Вращаясь, Земля тянет пространство-время за собой — словно скручивает саму ткань реальности. Всё как и предсказывал Эйнштейн
Прошло больше 110 лет с момента появления общей теории относительности, однако физики продолжают искать все более точные способы проверить ее предсказания. Очередной такой тест оказался успешным. Исследователи смогли измерить эффект увлечения пространства-времени вращением Земли с рекордной точностью. Новый результат не только вновь подтвердил правоту Альберта Эйнштейна, но и сузил круг альтернативных теорий гравитации, которые предсказывают иное поведение этого эффекта.
Общая теория относительности рассматривает гравитацию не как обычную силу притяжения, а как искривление пространства-времени под действием массы. Планеты, звезды и спутники движутся по этому искривленному пространству, словно катятся по поверхности с изменяющимся рельефом. Если же массивное тело вращается, картина становится еще сложнее. Вращение слегка увлекает окружающее пространство-время за собой. Именно этот эффект, известный как увлечение инерциальных систем (frame-dragging), и проверяли ученые.
Представить его можно на простом примере. Если быстро вращать ложку в густом меде, мед начинает закручиваться вместе с ней. В общей теории относительности роль меда играет пространство-время, а роль ложки - вращающаяся Земля или черная дыра. Масштаб эффекта чрезвычайно мал, поэтому заметить его очень сложно.
Для измерений исследователи использовали спутник LARES-2, который Итальянское космическое агентство вывело на орбиту в 2022 году. Он продолжил работу более ранних спутников LAGEOS. Все аппараты представляют собой почти идеальные металлические сферы, покрытые сотнями отражателей. Наземные станции регулярно посылают к ним лазерные импульсы и по времени возвращения света определяют положение спутников с точностью до нескольких миллиметров.
Высота орбиты тоже играет важную роль. LARES-2 и LAGEOS находятся в нескольких тысячах километров над Землей, где практически отсутствует атмосфера. Воздушное сопротивление не влияет на движение спутников, поэтому даже очень слабые изменения орбит удается заметить намного точнее.
Однако даже в таких условиях релятивистский эффект почти полностью скрывают другие факторы. Земля не является идеальным шаром, а притяжение Луны и Солнца постоянно вызывает приливные деформации планеты. Эти изменения тоже слегка смещают орбиты спутников. Чтобы отделить одно влияние от другого, исследователи объединили данные сразу нескольких аппаратов. Такой подход позволил почти полностью убрать влияние формы Земли и большинства приливных эффектов.
Самой сложной помехой оказался прилив K1, возникающий под совместным воздействием Луны и Солнца. Чтобы точно оценить его влияние, ученым пришлось наблюдать движение спутников в течение трех лет. После этого неопределенность измерений удалось сократить примерно до одной тысячной, а общая точность выросла более чем в десять раз по сравнению с предыдущими экспериментами.
Новый подход оказался не только точнее, но и значительно дешевле. Для сравнения, американский спутник Gravity Probe B, запущенный NASA в 2004 году, использовал сверхточные гироскопы стоимостью около 750 миллионов долларов. В новой работе роль гигантского гироскопа фактически сыграла сама орбита спутника. Физики просто очень точно измеряли, как она постепенно меняется под действием вращения Земли.
Работа принесла еще один неожиданный результат. Поскольку ученым пришлось очень подробно изучить прилив K1, они одновременно уточнили его характеристики. Эти данные могут использоваться не только в фундаментальной физике, но и в геофизике, где приливные деформации помогают изучать строение Земли и поведение океанов.
Еще одна причина интереса к подобным экспериментам связана с поиском новой физики. Многие современные теории пытаются расширить или заменить теорию Эйнштейна. Если бы измеренный эффект хотя бы немного отличался от расчета Эйнштейна, это стало бы серьезным аргументом в пользу таких моделей. Однако новое измерение вновь совпало с предсказаниями общей теории относительности и еще сильнее ограничило пространство для альтернативных объяснений.
Впрочем, окончательную точку работа не ставит. Все измерения проводились в сравнительно слабом гравитационном поле Земли. Если отклонения от общей теории относительности действительно существуют, они с большей вероятностью проявятся рядом с нейтронными звездами или черными дырами, где гравитация на много порядков сильнее. Поэтому физики уже готовят новые эксперименты, которые смогут проверить теорию Эйнштейна в еще более экстремальных условиях.