отсчитывающими время и днем, и ночью. Поверяли их, естественно, по Солнцу, подводя в соответствии с его ходом.
Надо сказать, что люди далеко не сразу договорились начинать отсчет времени с полуночи. На протяжении XIV столетия продолжали сосуществовать разные системы отсчета: итальянские сутки начинались с заходом Солнца, вавилонские — с рассветом, германские — в полночь. Привычная нам система деления суток на два 12-часовых периода, с началом первого — в полночь и второго — в полдень, была предложена французами и сразу же пришлась по вкусу европейцам.
К сожалению, механические колесные часы исправно работали только на суше — так что эпоха Великих географических открытий прошла под звуки мерно пересыпающегося песка корабельных склянок, хотя больше всего в точных и надежных часах нуждались именно мореплаватели…
Зуб за зубом
В 1657 году голландский ученый Христиан Гюйгенс изготовил механические часы с маятником. И это стало следующей вехой в часовом деле. В его механизме маятник проходил между зубьями вилки, которая позволяла специальному зубчатому колесу проворачиваться ровно на один зуб за полкачания. Амплитуда движения маятника в таких часах была большой, и точность хода зависела не только от длины стержня, на котором висел груз, но и от размаха его качания. Точность часов возросла многократно, но перевозить такие часы все равно было невозможно.
В 1670 году произошло кардинальное усовершенствование спускового механизма механических часов — был изобретен анкерный спуск, позволивший существенно уменьшить амплитуду колебаний и применить длинные секундные маятники. После тщательной настройки, в соответствии с широтой месторасположения и температурой в помещении, такие часы имели неточность хода всего несколько секунд в неделю. Надо отметить, что взаимоотношения спускового механизма и маятника во всех часах имеют достаточно сложный характер. И если маятник задает темп вращения колесиков часового механизма, то именно спусковой механизм подталкивает маятник, делая его колебания незатухающими.
Эру компактных и переносимых механических хронометров открыло изобретение все тем же Гюйгенсом в 1675 году вращательного балансира, а также использование вместо гирь пружины. Соединение крутильного маятника, спиральной пружины и анкерного спуска открыло дорогу не только морской навигации, но и созданию массовых малогабаритных часов, а еще значительно повысило точность астрономических наблюдений и даже позволило обнаружить неравномерность вращения Земли.
Но тем не менее лунные таблицы, составляемые астрономами того времени для определения долготы, все еще «грешили» неточностями — от 1 до 2,5°, что соответствовало ошибке ни много ни мало 60—150 км — в Париже и Лондоне и 100—250 км — в районе экватора. А потому настоятельно требовались более совершенные методы навигации и, следовательно, более точные морские хронометры. И это было не просто благим пожеланием корабельщиков, а наиважнейшей задачей мореплавания. 29 сентября 1702 года эскадра численностью в 21 корабль под началом адмирала Клодисли Шовела вышла из Гибралтара в Англию.
Погода была неважной, но, как только небо очистилось от туч, штурманам удалось определить широту местонахождения. А вот долготу в то время точно измерить не могли… Результатом ошибки в расчетах стало то, что 5 кораблей эскадры в тумане налетели на Гилстонские рифы и 1 600 человек, в том числе адмирал, герой Англо-французской войны, погибли. Эта трагедия стала для Британии страшным потрясением. Вскоре парламент подготовил билль, согласно которому беспрецедентно огромная по тем временам награда размером в 20 тысяч фунтов (что было эквивалентно 150 кг золота) причиталась тому, кто на практике решит проблему определения долготы на море. Но несмотря на то что хронометрический метод определения долготы был известен, награда ждала своего героя 60 лет…
Морские часы были изготовлены в 1735 году йоркширским столяром Джоном Харрисоном. Их точность составляла ± 5 секунд в сутки, и они уже были вполне пригодны для морских путешествий. Однако, оставшись недовольным своим первым хронометром, изобретатель трудился еще почти три десятка лет, прежде чем в 1761-м начались полномасштабные испытания усовершенствованной модели, которая уходила меньше чем на секунду в сутки. Первая часть награды была получена Харрисоном в 1764 году, после третьего длительного морского испытания и не менее длительных канцелярских мытарств. Полностью вознаграждение изобретатель получил только в 1773 году. Испытывал хронометр капитан Джеймс Кук, составивший благодаря ему карту островов Полинезии. В судовом журнале он воздал хвалу детищу Харрисона: «Верному другу — часам, нашему проводнику, который никогда не подводит». С этого момента понятия «навигация» и «время» стали поистине неразлучны.
Гальваника против механики
В начале XIX столетия, совпавшем с бурным развитием технического прогресса, с проблемой хранения времени столкнулись почтовые службы, пытавшиеся обеспечить движение почтовых экипажей по расписанию. В результате они обзавелись возимыми часами. А с появлением железных дорог часы получили в свое распоряжение и кондукторы. Чем активнее развивалось трансатлантическое сообщение, тем насущнее становилась проблема обеспечения единства отсчета времени по разные стороны океана. В этой ситуации возимые часы уже не годились. И тут на помощь пришло электричество, в те времена называемое гальванизмом. Электрические часы решили проблему синхронизации на больших расстояниях — сначала на материках, а потом и между ними. В 1851 году кабель лег на дно Ла-Манша, в 1860-м — Средиземного моря, а в 1865-м — Атлантического океана. А с 1899 года началась эра передачи сигналов точного времени по радио.
На начальной стадии развития электрических часов электроэнергия служила лишь для завода механического ведущего устройства — груза или пружины. Электрические часы, существенно отличающиеся от классических шестеренчатых, сконструировал англичанин Александр Бэйн, изобретатель электромеханического телеграфа. В 1840 году он получил патент на электрические часы, главными деталями которых были обычные механические, приводимые в действие пружиной, зато индикатор времени был уже основан на суммировании электрических импульсов, подаваемых маятником часов. К 1847 году Бэйн завершил работу над действительно электрическими часами, сердцем которых был контакт, управляемый маятником, раскачиваемым электромагнитом. Колебания складывал электромагнитный счетчик, соединенный колесной передачей со стрелками на циферблате.
В начале XX века электрические часы окончательно вытеснили механические в системах хранения и передачи точного времени. Наиболее точными часами, основанными на свободных электромагнитных маятниках, были часы Уильяма Шортта, установленные в 1921 году в Эдинбургской обсерватории. Из наблюдения за ходом трех часов Шортта, изготовленных в 1924, 1926 и 1927 годах в Гринвичской обсерватории, определили их среднесуточную погрешность в 1/300 с, что соответствует ошибке 1 секунда в год. Точность часов со свободным маятником Шортта позволила обнаружить изменения продолжительности суток. И в 1931 году начался пересмотр абсолютной единицы времени — звездного времени, с учетом движения земной оси. Эта ошибка, которой до того пренебрегали, достигала в своем максимуме 0,003 секунды в сутки. Новая единица времени была позднее названа Средним звездным временем. Точность часов Шортта была непревзойденной, вплоть до появления кварцевых часов.
Предтеча высокоточности
В 1918 году были впервые построены часы, которые использовали свойства кварцевого резонатора. В 1937-м кварцевые часы, разработанные Льюисом Эссеном, были установлены в Гринвичской обсерватории, их точность составляла около 2 мс/ сутки. А в 1944-м международные сигналы времени в виде шеститочечных сигналов Би-би-си генерировались с помощью кварцевых часов, точность которых возросла уже до 0,1 мс/сутки.
Во второй половине ХХ века пришла пора часов электронных. В них место электрического контакта занял транзистор, а в роли маятника выступил кварцевый резонатор.
Сегодня именно кварцевые резонаторы в наручных часах, персональных компьютерах, стиральных машинах, автомобилях, сотовых телефонах формируют время нашей жизни.
Атомный эталон
Новый толчок в развитии устройств для измерения времени был дан физиками-атомщиками. В 1964 году двое советских ученых — Н.Г. Басов и А.М. Прохоров — и американец Чарльз Таунс получили Нобелевскую премию по физике за работы по развитию микроволновой спектроскопии. А в 1949-м были построены первые атомные часы, где в качестве источника колебаний выступил не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Эта электромагнитная волна, то есть фотон радиоизлучения, характеризуется очень высокой стабильностью энергии и частоты колебаний.
Поскольку атомы могут как отдавать, так и поглощать фотоны, первые атомные часы действовали по принципу поглощения фотонов атомами аммиака, но так как на практике они оказались не очень точны, к тому же громоздки и дороги, то широкого распространения не получили. Тогда было решено обратиться «за помощью» к другому химическому элементу — цезию, атомы которого при надлежащем выборе условий способны поглощать электромагнитные волны с частотой 9192 МГц. Используя это его свойство, Джон Шервуд и Роберт Мак-Кракен создали первый цезиевый пучковый резонатор, а в 1955-м появились первые атомные часы на основе атомов цезия. Помимо него, в атомных часах также используются атомы водорода и рубидия.
Вообще же, со времени изобретения атомных часов их точность повышалась в среднем вдвое каждые 2 года, и хотя предела совершенству в этом вопросе не видно и по сей день, в 1967 году было решено перейти на атомный эталон времени. И вот почему. О том, что вращение Земли замедляется, ученые знали давно, но в какой-то момент выяснилось, что величина этого замедления — непостоянна, да и определить закономерности вариаций скорости вращения Земли не представляется возможным. И это значительно затрудняло работу астрономов и хранителей Времени. В настоящее время Земля вращается с замедлением примерно на 2 миллисекунды за 100 лет. При этом сезонные и 10-летние колебания длительности суток также достигают тысячных долей секунды. Поэтому на очередном этапе развития общества точность Гринвичского среднего времени — общепринятого с 1884 года мирового эталона, определение которого основывалось на среднем солнечном времени, — стала недостаточной.
Принимая во внимание это обстоятельство, международный Комитет по мерам и весам в 1954 году предложил определение секунды как 1/31 556 925,9747 доли тропического года на 1 января 1900 года в 12 часов звездного времени. И лишь в 1967-м состоялся переход от столь неудобного и неуточняемого определения секунды к атомному эталону времени. Сегодня секунда — это промежуток времени, точно равный 9 192 631 770 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия 133.
Переход к атомному времени поставил следующий вопрос — что будет, если атомные часы сломаются? Так родилась концепция групповых стандартов — «ансамбля часов». Три комплекта обеспечивают независимую оценку стабильности, четвертые — на случай поломки. Более того, при определенном алгоритме измерений у ансамбля часов можно получить лучшие характеристики.
На сегодняшний момент в качестве шкалы времени используется Всемирное Координированное Время (UTC, Universal Time Coordinated), основанное на определении секунды через квантовый резонанс в атоме цезия (Cs133). За UTC не стоят никакие «материальные» часы». Эта шкала формируется Международным бюро мер и весов (BIPM) путем объединения данных лабораторий хранения времени различных стран, а также данных Международной службы вращения Земли (IERS). Точность UTC почти в миллион раз выше, чем астрономическое Гринвичское среднее время. Ошибка, свойственная атомным часам при определении секунды, составляет менее ± 0,3 нс за сутки, что эквивалентно одной секунде за 10 миллионов лет.
Поскольку Время научились измерять с такой высокой точностью, то в 1983 году на Международной конференции по мерам и весам было дано новое определение эталона длин: «Метр — длина пути, который свет проходит в вакууме за 1/299792458 секунды».
В 1982 году в спор между астрономическим определением эталона Времени и победившими его атомными часами вмешался новый астрономический объект — миллисекундный пульсар. Радиотелескопы фиксируют импульсный поток, который покинул звезду 30 тысяч лет назад. Астрономы выдвинули гипотезу, что электромагнитные импульсы с периодом 1,55780645169838 миллисекунды излучает нейтронная звезда с массой Солнца, радиусом 10 км, вращающаяся со скоростью 642 оборота в секунду. Эти сигналы по стабильности не уступают лучшим атомным часам. Наличие таких высокостабильных галактических часов, внешних по отношению к нашей Солнечной системе, позволит ученым получать много новой информации о межзвездной среде, об орбите Земли, а также продолжить эксперименты по обнаружению гравитационных волн, которые могут искажать пространство и время, как это было предсказано Эйнштейном в начале XX века.
Новый стандарт
В XXI веке в Интернете появилось свое электронное, Гринвичское, время. С 1 января 2001 года английским правительством было официально объявлено о новом стандарте времени Greenwich e-time (GET), который будет использоваться для обеспечения глобальных электронных платежей (транзакций) через Интернет.
Швейцарская фирма Swatch, создав самые тонкие наручные часы толщиной менее 1 мм, не остановилась на достигнутом и ввела собственное интернет-время, разделив сутки на 1 000 частей и ведя его отсчет из штаб-квартиры компании. Стать мировым стандартом этому времени не суждено, хотя идея эта реализована, в том числе и в виде наручных часов.
Новое слово в создании наручных часов пытается сказать и глава компании Microsoft Билл Гейтс. Он также внедряет новую технологию передачи персональной информации на наручные часы. Его идея получила название SPOT (Smart Personal Objects Technology). SPOT-часы, принимая радиосигналы точного Времени в FM-диапазоне, способны автоматически корректировать время в соответствии с местом пребывания. По тому же каналу связи в них попадают коммерческие, спортивные, метео- и другие новости.
Наделить наручные часы дополнительными функциями пытались и ранее. Существуют часы-телевизор, часы-радиоприемник, часы-телефон, часы-приемник GPS, часы-компьютер, часы-метеостанция, часы-компас, часы-глубиномер и часы-альтиметр. Особую страсть к таким устройствам питают японцы, и надо отметить, что наиболее активная часть землян весьма привержена противоударной наручной электронике.
Календарь с потерей суток
Для наших предков основным источником информации о времени была цикличность, заложенная природой в движение планет и звезд, в смену времен года, светлой и темной частей суток. Спать ложились с заходом, вставали с восходом, полдень определяли по тому, что Солнце достигло наивысшей точки своего пути по небосводу. Для отсчета длительности промежутков времени и упорядочения жизни был придуман календарь.
Усовершенствовав уже существовавшую систему учета дней, египетские жрецы разработали календарь, очень похожий на современный европейский: год, состоявший из 365 суток, они разделили на 12 месяцев по 30 дней, а в конце года добавляли 5 дополнительных дней. У этого календаря был существенный недостаток: на самом деле в году не ровно 365, а около 365 с четвертью суток, и из таких четвертушек за 4 года накапливались целые сутки.
А вот древние вавилоняне считали, что в году не 365, а 360 дней (именно поэтому в окружности 360°). Они и свой календарь таким сделали, и в окружность привнесли свои заблуждения. Однако в данном случае любовь к «хорошим» числам (легко делящимся на много частей) сыграла свою позитивную роль, положив начало крайне удобному исчислению углов, унаследованному от вавилонских астрономов, которые делили градус угловой дуги дважды на 60: prima minuta — первое малое деление, secunda minuta — второе малое деление. Сутки подразделяются на часы, минуты и секунды тоже способом, унаследованным от вавилонян. В 46 году до н. э. Гай Юлий Цезарь преобразовал существовавшую до той поры систему летоисчисления: он принял продолжительность года в 365 с четвертью суток и предписал в каждом четвертом, високосном, году считать 366 дней.
Просуществовав не одно столетие, в XVI веке юлианский календарь подвергся некоторой модернизации. Поскольку солнечный год отличался от юлианского по продолжительности (он меньше на 1/128-ю часть суток), то за каждые 128 лет накапливались лишние сутки, и к XVI столетию эта разница составила уже целых 10 дней. Тогдашнего понтифика Папу Григория XIII крайне волновала проблема вычисления даты Пасхи, которая постепенно все более приближалась к Рождеству. Поэтому по совету календарной комиссии Григорий XIII предписал не считать високосными те «сотенные» (оканчивающиеся на два нуля) годы, числа которых не делятся на 400, то есть 1700, 1800 и 1900 годы.
Таким способом за 400 лет пропускались трое «лишних» суток. Именно этим новым стилем, названным григорианским, пользуется сегодня человечество в качестве внеконфессионального и межгосударственного календаря. Впрочем, и он не очень точен и не очень удобен в повседневной производственноторговой и научной деятельности, поэтому попытки усовершенствовать систему летосчисления не прекращаются, правда, уже не в папской резиденции, а в ООН, где продолжается работа над универсальным Всемирным календарем.
Магелланова среда
Особенно большое значение песочные часы имели на кораблях: в пасмурную погоду, когда по небесным светилам нельзя было определить время, его узнавали по песочным часам, известным нам как «склянки». Юнги отмеряли получасовые отрезки времени и били в колокол. Существовавшей в эпоху Средневековья точности измерения было совершенно недостаточно для навигации при морских путешествиях. Широту местонахождения корабля можно определить, просто измерив высоту Солнца, Луны или звезд, а для того, чтобы найти долготу, необходимо знать не только местное солнечное время, но и который сейчас час на широте порта приписки.
…В 1519 году из Севильи на запад отправилась флотилия Магеллана, цель экспедиции — кругосветное путешествие, а если точнее, пряности индийских островов. Три года пути, трудов, лишений, борьбы, открытий, и вот — Севилья встречает героев… После кругосветного плавания Магеллана человечество окончательно убедилось в том, что Земля круглая, вот только календарное время преподнесло очередной сюрприз. О ужас! Корабельный календарь не соответствовал местному: на корабле была среда, а в Севилье — четверг. Набожные испанцы босиком в белых саванах поспешили в церковь замаливать грехи — получалось, что они, сами того не ведая, передвинули дни постов и церковных праздников… Так люди поняли, что, основываясь только на заходах и восходах Солнца, можно и ошибиться в подсчете дней своей жизни.
Как хранить время
После того как были заложены теоретические основы измерения времени и земного пространства и созданы часовые и угломерные приборы достаточной точности, возникла необходимость учреждения системы отсчета и хранения времени.
Что принять за начальную точку отсчета для определения долготы? Как обеспечить хранение времени при длительных путешествиях? Как сличать это время с местным? Поскольку истинный полдень (самая короткая тень от гномона) наступает в различных точках Земли в разное время, необходимо было договориться об определенных условностях его отсчета. Так, пожалуй, впервые в истории человечества за стол переговоров сели бывшие военные противники, финансовые конкуренты и религиозные антиподы… Целое столетие ученые и государственные мужи разных стран спорили о том, где будет находиться «нулевой меридиан». Договориться им удалось только 1 ноября 1884 года — Международная меридианная комиссия признала за «нулевой» Гринвичский меридиан и рекомендовала принять Гринвичское время в качестве всемирного…
Гринвичский меридиан был выбран не случайно. Там в 1675 году по указу английского короля Карла II была организована астрономическая обсерватория, а двумя годами позже установлены маятниковые часы. Там же было впервые выведено уравнение времени, которое позволяло вычислять разницу между показаниями часов и солнечным временем. Солнце не является идеальным хранителем времени, поскольку полет нашей планеты происходит по эллиптической орбите и ось Земли наклонена к плоскости ее движения. Как следствие солнечное время то отстает от часового, то опережает его. Знаменитая вытянутая солнечная восьмерка — аналемма символизирует именно этот факт. Так родилось среднее Гринвичское время.
Релятивизм в действии
В 1905 году Эйнштейн предложил теорию относительности, суть которой заключается в том, что на быстро движущемся объекте время течет медленнее. То есть время стало величиной относительной. Такие понятия, как «сейчас», «сегодня», «завтра», имеют простой, общепринятый смысл только для событий, происходящих недалеко друг от друга. А если, например, сесть в космический корабль и разогнать его до скорости, близкой к скорости света, то можно и в будущее слетать посмотреть, как там будет на Земле через пару сотен лет, только вот вернуться в свое настоящее уже не удастся…
В 1908 году немецкий ученый Г. Минковский доказал неразрывное единство пространства и времени и ввел новое понятие пространство—время. Так мир стал четырехмерным. А в 1916 году Эйнштейн завершил создание общей теории относительности, согласно которой пространство—время может искривляться под действием сил тяготения (математически искривленные пространства ранее описал Н. Лобачевский). С тех пор геометрия искривленных пространств называется неевклидовой. Но самым интересным открытием в общей теории относительности является то, что в сильном поле тяготения время течет медленнее. Это означает, что часы у поверхности Солнца идут медленнее, чем у поверхности Земли, а часы на околоземной орбите, наоборот, быстрее.
Так называемые релятивистские эффекты учитываются сегодня не только учеными, астрономами, но и инженерами. Их влияние на навигационные спутники GPS и ГЛОНАСС сказывается на вычислениях орбит, на распространении навигационных сигналов и, конечно, на ходе бортовых атомных часов. Последняя поправка наиболее существенна и выражается в искусственном «замедлении» атомных часов спутников ГЛОНАСС и GPS.
Биологический хронометраж
Для интуитивной оценки времени Природа снабдила человека особым «механизмом» — так называемыми биологическими часами. Они отсчитывают циклы, приблизительно равные 24 часам. И только в 2001 году ученые определили участок головного мозга, в котором находятся биологические часы человека. Выяснилось, что за восприятие времени отвечают так называемые базальные ядра и теменная часть коры больших полушарий. Причем механизмы оценки небольших интервалов времени и упорядочение событий нашей жизни в памяти происходят принципиально разными способами.
Из жизни носимых часов
1500
После изобретения в 1470 году плоской пружины, заменившей гири, мастер Питер Хенлейн из немецкого города Нюрнберга изготовил первые носимые часы. Их корпус, имевший только одну, часовую, стрелку, был выполнен из позолоченной латуни и имел форму яйца. Первые «Нюрнбергские яйца» были диаметром 100—125 мм, толщиной 75 мм и носили их в руке или на шее
1515—1540
В этот период была решена одна из основных проблем ранних механических часов — изменение силы тяги заводной пружины. Сделано это было пражским мастером Джакобом с помощью специального барабана переменного диаметра
1630
Циферблат карманных часов был впервые накрыт стеклом. Подход к их оформлению стал более изощренным. Корпуса стали изготавливать в виде животных и других реальных объектов, а для украшения циферблата применяли эмаль
1670
Появление анкерного спуска, позволившего использовать маятники с малой амплитудой качания
1675
Изобретение спиральной пружины-балансира. С этого момента крутильный маятник в носимых часах полностью заменил обычный. Точность хода носимых часов, особенно после внедрения горизонтального анкерного спуска, кардинально повысилась, поэтому в механизм пришлось добавить еще одну, минутную, стрелку
1680
Изобретение секундного механизма и появление секундной стрелки
1704
Первое применение в часах рубиновых и сапфировых опор для балансира и шестеренок существенно уменьшило трение и повысило точность и запас хода
1715
Изобретение Д. Грэхамом апериодического анкерного механизма
1761—1762
Изготовление Д. Харрисоном первого морского хронометра, позволившего с высокой точностью определять местонахождение судна во время плавания
1783
Начало работы А. Бреге над часами «Королева Мария Антуанетта». Часы имели автоподзавод, минутный репетир, вечный календарь, независимый секундомер, «уравнение времени», термометр и индикатор запаса хода. Задняя крышка, выполненная из горного хрусталя, давала возможность увидеть работу механизма.
1795
Изобретение А. Бреге турбийона, считающегося величайшим достижением в часовой промышленности и наиболее сложным устройством. Вращая с помощью него колебательную систему часов, удается компенсировать влияние гравитации на точность хода
1799
Изготовление А. Бреге часов «Tact», получивших известность как «часы для слепых». Их владелец мог узнавать время, прикоснувшись к открытому циферблату
1801
Получение Бреге патента на изобретение турбийона и изготовление с ним первых часов
1830
Представление компанией Брегет (Breguet) часов, в которых корректировка времени и завод осуществлялись одной заводной головкой
1844
Представление А. Николем хронометра с функциями старта, остановки и сброса. Разработки над ним велись до 1862 года
1850-е
Заключение главной часовой пружины в барабан, что привело к отказу от специального механизма выравнивания ее тяги и сделало часы намного более компактными
1853
Начало массового производства серийных, то есть однотипных, часов
1880
Фирма Girard-Perregaux первой начала массовое производство наручных часов для армии
1914
Представление компанией Eterna первых наручных часов с функцией будильника
1923
Начало производства наручных часов с автоподзаводом
1926
Представление фирмой Rolex модели водонепроницаемых часов «Oyster»
1929
Презентация компанией Jaeger-LeCoultre самого тонкого часового механизм. Его размеры — 14x4,8x3,4мм, вес — 1 г
1935
Презентация компанией Ulysse Nardin карманного сплит-хронографа, способного измерять время с точностью до 1/10 секунды
1956
Представление фирмой «Ролекс» своей первой модели «Президент» — с индикатором дня недели и даты. Первые часы этой серии были подарены президенту Эйзенхауэру
1961
Первый в истории полет Ю. Гагарина в космос с часами «Штурманские» 1-го Московского часового завода
1964
Появление первого в мире кварцевого стрелочного хронографа Seiko
1969
Первое в истории пребывание астронавтов с часами Omega Speedmaster на Луне
1972
Появление первых в мире кварцевых электронных часов на жидких кристаллах фирмы Ebauches SA
1979
Представление компанией Vacheron Constantin модели «Kallista» — самых дорогих часов в мире. Стоимость этих часов, украшенных бриллиантами общим весом 130 карат, составила порядка 9 миллионов долларов
1986
Представление компанией Audemars Piguet первых часов с турбийоном и автоподзаводом
1988
Появление первых автоматических кварцевых часов без батарейки, заряжающихся от движения руки, фирма Le Phare Jean d`Eve
1991
Создание часов «Mega 1» фирмы Junghans, способных принимать радиосигнал синхронизации c атомными часами
1994
Включение хронографа FORTIS Official Cosmonauts Chronograph в состав штатного снаряжения, пригодного для выхода в открытый космос, Российским Центром подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина
1999
Начало производства фирмой OMEGA часов с Co-Axial спуском, придуманным Д. Дэниэлсом, и балансом без традиционного регулятора хода. Сочетание этих нововведений существенно повысило точность механических часов
2000
Презентация фирмой Tissot многофункционального кварцевого хронографа T-Touch с сенсорным сапфировым стеклом, а также двойной индикацией времени, барометром, альтиметром (высотомер), секундомером, аналоговым компасом, будильником и термометром
Часы в цифрах
В2002 году было произведено 1 млрд. 240 млн. часовых механизмов. Из них около 60% изготовлено в Японии. Швейцарцы экспортировали только 28 млн. часов. Правда, учитывая разницу в цене, швейцарские фирмы по выручке существенно опережают японские — 8 млрд. долларов против 1, 7 млрд.
Большинство выпущенных часов — кварцевые со стрелками. Доля чисто электронных часов с жидкокристаллическим индикатором времени невелика — около 10%. Чисто механических часов было произведено всего 18 млн.
Из них: в Швейцарии — 2,9 млн., в Японии — 3 млн., в СНГ — 6,2 млн. Крупнейшим в мире покупателем часов являются США. На их долю приходится 15% швейцарского экспорта, 25% — японского и 26% — гонконгского. Россия в 2002 го