Техника - молодёжи 1995-04, страница 9

ми постулатами относительно гравитационного потенциала и метрики пространства-времени. Эйнштейновская модель выделяется среди них тем, что базируется на наименьшем числе постулатов; это теория-минималист. В остальном же предпочесть ее другим "постньютоновским" построениям нелегко: все они дружно предсказывают красное смещение, отклонение светового луча, прецессию перигелия Меркурия и прочие явления, связанные с искривлением пространства-времени вблизи тяготеющей массы. Соответственно близки и численные оценки таких эффектов. Это еще больше повышает требования к точности эксперимента.

Но раз теории исходят из разных физических предпосылок, сделать выбор между ними принципиально важно. Ведь в итоге

Что ж, положение из тех, когда кто-то обязательно не прав. Либо Гедель, получивший результат, не имеющий физического смысла. Либо Эйнштейн, чья теория потребует такой поправки, что геделев-ское решение станет невозможным. Либо мы со своим здравым смыслом, который, в конце концов, — лишь привычка к прежнему ограниченному опыту. Как видим, исход проверки в любом случае фундаментально важен — да и просто интересен.

КАК БУДЕМ ПРОВЕРЯТЬ

Следуя предложению профессора Шиффа, было решено свести опыт к наблюдению двух гироскопических эффектов, выведенных из полных уравнений ОТО.

Первый эффект — геодезическая прецессия гироскопа Возникает он при дви-

ются они на расстояния, далеко превосходящие размеры галактик...

Направления этих двух прецессий взаимно перпендикулярны (1), так что оба эффекта могли бы наблюдаться на одном гироскопе. Но для большей надежности будут использованы четыре прибора, тем более что планируемые условия опыта требуют от них огромной чувствительности и точности.

Так, под влиянием геодезической прецессии ось гироскопа должна отклониться за год (!) на 6,6 угловой секунды от начального направления. Точность, необходимая здесь для различения конкурирующих "постньютоновских" теорий, — 0,01%.

Гравитационно-магнитная прецессия должна отклонить гироскоп за тот же период времени всего на 0,042 угловой секунды; потребная точность измерений — 1%

каждая из них рисует свою, причем во многом необычную, картину мира. Не составляет исключения и ОТО, которая в случае своей победы вынудит нас принять ряд весьма неожиданных и радикальных следствий.

ЕСЛИ ОТО ПОБЕДИТ

Напомним для начала вытекающий еще из специальной теории относительности "парадокс близнецов". Он означает, что путешествие в будущее если и спорит со здравым смыслом, то законам физики не противоречит. Ну а общая теория относительности разрешает путешествие... в прошлое.

Известно, что перемещения любого предмета или человека в едином пространстве-времени можно описывать так называемой мировой линией в четырехмерной системе координат. Точнее, поскольку сами мы трехмерны, лучше представлять не линию, а что-то вроде четырехмерного червяка, имеющего хвост и голову — начало и конец. Из уравнений ОТО следует, что в поле тяготения мировые линии искривляются. Но если это поле достаточно сильно (например, вблизи черной дыры) — не сможет ли оно изогнуть мировую линию до полного замыкания? Удастся ли "червяку", изображающему историю нашей жизни, укусить себя за хвост? А нам, двигаясь вперед во времени, — тем не менее направиться в прошлое?

Ответ теории на сегодня утвердителен: немецкий математик Курт Гедель нашел варианты решений уравнений ОТО с замкнутыми мировыми линиями. Но... вытекающие отсюда парадоксы гораздо парадоксальнее парадокса близнецов. Ведь попав в прошлое, мы можем, например, стать причиной смерти своей бабушки и тем уничтожить причину собственного бытия — продолжая, однако, существовать!

1. Общая схема эксперимента. Цифрами обозначены: 1 — величина геодезической прецессии (6,6 угловой секунды в год, требуемая точность измерения — 0,01%), 2 — величина гравитационно-магнитной прецессии (0,042 угловой секунды в год, точность — 1%), 3 — звезда Ригель, задающая начальное направление осей гироскопов.

2 Схема высокоточного измерения прецессии с помощью магнитометра SQUID. Цифрами обозначены: 1 — направление на звезду Ригель 2 — направление оси вращения гироскопа (совпадающее с его магнитной осью), 3 — выходной сигнал магнитометра.

жении этого прибора, так сказать, в статическом, покоящемся пространстве-времени — но искривленном тяготением Земли. Тут достаточно самой криволинейности системы координат, порожденной просто присутствием массивного тела — неважно, вращается оно или нет.

Второй эффект — тоже прецессия, но вызванная именно вращением Земли вокруг оси. При этом гравитационное поле планеты увлекает за собой время и пространство. Здесь эффект уже динамический: движущаяся масса как бы создает дополнительную гравитационную силу. Усматривая некую аналогию с движущимся электрическим зарядом, создающим магнитное поле, данное явление называют иногда гравитационно-магнитной прецессией. В прямых опытах оно пока не наблюдалось, но косвенно, возможно, уже обнаружено. По мнению многих астрофизиков, как раз такая "закрутка" пространства-времени вокруг сверхмассивных черных дыр и порождает у некоторых удаленных квазаров загадочные противоположно направленные выбросы частиц и энергии — в обе стороны вдоль оси вращения. Мощности подобных выбросов сопоставимы с суммарной мощностью излучения триллионов солнц, а простира-

Неудивительно что для таких условий пришлось спроектировать и изготовить совершенно особые гироскопы. Каждый представляет собой идеальный кварцевый шар, покрытый тонким слоем ниобия — металла, обретающего сверхпроводимость при сверхнизких температурах эксперимента. Это нужно и для подвески гироскопа практически без трения — в электрическом поле (об этом чуть позже), и для точного измерения отклонений-

Шар вращается (со скоростью 170 об/с) и благодаря сверхпроводящей поверхности создает магнитное поле, направленное строго вдоль оси вращения. Это начальное направление фиксируется в пространстве традиционным методом — по удобно наблюдаемой яркой звезде. В данном случае выбрана Бета Ориона — Ригель. Специальный телескоп постоянно удерживает, ее изображение в центре своего поля зрения. Ось телескопа жестко задает ориентацию очень чувствительного магнитометра SQUID, а он, в свою очередь, отслеживает направление магнитного поля (а значит, и оси вращения) гироскопа. Как видно из рис. 2, при отклонении этой оси меняются углы пересечения магнитных силовых линий с плоскостью пробной обмотки магнитометра. Угол отклонения определяется по характеру изменения тока, наводимого в обмотке. (Простоты ради мы здесь не будем вдаваться в тонкости угловых отсчетов, включающих всевозможные уточнения и коррекции, вплоть до поправки на аберрацию звездного света, предусмотренной специальной теорией относительности.)

НЕВЕСОМОСТЬ + СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ = ТОЧНОСТЬ

Чтобы обеспечить нужную точность релятивистских измерений, дрейф оси гироскопа от всех посторонних причин не должен превышать 10"¹¹ градуса в час. Это в

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 9 ' 9 5