Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

В каком-то смысле значимость ОТО Эйнштейна превосходит все, что можно извлечь из повседневного существования, поскольку описывает фундаментальные свойства мира, в котором мы живем. Жажда знания, понимания – важная особенность, делающая нас людьми.

Однако измеряемые воздействия на обыденную жизнь существуют . Их немного, но они есть. Например, GPS-навигатор вашего автомобиля работал бы неправильно, если бы инженеры не учли эффекты ОТО, – и вместо ресторана, где у вас заказан столик, вы угодили бы в канаву или в реку. (Это впечатляющее исключение я имел в виду, говоря в главе 1, что можно прекрасно прожить жизнь, ничего не зная об ОТО.)

Ваша навигационная система знает, где вы находитесь. Именно поэтому она может указать путь от Нью-Йорка до Сан-Франциско или провести через лабиринт улиц незнакомого города. Чтобы вычислить ваше местоположение, устройство ловит сигналы нескольких спутников, входящих в Систему глобального позиционирования (Global Positioning System – GPS). Около 30 спутников мчатся по земной орбите на высоте порядка 20 000 км. На каждом установлены атомные часы. Сравнивая сигналы часов трех или более GPS-спутников, ваша навигационная система выясняет расстояние до каждого из них. Затем тригонометрические вычисления позволяют определить ваши координаты: долготу, широту и высоту над уровнем моря.

Поскольку спутники движутся высоко над Землей, часы системы GPS испытывают эффекты замедления времени, как гравитационные, так и кинематические. Если бы бортовая система их не корректировала, ваше расчетное местоположение отклонялось бы от реального на многие метры в течение часа. Итак, вот ситуация из повседневной жизни, когда наносекундные сдвиги времени, по Эйнштейну, имеют очевидное практическое значение. Вспомните об этом в следующий раз, включая навигационную систему.

Эксперименты Паунда – Ребки и Хафеле – Китинга являются одними из самых известных проверок теории относительности. Было проведено множество других – Ивеса – Стилвелла, Кеннеди – Торндайка, Росси – Холла, Фриша – Смита и т. д. (Большинство названы в честь двух мужчин-экспериментаторов. Но есть исключения, например, эксперименту Эт – Ваш дали название не физики Эт и Ваш, а барон Лоранд Этвёш де Вашарошнамень и Вашингтонский университет.) Я не стану описывать каждый опыт, главное, что все результаты, с чем бы они ни были связаны – от быстродвижущихся мюонов до орбитального ускорения Луны, – снова и снова с все большей точностью подтверждали верность как специальной, так и общей теории относительности.

Целесообразность расходования $750 млн на очередную проверку могла казаться спорной. Особенно в сравнении с суммой в $8000, за которую Джозеф Хафеле и Ричард Китинг вместе с атомными часами слетали на реактивных самолетах вокруг света.

Напомню, однако, что Gravity Probe B был задуман и сконструирован для экспериментального подтверждения того, что до сих пор ни разу не подвергалось проверке, – не замедления времени, не гравитационного красного смещения, не отклонения света звезд, а геодезической прецессии и увлечения инерциальных систем отсчета. (Если вас заинтересовала буква «B» в названии эксперимента: был и Gravity Probe A, поставленный в 1976 г. для измерения гравитационного красного смещения с гораздо большей точностью, чем у Паунда и Ребки.)

Геодезическая прецессия иногда называется прецессией де Ситтера – в честь лейденского математика Виллема де Ситтера, первым описавшего ее еще в 1916 г. (Возможно, вы помните, что именно статья де Ситтера познакомила Англию с ОТО Эйнштейна.) По сути, это прямое следствие искривления пространственно-временного континуума вблизи массивного тела.

Представим изолированную сферу, вращающуюся в безвоздушном пространстве. В отсутствии внешних сил ее ось вращения всегда будет направлена в одну точку. Теперь поместим эту сферу на земную орбиту. Ньютон полагал бы, что ось вращения сохранит прежнее направление: если она указывала на далекую звезду, то так и будет на нее указывать на каждом орбитальном витке. Эйнштейн предсказывает иное. Из-за присутствия Земли пространственно-временной континуум вблизи планеты искривляется. Ось вращения сферы действительно сохраняет фиксированное положение в искривленном пространственно-временном континууме. Но при наблюдении со стороны, оттуда, где пространственно-временной континуум остается неискривленным, вы заметите очень медленное смещение. Какое-то время ось будет указывать на отдаленную звезду, но в процессе множества витков точное соответствие утратится. Это и есть геодезическая прецессия.

Увлечение инерциальных систем отсчета тоже легко представить. Возможно, вам встречались иллюстрации, где искривление пространственно-временного континуума показано с помощью шара для боулинга, лежащего на батуте. Плоская поверхность батута изображает пространственно-временной континуум, а шар – массивное тело, такое как Солнце или ЧД. Точно так же, как шар для боулинга деформирует поверхность батута, массивные тела вызывают местное искривление пространственно-временного континуума.

Сравнение с батутом несовершенно, как и любое другое. Однако оно полезно для понимания эффекта увлечения инерциальных систем отсчета. Представьте, что вы стоите возле батута. Давление шара идеально симметрично. Теперь положите ладонь на верхнюю часть шара и закрутите его. Поверхность батута начнет вращаться следом. Она, однако, не сможет продолжать вращение вместе с шаром, и давление перестанет быть симметричным – все координатные прямые изогнутся по спирали. Это и есть увлечение инерциальных систем отсчета.

Под «системой отсчета» в данном случае подразумевается так называемая покоящаяся система координат, или система координат пространственно-временного континуума, с которой мы имеем дело (аналог – поверхность батута). Поместите планету (шар для боулинга) в свою систему координат, и пространственно-временной континуум будет искривлен. Искривление вызывает вышеописанную геодезическую прецессию. Заставьте планету вращаться вокруг своей оси (закрутите шар), и искривленный пространственно-временной континуум увлечется следом, хотя и совсем слабо. Это вызовет дополнительную – намного меньшую – прецессию оси вращения движущегося по орбите тела. (Данную разновидность увлечения инерциальных систем отсчета – так называемое ротационное увлечение – первыми предсказали австрийский математик Йозеф Лензе и физик Ханс Тирринг в 1918 г., отсюда другое название – эффект Лензе – Тирринга.)

Физики Стэнфордского университета Леонард Шифф и Уильям Фейрбэнк с 1960 г. мечтали измерить эти два эффекта. Фрэнсис Эверитт присоединился к ним в 1962 г. в 28-летнем возрасте. В Лондоне Эверитт получил профессию геолога, но, посвятив пять лет изучению палеомагнетизма, счел физику более интересным занятием и проучился еще два года в Пенсильванском университете, специализируясь в физике низких температур.