Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
218
И. Шапиро
Другой системой, заслуживающей внимания, является система Марс — Солнце — Юпитер, где эффект отклонения от принципа эквивалентности должен быть приблизительно в 1000 раз больше, чем для системы Луна — Земля — Солнце. Однако точность соответствующих измерений [34] приблизительно в 100 раз ниже, а период эффекта больше приблизительно в 20 раз, что совпадает в основном с отношением орбитальных периодов Марса и Луны. Поэтому любые ненулевые эффекты для этих двух систем должны быть сравнимы по возможности их обнаружения.
Мы ожидаем, что неточность в оценке г\ должна уменьшиться приблизительно до 0,5% в ближайшее десятилетие благодаря анализу измерений для этих двух систем.
3. Сравнение хода часов
Более широко известные предсказания общей теории относительности касаются эффектов изменения хода часов и частоты электромагнитного сигнала («красное смещение»), обусловленных гравитационным потенциалом. Наиболее точная лабораторная проверка последнего предсказания была получена в изящной серии экспериментов Паунда, Ребки и Снайдера [22]. Они использовали эффект Мессбауэра, в котором импульс отдачи после испускания или поглощения излучения ядром распределяется во всем кристалле, что позволяет использовать чрезвычайно узкие спектральные линии. В частности, Паунд и Снайдер использовали испускание гамма-лучей с энергией 14,4 кэВ ядрами Fe57. Наверху башни высотой 25 м они поместили кристаллический йзлучатель, который мог синусоидально перемещаться, а внизу — закрепленный кристалл-погло-титель. Поглощение измерялось в функции вертикальной скорости излучателя, которая может компенсировать действие гравитационного поля на частоту излучения, испускаемого наверху башни. Разумеется, излучатель и поглотитель потом менялись местами, чтобы уменьшить систематические ошибки. Путем внимательного учета деталей в своем эксперименте они уменьшили неточность до уровня, соответствующего 5-Ю"5 естественной ширины резонансной линии. Отношение измеренной величины эффекта к предсказанной величине оказалось равным единице с точностью до 1%.
Были также проведены эксперименты по проверке непосредственного влияния гравитационного потенциала на разность показаний атомных часов. Первый такой эксперимент был проведен Хэйфеле и Китингом [13], которые осуществили облет вокруг Земли в противоположных направлениях нескольких часов на парах рубидия и сравнили их показания до и после по-
6. Экспериментальная проверка ОТО
219
летов с показаниями часов, оставленных на Земле. Результаты подтвердили эйнштейновские предсказания, но, как и ожидалось, не удовлетворили сомневавшихся в существовании парадокса близнецов. В частности, Хэйфеле и Китинг определили относительные разности между измерениями и предсказаниями для комбинированных гравитационных и кинематических эффектов, равные приблизительно —0,01 ± 0,09 для полетов на запад и около —0,04 ± 0,4 для полетов на восток.
Аллей (частное сообщение, 1977 г.) и его сотрудники1) также использовали самолет, на котором совершали полет атомные часы, для сравнения их показаний с аналогичными часами на Земле. В этих экспериментах лазерные сигналы посылались с Земли и отражались от кубических уголковых отражателей на самолете, реализуя тем самым на практике эйнштейновский мысленный эксперимент по синхронизации разделенных часов с помощью обмена световыми сигналами. Путь самолета, летевшего на высоте около 10 км, также контролировался. Трое цезиевых часов, использовавшихся в эксперименте, имели неточность хода на уровне 2-Ю-14 за среднее время 30 ч. Полная разница во времени между показаниями часов на самолете и на Земле для типичного полета составляла около 50 не. На основании показаний трех часов в пяти полетах по 15 ч каждый Аллей установил, что отношение измеренной величины к предсказанной равно 0,987 ± 0,016, причем около одной трети этой неточности составляют возможные систематические ошибки. Таким образом, эти эксперименты не столь точны, как опыты Паунда и Снайдера, но эти две группы осуществили принципиально различные эксперименты.
Значительно более впечатляющий эксперимент с часами был проведен Becco и Левиным [39], которые в 1976 г. поместили водородный мазерный стандарт частоты на ракету, которая пролетела по орбите с максимальной высотой подъема 10 000 км над поверхностью Земли2). Высота подъема ракеты, с помощью которой запустили этот водородный мазер, соответствует высоте башни в эксперименте Паунда. Линия связи, с помощью которой проводилось сравнение показаний водородного мазерного стандарта на орбите с соответствующими мазерами на Земле, использовала радиосигналы; для устранения влияния побочных эффектов со стороны ионосферы использовалась хорошо разработанная трехчастотная схема. Это осуществлялось посредством двухсторонней двухчастотной связи, контролируемой с Земли, с двумя частотами, соответственно
1J Cm., например, [46]. — Прим. перев.
2) Подробное описание эксперимента и предварительная обработка его результатов даны в статье [47]. — Прим. перев.
