Лучший способ проверить общую теорию относительности [Veritasium]
[музыка] Ну что ж. Привет, привет! Кажется, всё нормально. Теперь я вас вижу, наконец. А меня видно? Да видно.
Вы знаете, что случилось во время запуска? Да ничего сложного, но история довольно длинная. Космодрома Куру запустили два спутника Галилео 5 и Галилео 6. Они должны были стать частью спутниковой системы навигации Галилео — это европейская версия американской GPS. Пуск прошёл без каких-либо проблем. Спутники доставила Российская ракета Союз. Разгонный блок должен был вывести спутники на круговую орбиту на высоте 3000 км над землёй.
И вдруг что-то пошло не по плану. Трубка с охлаждённым гелием проходила рядом с топливной магистралью, и топливо замёрзло. Это нарушило работу двигателей ориентации. Спутники как будто выпустили в случайном направлении. Их просто запустили не туда. Получилась эллиптическая орбита, на которой аппараты были бесполезны. В нижней точке спутники просто не видят всей земли. Датчики земного горизонта, от которых зависела ориентация антенн, на таком близком расстоянии от Земли просто не работали.
В самых же дальних точках орбиты спутники попадали под жёсткое излучение в радиационных поясах Ван Алена. Всё шло к тому, что спутники просто отключат. Мы тогда стали просить, чтобы этого не делали. Представился шанс провести невиданную по точности проверку теории относительности. Раньше нам отказывали в таких проектах, поэтому для нас эта неудача с запуском оказалась настоящим подарком судьбы.
У спутников было топливо для коррекции орбиты в течение запланированной десятилетней миссии. Ситуацию пытались исправить с его помощью. Да, попробовали скорректировать, провели манёвры, чтобы стабилизировать орбиты. Добиться круговой орбиты не смогли, топлива не хватило. Получилось, но нам это было как раз на руку.
Согласно общей теории относительности, с точки зрения стороннего наблюдателя время замедляется в сильных гравитационных полях. Например, рядом с массивной Землёй. А значит, на спутниках, где поле слабее, часы должны идти быстрее. Здесь я игнорирую эффект специальной теории относительности, когда время наоборот течёт медленнее для очень быстро движущегося тела. Эффект со скоростями хорошо изучен.
Так что нам интереснее гравитация. Гравитационное красное смещение сложно проверить с помощью спутника на круговой орбите. А вот на эллиптической — самое то. Аппарат проходит то через низшую точку (перигей), то через высшую (апогей). Чтобы измерить замедление времени, нужны две вещи: очень точные часы и сильное изменение гравитационного потенциала. Высота до 26 м над поверхностью, разница почти 9000 м. Спутники регулярно переходят из низкого гравитационного потенциала в высокий, а потом обратно.
Ближе к земле часы должны идти медленнее, а дальше от неё — быстрее. И так они колеблются, то ускоряясь, то замедляя относительно часов, расположенных на земле. И тогда, если сравнить наем и на спутниках, то эти колебания будут видны. Такой эксперимент исключает причины многих потенциальных ошибок. Не так важно, чтобы часы абсолютно точно показывали время; главное — сравнить скорость хода часов в низшей и высшей точках орбиты.
А из-за того, что измерения происходят только на одних часах, исключаются ошибки вроде внутренних помех или систематического смещения и добиться невероятной точности. Всё получилось благодаря периодичности, так как орбита эллиптическая. Нужный нам сигнал имеет определённую периодичность, любые эффекты, связанные с другими периодами, никак не повлияли бы на наш результат.
Важно также отметить: если бы вы летели рядом со спутником, для вас время не ускорялось и не замедлялось бы. Его скорость была бы постоянной; вы не заметили бы никаких изменений. В том, как идут часы. Относительность видна при сравнении двух часов на расстоянии, достаточном для проявления эффектов искривленного пространства-времени.
На спутниках устанавливаются особые атомные часы. Это часы на основе пассивного водородного мазера. Мазер — это тот же лазер, только микроволновый. Атомы водорода взаимодействуют с микроволнами очень специфической частоты. Такой электрон в атоме изменяет свой спин, если взаимодействие происходит. Мы знаем, что получаем волны нужной частоты. Подсчитывая количество колебаний этих волн, мы можем измерять течение времени с невероятной точностью. За 30 миллионов лет такие часы отстанут не больше, чем на секунду.
Для спутника, на котором установлены такие часы, частота излучения останется. Но если отправить это излучение стороннему наблюдателю, который находится вне сильного гравитационного поля, частота, полученная от спутника микроволн, будет ниже, чем у микроволн в его часах. Это красное смещение. И чем ближе спутник к земле, тем сильнее это смещение и тем медленнее здесь течёт время. Для того, кто наблюдает с большого расстояния, локально релятивистские эффекты наблюдать невозможно. Это принцип эквивалентности.
Необходимо сравнивать часы на спутники с часами на земле. Только тогда станут заметны колебания скорости времени, вызванные гравитацией. В последний раз измерение этого красного смещения проводили в семдесят шестом году. Да, за 40 лет влияние гравитации на время так и не сумели измерить.
Точнее, тогда на суборбитальный зонд, а по параболической траектории он достиг высоты 10,000 км и вернулся назад. Этого хватило для колебания грави потенциала. Весь полёт спутник оставался на микроволновой связи с землёй. Через мазер на борту мы напрямую сравнили частоты, то есть получилась микроволновая линия связи. Провели сравнение скоростей, с которыми шли часы на зонде и на земле. Результаты совпали с прогнозами теории относительности вплоть до сотой доли процента.
Учёным, с которыми я пообщался, удалось уговорить руководство использовать неудачный запуск для проверки гравитационного красного смещения на практике. Но опыт был довольно непростой. Всё сильно зависело от положения спутников. Казалось бы, в пустом пространстве им будет легко оставаться на орбите. Но не будем забывать про излучение солнца. Солнечные фотоны подают спутники и, как ни странно, вызывают ошибки в расчётах. Верно, импульс фотонов достаточно для того, чтобы заметно повлиять на измерение погрешности.
Удалось сгладить благодаря точному моделированию и контролю высоты спутников с помощью лазеров. Помогало и то, что данные собирались на протяжении более тысячи дней — почти 3 года. Сравните с пролётом зонда, который длился всего 2 часа.
Итак, что же мы узнали? Можно утверждать, что общую теорию относительности мы не опровергли. В итоге мы подтвердили общую теорию относительности. К сожалению, точность измерений удалось увеличить пятикратно по сравнению с прошлым разом. Новый рекорд впервые за 40 лет!
Но зачем это нужно? К сожалению, да, хотелось найти какое-то отклонение. Ведь мы знаем, что эта теория отвечает не на все вопросы. История показала, что новая физика всегда лежит на границе. Эксперименты открывают неизвестные ранее аспекты, которые мы не смогли бы пронаблюдать, если бы не копнули глубже. Есть причины считать, что общая теория относительности — это не предел.
Её слава, как и квантовой механики, конечно же, безусловно оправдана. Но вот уже почём не удаётся объединить их в одну теорию. Добавьте сюда тёмную энергию и материю, которые составляют более 90% Вселенной. В тёмной энергии и материи столько непонятного, что сразу думаешь: а вдруг мы чего-то не знаем о гравитации?
Учёные и дальше планируют проверять общую теорию относительности на прочность. Цезиевые атомные часы уже готовы к отправке на МКС. Результаты их измерений будут в 10 раз точнее. Они так и обращаются по эллиптической, хотя и с некоторыми поправками, орбите. Навигационные параметры даже показали приемлемые значения. Сейчас спутники в режиме испытаний, после обновления ПО и модификации систем на земле. Возможно, они смогут вернуться к своей изначальной миссии.
А пока что они стали рекордсменами по точности проверки общей теории относительности. Переведено и озвучено студией Верт Дайдер. Y