Земля закручивает пространство-время вокруг себя: новые наблюдения в очередной раз подтвердили правоту Эйнштейна

В классическом представлении, заложенном еще Исааком Ньютоном, пространство — это статичная, неизменная сцена, на которой разворачиваются физические события. Массивные тела движутся в нем под действием взаимного притяжения, но само пространство остается пассивным и никак не реагирует на их присутствие или движение.

Альберт Эйнштейн полностью перевернул эту концепцию, объединив пространство и время в единую динамическую структуру. Согласно его общей теории относительности, пространство-время способно изменять свою геометрию под воздействием массы. Тяжелые объекты деформируют его, определяя траектории движения других тел.

Но у этой теории есть и второе, гораздо менее известное следствие. Вращающийся массивный объект должен не просто искривлять пространство-время своим присутствием, но и увлекать его за собой в направлении своего вращения. Этот физический процесс называют эффектом Лензе — Тирринга, или увлечением инерциальных систем отсчета.

Недавно международная группа исследователей под руководством Иньяцио Чуфолини из Китайской академии наук завершила уникальный эксперимент. С помощью специализированного спутника LARES-2 они измерили силу этого увлечения вблизи Земли с рекордной точностью — относительная погрешность составила всего 0,1%. Результаты этой многолетней работы опубликованы в журнале Nature.

Суть явления: почему координаты приходят в движение

Чтобы понять физику эффекта Лензе — Тирринга не прибегая к сложным математическим формулам, достаточно рассмотреть поведение орбиты обычного космического аппарата.

Если бы мы запустили спутник вокруг идеально круглой и неподвижной планеты, плоскость его орбиты (воображаемый плоский диск, на котором лежит его круговая траектория) оставалась бы абсолютно неподвижной в пространстве. Спутник совершал бы оборот за оборотом, ориентируясь на одни и те же далекие звезды.

Но если планета вращается вокруг своей оси, ситуация меняется. Из-за увлечения пространства-времени плоскость орбиты спутника начинает медленно поворачиваться в ту же сторону, куда крутится планета. Этот процесс называется прецессией орбиты. Смещение происходит не из-за воздействия атмосферы, магнитного поля или гравитационных аномалий. Сама координатная сетка пространства вокруг планеты смещается, утягивая за собой траекторию движения аппарата.

Вблизи Земли этот эффект чрезвычайно слаб. На высоте нескольких тысяч километров плоскость орбиты спутника из-за вращения планеты смещается всего на сотые доли угловой секунды в год. Для наглядности: это угол, под которым человеческий волос виден с расстояния в несколько километров. Измерить столь малую величину на практике — сложнейшая задача, потребовавшая от ученых более века технологического развития.

История преодоления: почему измерение затянулось на сто лет

Австрийские физики-теоретики Йозеф Лензе и Ханс Тирринг предсказали этот эффект еще в 1918 году, вскоре после публикации общей теории относительности. Однако в те времена у человечества не было технических средств, способных зафиксировать столь малые отклонения космических траекторий.

Первые серьезные попытки проверить теорию начались только в конце XX века. Одним из самых известных и дорогих проектов в истории фундаментальной физики стал запуск американского спутника Gravity Probe B в 2004 году. Его научная программа готовилась более сорока лет, а стоимость превысила 750 миллионов долларов.

На борту Gravity Probe B находились четыре сверхточных гироскопа — кварцевых шара с идеальной сферической формой, охлажденных жидким гелием почти до абсолютного нуля. Аппарат фиксировал малейшие отклонения осей этих гироскопов под воздействием вращения Земли. Несмотря на уникальную сложность конструкции, эксперимент столкнулся с непредвиденными электростатическими помехами на борту, что затруднило обработку данных и снизило итоговую точность измерений.

Параллельно физики развивали другое направление — использование пассивных геодезических спутников. Вместо того чтобы создавать сложнейшие приборы и системы стабилизации внутри самого космического аппарата, ученые решили сделать сам спутник предельно простым и стабильным, а все измерительные задачи перенести на Землю.

Спутник LARES-2: инженерный минимализм на службе науки

Ключевым инструментом нового эксперимента стал спутник LARES-2 (Laser Relativity Satellite 2), разработанный по заказу Итальянского космического агентства и запущенный в космос в 2022 году.

Конструкция LARES-2 — это образец инженерного минимализма, где каждая деталь подчинена одной цели: устранить любые негравитационные помехи. Спутник представляет собой сплошной шар диаметром всего 42 сантиметра, отлитый из сверхплотного вольфрамового сплава. При таких скромных размерах он весит около 400 килограммов.

Почему был выбран именно вольфрам? Этот металл обладает огромной плотностью, что обеспечивает идеальное соотношение массы спутника к площади его поверхности. Чем тяжелее и компактнее объект, тем слабее на него влияют внешние силы негравитационного характера. К ним относятся:

• Давление солнечного света (солнечный ветер): поток фотонов непрерывно оказывает слабое механическое давление на все космические аппараты, искажая их траектории. Для легких спутников с большими солнечными батареями это серьезная проблема, но тяжелый вольфрамовый шар LARES-2 практически не реагирует на этот фактор.
• Трение о разреженную атмосферу: даже на высоте около 6000 километров присутствуют отдельные молекулы газов. Они постепенно тормозят аппараты, но огромная инерция плотного спутника сводит это торможение к минимуму.
• Тепловое излучение: нагрев и последующее остывание бортовой аппаратуры вызывают несимметричное тепловое излучение (эффект Ярковского), действующее как микроскопический реактивный двигатель. На LARES-2 нет никакой электроники, батарей или нагревающихся элементов, поэтому тепловые помехи исключены.

Единственное оборудование на поверхности спутника — это 303 уголковых отражателя. Они представляют собой специальные стеклянные призмы, которые отражают любой падающий на них луч света точно в обратном направлении, обратно к источнику.

Наземные станции лазерной дальнометрии, расположенные в разных точках планеты, регулярно посылают в сторону LARES-2 ультракороткие лазерные импульсы. Фиксируя точное время, за которое луч проходит путь от Земли до спутника и обратно, ученые вычисляют расстояние до аппарата с миллиметровой точностью. Это позволяет с высокой достоверностью отслеживать малейшие изменения его орбиты.

Борьба с помехами: как планета мешает измерениям

Даже при наличии столь совершенного спутника выделить эффект Лензе — Тирринга крайне сложно из-за влияния самой Земли. Дело в том, что наша планета не является идеальной сферой с однородной плотностью.

Земля сплюснута у полюсов из-за центробежных сил, вызванных ее вращением. Кроме того, в ее недрах неравномерно распределены горные породы разной плотности, а на поверхности постоянно движутся колоссальные массы воды в океанах. Все это приводит к тому, что гравитационное поле Земли неоднородно. Пролетая над более плотными участками коры или над океанскими впадинами, спутник испытывает неодинаковое притяжение.

Дополнительный хаос вносят Луна и Солнце. Их гравитация вызывает приливы и отливы не только в гидросфере, но и в твердой коре Земли. Планета непрерывно деформируется, из-за чего ее гравитационное поле колеблется.

Эти классические гравитационные возмущения влияют на орбиту спутника LARES-2 в тысячи раз сильнее, чем слабый релятивистский эффект увлечения пространства-времени. Для успешного проведения эксперимента физикам требовалось найти способ полностью исключить эти помехи из результатов наблюдений.

Математический фильтр

Чтобы очистить полезный сигнал от гравитационного шума Земли, исследовательская группа во главе с Иньяцио Чуфолини разработала сложный математический алгоритм, объединивший данные нескольких космических миссий.

Первым шагом стало использование сверхточной карты гравитационного поля Земли. Ее составили на основе данных миссии GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). Эта миссия состояла из двух аппаратов, которые летели друг за другом по одной орбите и непрерывно измеряли расстояние между собой с микроскопической точностью. Когда первый аппарат приближался к гравитационной аномалии (например, к крупному горному массиву), он слегка ускорялся, увеличивая дистанцию до второго аппарата. Это позволило создать детальную карту всех гравитационных неровностей планеты.

Вторым шагом стало совместное использование данных с трех разных спутников: LARES-2, LAGEOS и LAGEOS-2. Последние два аппарата были запущены ранее и находятся на других орбитах с иными высотами и углами наклона к экватору.

Поскольку каждый из этих спутников реагирует на неровности земной гравитации по-разному в силу геометрии своих орбит, ученые смогли составить систему уравнений, в которой основные классические погрешности взаимно сократились. В результате математического анализа трехлетних наблюдений за движением LARES-2 физикам удалось полностью изолировать ту долю смещения плоскости орбиты, которая вызвана исключительно увлечением пространства-времени.

Полученное значение совпало с теоретическими расчетами Альберта Эйнштейна с погрешностью всего в 0,1%. Это выдающееся достижение в области точности космических измерений.

Зачем физике сверхточные измерения теории относительности?

Для людей, далеких от академической науки, подобные эксперименты могут показаться избыточными. Зачем тратить миллионы долларов и годы работы на проверку теории, которая и так считается общепринятой уже более века?

Ответ кроется в современном кризисе фундаментальной физики. Сегодня у нас есть две великие теории, каждая из которых идеально описывает свой масштаб реальности:

1. Общая теория относительности (ОТО): безупречно работает в макромире — на уровне планет, звезд, галактик и Вселенной в целом. Она описывает гравитацию как плавное геометрическое искривление пространства-времени.
2. Квантовая механика: с феноменальной точностью описывает микромир — поведение атомов, электронов и других элементарных частиц. В этой теории все взаимодействия происходят дискретно, порциями (квантами), а гравитация вообще не учитывается из-за своей ничтожной слабости на атомных масштабах.

Проблема в том, что эти две теории математически несовместимы. Попытки объединить их в единую квантовую теорию гравитации сталкиваются с неразрешимыми противоречиями. Физики понимают: по крайней мере одна из этих теорий не является окончательной и содержит скрытые неточности, которые проявляются только на самых экстремальных масштабах или при сверхточных измерениях.

Чтобы понять, в каком направлении двигаться дальше, ученым необходимо найти хотя бы малейшее экспериментальное отклонение от предсказаний ОТО. Если бы измерения LARES-2 показали результат, отличный от уравнений Эйнштейна, это стало бы долгожданной зацепкой для создания новой, более глубокой теории устройства Вселенной.

Пока этого не произошло. Альберт Эйнштейн снова оказался абсолютно прав. Однако проведенный эксперимент принес огромную пользу сопутствующим дисциплинам. Благодаря сверхточной фильтрации гравитационных помех ученые смогли существенно улучшить существующие модели лунно-солнечных приливов. Эти данные критически важны для геофизиков, изучающих внутреннее строение Земли, движение тектонических плит и колебания уровня Мирового океана.

Философия точности

Эксперимент со спутником LARES-2 наглядно демонстрирует, как развитие технологий меняет наши методы познания мира. Вместо усложнения бортовых систем ученые пошли по пути предельного упрощения космического аппарата, сделав ставку на мощность наземных лазерных систем и математический аппарат обработки данных.

Мы живем на планете, которая своим вращением непрерывно вовлекает окружающее пространство в медленный невидимый водоворот. Тот факт, что человечество научилось фиксировать это движение с точностью до тысячных долей, говорит о колоссальном прогрессе нашей цивилизации. И хотя уравнения общей теории относительности в очередной раз выдержали проверку на прочность, ученые не прекратят свои поиски. Рано или поздно новые приборы зафиксируют ту грань, за которой классическая физика уступает место новым, еще не открытым законам природы.

Источник: Nature