Вращение Земли закручивает пространство-время: эффект Лензе — Тирринга подтверждён с точностью 0,1%

Помните тот дурацкий вопрос из школьной физики: «Если я прыгну в поезде, я приземлюсь на то же место или смещусь назад?» С пространством всё сложнее. Оно не просто фон для событий. Оно — участник.

Недавно учёные доказали это с пугающей точностью. Они измерили, как вращение Земли буквально закручивает вокруг себя пространство-время. Эффект предсказали сто лет назад. Но измерить его с погрешностью всего 0,1% удалось только сейчас. Результаты опубликованы в Nature. И это — маленькая революция в том, как мы понимаем гравитацию.

Суть явления: почему ваша орбита «плывёт»

Представьте, что вы запустили спутник вокруг идеально круглой и неподвижной планеты. Плоскость его орбиты будет неподвижной. Как стол, на котором крутится монетка.

Теперь заставьте планету вращаться. Согласно теории Эйнштейна, массивный вращающийся объект не просто искривляет пространство — он увлекает его за собой. Как ложка, мешающая густой патоку. Пространство-время начинает «течь» вокруг планеты в направлении её вращения.

Этот процесс называется эффектом Лензе — Тирринга. Орбита спутника начинает медленно поворачиваться. Не из-за ветра, не из-за магнитного поля. Просто сама координатная сетка пространства смещается, утягивая за собой траекторию.

Вблизи Земли эффект микроскопический. На высоте нескольких тысяч километров плоскость орбиты смещается на сотые доли угловой секунды в год. Это угол, под которым человеческий волос виден с расстояния в несколько километров. Измерить такое — задача на грани возможного.

История преодоления: почему ждали сто лет

Австрийские физики Лензе и Тирринг предсказали эффект в 1918 году. Но техники не было. Первую серьёзную попытку предприняли только в 2004 году — запуск спутника Gravity Probe B. Проект готовили 40 лет. Потратили 750 миллионов долларов.

На борту были четыре кварцевых шара — идеальные гироскопы, охлаждённые почти до абсолютного нуля. Но эксперимент столкнулся с электростатическими помехами. Точность оказалась ниже ожидаемой.

Учёные пошли другим путём. Они решили: не будем усложнять спутник. Сделаем его максимально простым и тяжёлым. А всю измерительную работу перенесём на Землю.

Спутник LARES-2: инженерный минимализм

Ключевой инструмент нового эксперимента — спутник LARES-2. Запущен в 2022 году. Его конструкция — образец минимализма. Это сплошной шар диаметром 42 сантиметра из вольфрамового сплава. Вес — 400 килограммов.

Почему вольфрам? Максимальная плотность. Чем тяжелее и компактнее объект, тем меньше на него влияют внешние силы. Какие именно помехи убрали инженеры?

• Давление солнечного света. Поток фотонов толкает все аппараты. Для лёгких спутников с солнечными батареями это проблема. Для вольфрамового шара — нет.
• Трение об атмосферу. Даже на высоте 6000 км есть молекулы газов. Они тормозят аппараты. Но инерция LARES-2 сводит торможение к нулю.
• Тепловое излучение. Нагрев и остывание создают микроскопическую реактивную тягу. На LARES-2 нет электроники. Нагреваться нечему.

Единственное «оборудование» на поверхности — 303 уголковых отражателя. Это стеклянные призмы, которые отражают лазерный луч строго обратно, к источнику. Наземные станции стреляют по спутнику лазером, замеряют время полёта луча и вычисляют расстояние с точностью до миллиметра.

Борьба с помехами: как планета мешает измерениям

Даже с идеальным спутником выделить эффект Лензе — Тирринга адски сложно. Потому что Земля — не идеальный шар.

Она сплюснута у полюсов. Внутри неё неравномерно распределены горные породы. Океаны постоянно движутся. Всё это создаёт гравитационные аномалии. Пролетая над горным массивом, спутник чуть ускоряется. Над впадиной — замедляется.

Дополнительный хаос вносят Луна и Солнце. Их гравитация вызывает приливы не только в океане, но и в твёрдой коре. Планета непрерывно деформируется.

Эти классические возмущения влияют на орбиту в тысячи раз сильнее, чем релятивистский эффект увлечения пространства. Чтобы очистить сигнал, учёные создали математический фильтр.

Они использовали данные миссии GRACE — двух спутников, которые летели друг за другом и с микроскопической точностью измеряли расстояние между собой. Это позволило составить карту всех гравитационных неровностей Земли.

Затем данные LARES-2 объединили с данными двух других спутников — LAGEOS и LAGEOS-2. У каждого своя орбита. Учёные составили систему уравнений, в которой классические погрешности взаимно сократились. После трёх лет наблюдений они изолировали ту долю смещения орбиты, которая вызвана исключительно увлечением пространства-времени.

Результат совпал с теорией Эйнштейна с погрешностью 0,1%.

Зачем это нужно? (Спойлер: Эйнштейн снова прав)

Для обычного человека это выглядит как игра в бисер. Зачем тратить годы и миллионы на проверку теории, которую и так все признают?

Ответ: мы ищем трещину в фундаменте.

У современной физики две великие теории. Общая теория относительности — блестяще работает для планет и галактик. Квантовая механика — идеально описывает атомы и частицы. Но эти теории математически несовместимы. Попытки объединить их проваливаются.

Физики знают: минимум одна из теорий неокончательна. Где-то есть скрытая неточность. Если бы LARES-2 показал отклонение от Эйнштейна, это стало бы зацепкой для новой физики. Этого не произошло. Эйнштейн снова оказался прав.

Личное наблюдение автора: Недавно я заметил, что многие воспринимают отсутствие отклонений как неудачу. Мол, потратили деньги, а результат — «подтвердили то, что и так знали». Это опасное заблуждение. Каждое такое подтверждение — это не шаг на месте. Это укрепление фундамента, на котором мы строим следующие теории. Без точных данных мы будем гадать на кофейной гуще.

Эксперимент LARES-2 принёс и практическую пользу. Учёные улучшили модели лунно-солнечных приливов. Это критически важно для геофизиков, изучающих движение тектонических плит и колебания уровня океана.

Резюме от автора: Мы живём на планете, которая своим вращением закручивает пространство вокруг себя. Человечество научилось фиксировать этот невидимый водоворот с точностью до тысячных долей. Это не просто научное достижение. Это показатель того, насколько далеко мы ушли от представлений Ньютона о статичном мире. Эйнштейн выдержал проверку. Но поиски не остановятся. Рано или поздно приборы зафиксируют ту грань, где классическая физика уступает место чему-то новому.

По материалам: iXBT