Знание-сила, 1998 № 03 (849)
Шрифт:
Что и говорить, эксперимент впечатляющий. Но и готовились нему немало — сорок лет. Теперь его подготовка вступила в завершающую стадию: между декабрем 1999 года и октябрем 2000 года на орбиту будет выведен гравитационный зонд В, который проведет самую точную проверку теории Эйнштейна.
Теория Эйнштейна объясняет само устройство окружающего нас пространства и времени, связывает материю и энергию.
Уже 29 мая 1919 годя, всего через три года после появления теоретической работы Эйнштейна, она была проверена экспериментально: во время солнечного затмения было обнаружено, что путь луча света от звезд искривляется в мощном гравитационном поле
С тех пор существование кривизны пространства — времени проверили и подтверждали многократно и с возрастающей точностью. Но, как отмечал американский нобелевский лауреат китайского происхождения профессор Янг из университета Стонн Брук в Нью-Йорке, «торжествующее шествие теории Эйнштейна приводит к тому, что все меньше физиков стремятся ее проверять, забывая, что движение науки происходит как раз опровержением самых общепринятых истин». Не надо забывать, что из теории Эйнштейна было проверено одно- единственное следствие — искривление пространства — времени. А ведь есть и другие.
Через два года после появления статьи Эйнштейна, в 1918 году, два австрийских физика, Джозеф Леиз и Ганс Тирринг, пришли к выводу, что из теории Эйнштейна следует эффект «увлечения» за собой пространства — времени вращающимся телом. Если вы когда-нибудь мешали тесто при помощи миксера или же размешивали густой мед или варенье, то можете себе представить, как вязкая густая жидкость следует за вращающимся в ней телом. Вот так же массивное тело при вращении должно «тянуть» за собой и пространство — время. Эффект сильнее всего виден у самой Земли и спадает по мере удаления от поверхности.
Чтобы зарегистрировать подобное «увлечение», и необходим гироскоп. Его придумал в середине XIX века французский физик Жан-Бернар Леон Фуко, для того чтобы продемонстрировать вращение Земли. Гораздо более известный нам с вами маятник Фуко в Исаакиевском соборе Санкт-Петербурга служит тон же цели. Удивительное свойство маятника и гироскопа состоит в том, что они сохраняют плоскости своего вращения даже при перемещении опоры. Этот эффект невольно использует при езде любой велосипедист.
Так вот, еще в 1959 году Леонард Шнфф, профессор физики американского университета в Стенфорде, предложил вывести на околоземную орбиту такой гироскоп и направить его ось на какую-нибудь заметную звезду. С течением времени это направление будет сохраняться, а пространство — время, увлекаемое вращением Земли, будет потихонечку «уползать» в сторону. Ось гироскопа отойдет от своего направления на звезду.
Эффект напоминает то, что происходит с солнечными часами. Мы с вами никак не можем почувствовать вращение Земли, но если построить простейшие солнечные часы, то очень скоро станет ясно, что есть вращение: каждый следующий день Солнце встает чуть в другой точке небосвода.
Главное отличие «увлечения» пространства — времени в том, что это совершенно крошечный, буквально бесконечно малый эффект.
По расчетам Шиффа, совершенный гироскоп (то есть практически без трения в осях) на орбите высотой 600—700 километров над Землей за год должен уводить свою ось на семь десятитысячных долей градуса от первоначальной ориентации на звезду в том случае, если есть эффект «увлечения».
Гравитационный зонд В с самого начала планировался как сочетание гироскопа и телескопа. Гироскоп
Задумано, что на спутнике будет не один, а четыре, причем далеко не обычных, гироскопа. Это будут самые круглые вещи на Земле.
Вращающийся шар гироскопа должен быть совершенно сферическим, чтобы при вращении ось его не отклонялась. При малейшем отклонении от сферичности ось начнет колебаться, пусть даже совсем немножко, но за год уж наверняка отклонится на толщину волоса. Поэтому четырехсантиметровые кварцевые шарики, покрытые слоем ниобия (очень похожи на мячики для гольфа или игры в сквош), отполированы до сфер с точностью в пятьдесят атомных слоев. Отклонение от сферичности не превышает одной миллионной доли сантиметра. Чтобы вы лучше представили себе подобную крутость, увеличим шарик до размеров Земли. Тогда неровности на нем вырастут до размеров пяти-шести метров.
Невероятное качество обработки поверхности приводит к большим сложностям: как закрепить совершенный шарик и не нарушить его симметрию? Как определить ось вращения такого шарика, если на его идеальной поверхности нельзя сделать никаких пометок? Но за долгие годы работы авторам удалось найти ответы на все эти вопросы.
Теперь — направление оси вращения: оказывается, еще в тридцатые годы английский физик Фриц Лондон предсказал, что вращающийся сверхпроводник создает собственное магнитное поле, ось которого направлена в точности но оси вращения. Чтобы его зафиксировать и отслеживать на гравитационном пробнике, будут установлены сверхчувствительные приборы для измерения магнитного поля.
Как говорит руководитель проекта Фриц Эверетт: «Бее, что касается нашего проекта, очень просто сформулировать и очень сложно сделать, наверное, поэтому он и готовится так долго». Один из активных сторонников проекта Вильям Фэрбенк впервые добился финансирования в американском космическом агентстве НАСА еще в 1964 году и надеялся запустить спутник в начале семидесятых. К сожалению, Фэрбенк скончался в 1989 году, а лишь в 1996 финансирование проекта было возобновлено при активной поддержке руководителя НАСА Даниэля Голдина. Одно из главных чудес проекта — верность исследователей, которые три десятка лет продолжали его совершенствовать, невзирая на все превратности судьбы. «Вы знаете,— говорит один из старожилов проекта Даниэль де Бра,— привыкаешь к прибору, как к ребенку, и даже мысли не возникает расстаться. Кроме того, задача слишком фундаментальна, а на пути к ее решению пришлось сделать столько интересного, что никто из нас никогда не жалел о пройденном пути».
Действительно, проект гравитационного зонда должен дать нам ответы на один из самых фундаментальных вопросов науки — верна ли теория Эйнштейна? Если эксперимент зафиксирует ожидаемый сдвиг, то сомнения в справедливости великой теории даже у самых закоренелых скептиков будут сильно подорваны. Если же нет... То начнется самое интересное: надо будет придумать новую теорию гравитации или модернизировать теорию Эйнштейна (естественно, после многократных проверок экспериментального результата).