Андрей Ваганов
Сердце сверхточных гироскопов – сферы из плавленого кварца, вращающиеся вокруг собственной оси со скоростью 10 тысяч оборотов в минуту.
Фото Reuters
В конце апреля с космодрома на базе ВВС США Ванденберг в Калифорнии был запущен в космос зонд Gravity Probe B. Научный прибор весом 3175 кг выведен на околоземную орбиту высотой 640 км. Задача, поставленная перед зондом, – ни много, ни мало – проверить правильность положений теории относительности Эйнштейна об искривлении пространства–времени в поле тяготения массивных тел.
В 1905 году эксперт патентного бюро в Берне Альберт Эйнштейн публикует специальную теорию относительности (СТО) – механика и электродинамика тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. «Эта теория проверялась и перепроверялась многими различными способами, – подчеркивал американский физик Роберт Оппенгеймер. – Она представляет собой богатейшую часть нашего научного наследия».
Но совсем другая ситуация складывалась с так называемой общей теорией относительности (ОТО), законченной Эйнштейном к 1916 году. В ОТО устанавливается связь между пространством, временем и материей. Главная идея ОТО: гравитация – это искривление пространства–времени под влиянием материи (массы). Фактически общая теория относительности – это теория гравитационного поля. Часто ОТО также называют теорией структуры «пространства–времени», геометрии «пространства–времени». Однако, как считают многие физики, за исключением нескольких косвенных астрономических наблюдений, с помощью которых можно проверить справедливость общей теории относительности, экспериментальных доказательств явно не хватает или они малоубедительны.
«Усовершенствованная экспериментальная техника нашего времени ввела в поле зрения естествознания совершенно новые стороны явлений природы, стороны, которые не могут быть описаны с помощью понятий повседневной жизни или только с помощью понятий предшествующей физики», – отмечал еще в 1959 году выдающийся физик современности Вернер Гейзенберг.
С тех пор вопрос о понимании современных физических теорий стал только острее. Если раньше ученые пытались понять, что такое материя, то сегодня они уже пытаются изучать «устройство» пространства и времени. Возможно, именно в силу последнего обстоятельства до сих пор весьма активно предлагаются альтернативы общей теории относительности. Чтобы пресечь эти поползновения на корню (или, наоборот, инициировать лавину новых физических гипотез) и запущен зонд Gravity Probe B.
Идея создания космического аппарата, который сможет проверить правильность положений теории относительности Эйнштейна, родилась еще в 1959 году. Но в то время в космосе было не до этого. И вот наконец NASA удалось выкроить «лишних» 700 млн. долларов на то, чтобы удостовериться окончательно: подвергается искажениям под воздействием массивных астрономических объектов континуум пространства–времени или нет.
Агентство ВВС приводит слова сотрудника Калифорнийского института технологии Кипа Торпа. «Ученые наблюдают два из трех теоретически предсказанных аспектов гравитационного искажения пространства–времени, – подчеркивает Торп. – Они зафиксировали искривление пространства и замедление времени. Но никогда не наблюдалось искажения одновременно и пространства и времени. Такие наблюдения имели бы серьезное значение для выяснения природы материи и строения Вселенной».
Собственно проверять наличие или отсутствие искривлений пространственно-временного континуума будут с помощью четырех гироскопов, установленных на зонде. Сердце этих гироскопов – четыре сферы, которые охлаждены почти до абсолютного нуля и помещены в крупнейшую вакуумную емкость, когда-либо выводившуюся на орбиту.
Эти гироскопы представляют собой сферы из плавленого кварца размером с шарик для пинг-понга, вращающиеся вокруг собственной оси со скоростью 10 тыс. оборотов в минуту. Форма этих сфер почти идеальна: отклонение от сферичности не превышает 40 атомных слоев. Для измерения отклонения оси вращения каждого гироскопа на зонде имеются сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики (СКВИДы), которые могут фиксировать изменения угла с точностью до 40 угловых миллисекунд. Для абсолютной чистоты эксперимента шары будут ограждены от любых помех – на борту спутника установлена самая совершенная звукоизоляция, аналогов которой в мировой технике также до сих пор не существовало.
После двух месяцев проверки и настройки оборудования зонд начнет работать. Собирать информацию о ситуации с пространством–временем в окрестности Земли он будет в течение 12–14 месяцев. Для этого на нем установлен телескоп. С его помощью Gravity Probe B предстоит нацелиться на опорную звезду HR 8703 в созвездии Пегаса, а потом дважды в день фиксировать положение осей гироскопов относительно направления на эту звезду и сообщать эту информацию на Землю.
Сейчас Gravity Probe B уже вышел на заданную полярную орбиту. Активизированы и все четыре гироскопа. Проходит тестирование системы управления ориентацией зонда. После проведения калибровки бортового двигателя предстоит провести сверхточную ориентацию бортового телескопа зонда на опорную звезду. Отклонение этой ориентации от заданного направления не должно превышать одной стотысячной доли градуса. От этого будет зависеть успех всей миссии.
Если теория Эйнштейна верна, то за год оси гироскопов под действием гравитационного поля Земли должны отклониться примерно на 6600 угловых миллисекунд, а эффект, обусловленный вращением Земли вокруг собственной оси, будет еще слабее – около 41 угловой миллисекунды. Несмотря на малость эффекта, если таковой будет обнаружен – это станет первым экспериментальным доказательством того, что Земля при вращении действительно тянет за собой время и пространство.
