Эйнштейновское искривление пространства доказано окончательно
Учёные, обрабатывающие эти неповторимого космического опыта, заявили о правоте Эйнштейна. По окончании вычета всех технических погрешностей, вызванных несовершенством аппаратуры, в числах остался «след» от действия отечественной планеты на пространство-время.
«Эйнштейн выжил!» — провозгласил 4 мая на пресс-конференции в Вашингтоне научный руководитель миссии Gravity Probe B доктор наук Френсис Эверитт (Francis Everitt) из Стэндфорда (Stanford University). Выступивший в главном офисе американского космического агентства физик поведал об окончательных итогах долгого проекта по практической проверке неспециализированной теории относительности (ОТО).
Напомним, ещё в 2004 году для измерения узких эффектов влияния Почвы на окружающее пространство-время американцы запустили спутник Gravity Probe B, что завершил собственную работу в 2005-м.
В конструкции спутника было учтено множество требований физиков по понижению любых побочных действий, талантливых внести искажения в результаты измерений. И план вправду сработал, не смотря на то, что не так идеально, как планировали разработчики опыта (иллюстрация Stanford University).
На спутнике были установлены беспрецедентно правильные гироскопы, а сам аппарат был неизменно нацелен на далёкую звезду в качестве опорной точки (на заглавном рисунке — guide star). Аппаратура спутника ловила дрейф оси гироскопов с погрешностью в десятитысячные доли угловой секунды.
В 2007 году американцы официально опубликовали первые результаты обработки собранных данных. Для ОТО они смотрелись весьма радужно. Но тогда же было упомянуто об найденных дополнительных силах, которые связаны с конструкцией спутника.
Подробнее об этих досадных помехах скажем ниже, пока необходимо только подчернуть, что вычисление поправок на посторонние факторы заняло у группы физиков пять лет! Практически они спасли целый проект, заново перелопатив гигабайты исходной информации.
И вот сейчас исследователи вынесли окончательный вердикт — Почва вправду искривляет пространство около себя в полном соответствии с уравнениями теории относительности.
При высоте полёта спутника в 642 километра протяженность окружности его орбиты превышает 40 тыс. км. Полёт аппарата продемонстрировал, что правильное значение данной длины приблизительно на три сантиметра меньше, чем направляться из евклидовой геометрии, другими словами вычисленное по известной любому школьнику формуле 2πR.
Так происходит по причине того, что масса Почвы как будто бы прогибает пространство, создавая «ямку» и нарушая плоскую геометрию космоса. Это явление именуется геодезическим эффектом, отражающимся в постепенном повороте оси гироскопа в плоскости орбиты спутника (на заглавном рисунке — geodetic precession).
Вверху: наглядное представление геодезического искажения пространства-времени. Его ощущает кроме того Луна, что подтверждено прецизионными измерениями её перемещения по орбите при помощи лазеров и покинутых на Селене отражателей. Внизу: объяснение смещения оси гироскопа, позванного геодезическим «прогибом» ткани пространства-времени.
Подробности — в тексте (иллюстрации Gravity Probe B).
взглянуть на схему выше. На левом рисунке представлено пространство в хорошей физике, либо легко участок космоса без планеты. В нём отмечен круг диаметром 12 745 километров. Протяженность данной окружности (округлённо) — 40 тыс. км.
Бегая по ней, гироскоп всё время сохраняет ориентацию собственной оси (она отмечена стрелками).
Справа продемонстрирована настоящая обстановка. Масса Почвы стягивает пространство-время, условно говоря, в поверхностный конус. Это искажение возможно представить как вырезание из пирога маленького клина (пунктирные линии на обоих картинках, угол клина преувеличен для наглядности). В следствии окружность стягивается на 2,8 сантиметра.
При со спутником ось его гироскопа по мере прохождения орбиты всё время отклоняется на маленький угол, и за год эта неточность накапливается так, что её уже смогут поймать устройства.
Второй эффект — «увлечение рамы», другими словами явление увлечения инерциальной совокупности координат вращающейся Почвой. «Это как если бы отечественная планета была загружена в мёд», — сравнивает Френсис. Этот эффект ведет к медленному отклонению оси вращения гироскопа в экваториальной плоскости (на заглавном рисунке — frame-dragging precession). Gravity Probe B нашёл и его.
А так наглядно возможно представить закручивание пространства вращающейся Почвой (иллюстрация Gravity Probe B).
Как пишет Science, точность измерения двух обрисованных эффектов составила 0,25% и 19%.
С одной стороны, это попадание в цель (полученные значения отклонения осей гироскопов согласуются «с Эйнштейном»). Но с другой – это не то, на что рассчитывали авторы опыта в начале. Кстати, в целом данный опыт со спутником был задуман, страшно сообщить, аж во второй половине 50-ых годов двадцатого века!
Но лишь в двадцать первом веке техника разрешила реализовать идею.
Одно из достижений создателей аппарата — совершенные сферы, трудившиеся в качестве роторов гироскопов. Они были сделаны из кварца и покрыты сверхпроводящим ниобием для магнитного поля. На спутнике сферы подвешивались в вакууме в камере, прекрасно изолированной от внешних магнитных полей и охлаждённой до 1,8 кельвина.
По размеру роторы были с шарик для пинг-понга. Они были сделаны из весьма однородного материала. А отклонение их поверхности от совершенной сферы составило менее 10 нанометров (это пара атомов).
В случае если таковой шарик поднять до размеров Почвы, на ней не было бы холмов выше трёх метров.
Большая механическая точность сфер должна была привести к высочайшей же точности измерения эффектов ОТО, но подвёл фактор, которому при проектировании миссии не придали должного значения.
Чудо-сферы были не хватает сферичны не по геометрии, а в электромагнитном замысле. В ходе изготовления они захватили некое количество зарядов, каковые позже оказали влияние на вращение этих пробных тел.
Таковой просчёт и привёл к понижению неспециализированной точности опыта, не смотря на то, что принципиально эффекты ОТО были обоснованы. Но эта оплошность послужила предлогом для критики авторов проекта со стороны некоторых сотрудников-физиков.
Кроме того что команде Gravity Probe B сейчас необходимо убеждать научный мир в полной корректности всех внесённых поправок, так ей ещё и высказывают упрёки в отношении неразумно израсходованных денег. Так как вся миссия обошлась национальной казне в $760 миллионов.
В это же время ещё в 2004 году вторая несколько учёных с 10-процентной точностью измерила эффект «увлечения рамы» куда более недорогим способом. Они вычислили отклонение орбит двух ветхих спутников за десятилетие.
Кварцевый шарик-ротор в исходном виде (слева) и покрытый ниобием. Участники проекта отмечают, что он уже повлиял и будет ещё продолжительно оказывать влияние на развитие разработок на Земле и в космосе.
В частности, отысканные на протяжении создания Gravity Probe B технические ответы уже задействованы в сверхточных совокупностях ряде и спутниковой навигации научных космических миссий Европы и США (фото Gravity Probe B).
На эту критику возможно ответить, что подтверждение предсказанных теорией эффектов вторым методом – дорогого стоит. А ещё направляться отыскать в памяти, что сами постройка и проектирование спутника «для проверки Эйнштейна» явились техническим прорывом, «круги» от которого будут расходиться ещё продолжительно.
Так или иначе, по словам Эверитта, опыт Gravity Probe B подтвердил два глубоких предсказания теории Эйнштейна.
Подробнее о впечатляющем достижении физиков и инженеров возможно прочесть в пресс-релизах NASA и Стэндфордского университета. Полный научный отчёт о итогах проекта Gravity Probe B скоро обязан выйти в издании Physical Review Letters.
