Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (16) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Айнщайновото червено отместване

Обаче скоро след откритието на Адамс възникнал и друг начин за разглеждане, на този въпрос, но вече от съвсем друга гледна точка.

През 1915 г. швейцарският физик от немски произход Алберт Айнщайн (1879–1955) публикувал своята обща теория на относителността, която представлявала нов възглед за Вселената като цяло. Според тази нова теория трябвало да съществуват някои явления, които могат да се наблюдават, но които не биха могли да съществуват, ако старите възгледи се окажеха правилни. Например, когато светлината е излъчена от тяло с голяма маса, силното гравитационно поле на тялото според общата теория на относителността трябва да окаже въздействие върху светлината.

Айнщайн, позовавайки се на работата на немския учен Макс Карл Ернст Лудвиг Планк (1858–1947) от 1900 г., показал, че светлината трябва да се разглежда не само като вълни, но като вълни, събрани в пакети, които в някои случаи се държат като частици. Тези светлинни частици се наричат фотони от гръцката дума, която означава „светлина“.

Когато са в покой, фотоните имат маса, равна на нула — в този случай те не са източник на гравитационно поле, нито пък могат да реагират по познатия ни начин. Обаче фотоните никога не се намират в покой, те винаги се движат със скорост (във вакуум) 299 792,5 km/s. (Така се държат и всички останали частици, които нямат маса.) Когато се движат с такава скорост, фотоните притежават определена енергия — действието на гравитационното поле не може да измени скоростта на фотоните във вакуум (нищо не може да я промени), но това действие може да промени посоката на движение на светлината и да намали енергията й.

Такова отместване на светлината било забелязано през 1919 г. На 29 май същата година имало пълно слънчево затъмнение, което можело да се наблюдава на о. Принсипи близо до бреговете на Африка. В близост до затъмненото Слънце обикновено могат да се видят някои по-ярки звезди, чиито лъчи сякаш се плъзгат покрай Слънцето. Според теорията на Айнщайн тази светлина, преминавайки покрай Слънцето, трябва да се отклони съвсем малко към него — затова самите звезди сякаш слабо се приближават към слънчевия диск в сравнение с обичайното си положение. Видимите положения на близките до Слънцето звезди били измерени много внимателно първо по време на затъмнението и за втори път половин година след това, когато Слънцето било вече на противоположната страна на небето и не могло да окаже никакво влияние върху светлината на тези звезди. Оказало се, че светлината има поведение, каквото предсказвала теорията на Айнщайн, и това послужило като потвърждение на общата теория на относителността.

Естествено астрономите били нетърпеливи да направят още проверки на теорията. Например как светлината губи енергия в гравитационното поле? Светлината, която напуска Слънцето, трябва да губи енергия под влияние на неговата гравитация. Ако фотоните бяха обикновени частици, които имат маса, тяхната скорост би трябвало да се намали при отдалечаването им от слънчевата повърхност. Но тъй като фотоните имат маса на покой нула, такова нещо не се случва, а вместо това всеки фотон ще губи малко от своята енергия.

Тази загуба на енергия би трябвало да се детектира в слънчевия спектър. Колкото по-голяма е дължината на вълната на даден фотон, толкова неговата енергия е по-малка. В спектъра, където светлината е подредена по дължини на вълните от виолетовия (с най-малка дължина на вълната) до червения цвят (с най-голяма дължина), съществува плавен преход от високата енергия на виолетовото до ниската енергия на червеното.

Ако слънчевата светлина губи енергия под действието на гравитацията, то всяка част от нея с дадена дължина на вълната ще се отмести към червения участък на спектъра. Такова червено отместване би могло да се детектира по тъмните линии в слънчевия спектър, като се сравнят техните положения със същите линии в спектрите на обекти, намиращи се в слабо гравитационно поле — например със спектрите на нагорещени обекти в някоя земна лаборатория.

За съжаление няма смисъл да се търси такова айнщайново червено отместване в слънчевия спектър, тъй като този ефект там е минимален и дори мощното гравитационно поле на Слънцето не може да генерира измерим ефект.

Тогава Едингтън (който пръв разработил теорията за вътрешния строеж на Слънцето и бил голям пропагандатор на теорията на относителността) съобразил, че ако Сириус B при своя малък размер е и наистина много масивен, то това би могло да даде търсения отговор. Всъщност върху светлината влияе не толкова пълното гравитационно привличане на звездата, колкото силата на гравитацията при нейната излъчваща повърхност, откъдето светлината прави началния си скок в космическото пространство.

Така интензитетът на гравитационното поле на Слънцето е 333 500 пъти по-голям от земния, но повърхността на Слънцето е толкова далеч от центъра му: че повърхностната гравитация там е само 28 пъти по-голяма от тази при повърхността на Земята.

А какво можем да кажем за Сириус B? Тя има масата на Слънцето, концентрирана в обект с размерите на Уран. Има и същата гравитационна сила като слънчевата, но ако стъпите на повърхността й (естествено, само въображаемо), ще бъдете много по-близо до нейния център, отколкото ако направите същото на повърхността на Слънцето.

Затова повърхностната гравитация на Сириус B е около 840 пъти по-голяма от слънчевата и 23 500 пъти по-голяма от земната. Айнщайновото червено отместване би трябвало да е много по-силно изразено в спектъра на Сириус B, отколкото в слънчевия.

Едингтън предложил на Адамс, който бил експерт по Сириус B, да изследва отново нейния спектър и да се опита да детектира такова червено отместване. През 1925 година Адамс направил такъв опит и установил, че наистина съществува точно такова червено отместване, каквото предсказва теорията на Айнщайн.

Всичко това дава не само още едно неоспоримо потвърждение на общата теория на относителността. След като теорията е вярна, това е и силно доказателство, че Сириус B наистина е толкова масивен и толкова компактен, колкото Адамс твърдеше. Само в този случай той би имал достатъчно голяма повърхностна гравитация, за да генерира наблюдаваното червено отместване.

Така през 1925 година учените установили съществуването на бели джуджета. Тогава отпаднали и последните съмнения.

Огромното привличане на повърхността на Сириус B предполага и огромна скорост на избягване. Ако от повърхността на Земята се изстреля ракета без друг източник на енергия освен първоначалния тласък, тя трябва да има скорост поне 11,25 km/s, за да напусне завинаги Земята. От повърхността на Слънцето тази скорост трябва да е 617 km/s, а от повърхността на Сириус B — около 3300 km/s.

Дори 11,25 km/s е голяма скорост по стандартите на Земята. Така че скорост 3300 km/s е направо огромна — това е 1/90 от скоростта на светлината.