Как случайная ошибка вывела науку на новый уровень: тест общей теории относительности 0:17
История о том, как два «неудачливых» спутника помогли провести самую точную проверку общей теории относительности (ОТО) за последние 40 лет, началась с технического сбоя. 22 августа 2014 года Европейское космическое агентство запустило два спутника Galileo (№ 5 и 6), которые должны были стать частью глобальной навигационной системы. Однако во время вывода на орбиту российской ракетой-носителем «Союз» произошла авария: из-за теплового мостика между линиями подачи холодного гелия и топлива произошла утечка и замерзание последнего, что привело к отказу системы ориентации.
В результате спутники оказались на сильно эллиптических, фактически непригодных для штатной навигации орбитах. Они то слишком приближались к Земле, теряя ориентацию из-за засветки сенсоров, то уходили слишком высоко, попадая под губительное радиационное воздействие поясов Ван Аллена.
🌌 Случайная удача для физики 1:48
По мнению исследователей, этот инцидент стал редким подарком для науки. Команда ученых, давно искавшая возможность провести тест общей теории относительности, увидела в сложившейся ситуации уникальный шанс. Согласно ОТО, время в более сильном гравитационном поле течет медленнее. Чтобы измерить этот гравитационный сдвиг, требуются два условия: высокоточные часы и значительное изменение гравитационного потенциала.
Именно эллиптическая орбита спутников оказалась идеальным «лабораторным инструментом». Спутники постоянно перемещались от перигея (нижняя точка, 17 000 км) к апогею (верхняя точка, 26 000 км), меняя высоту почти на 9 000 км. Это создавало эффект «йо-йо»: часы на борту спутника периодически замедлялись и ускорялись относительно земных наблюдателей.
🕒 Часы, которые не ошибаются 5:02
Ключевым инструментом для эксперимента стали пассивные водородные мазерные часы — разновидность атомных часов.
- Принцип действия: атомы водорода взаимодействуют с микроволнами строго определенной частоты, вызывая переворот спина электрона.
- Точность: такая система настолько стабильна, что за 30 миллионов лет погрешность не превысит одной секунды.
Как объясняет Дерек Мюллер, если бы вы находились на борту спутника, вы бы не заметили никаких изменений в ходе времени — это следствие принципа эквивалентности. Релятивистский эффект проявляется только при сравнении «бортового» времени с временем удаленного наблюдателя в слабом гравитационном поле.
🛰 Сложности и триумф точности 7:28
Предыдущий рекорд точности принадлежал миссии Gravity Probe A 1976 года, которая проводила измерения на суборбитальной ракете всего 2 часа. Ученым, работающим со спутниками Galileo, пришлось преодолеть массу трудностей:
- Орбитальные шумы: самой большой неожиданностью стала сила солнечного света — импульс фотонов, отражающихся от корпуса, серьезно влиял на траекторию.
- Моделирование: потребовались тщательные математические расчеты и лазерное дальнометрирование, чтобы свести ошибки к минимуму.
- Длительность: в отличие от двухчасового полета Gravity Probe A, сбор данных с Galileo велся более 1 000 дней.
Итоговый результат, как признали исследователи, подтвердил правоту Альберта Эйнштейна — отклонений от ОТО обнаружено не было. Однако точность измерений удалось повысить в пять раз по сравнению с экспериментом 1976 года.
🔭 Почему это все еще важно? 8:46
Несмотря на «разочаровывающее» подтверждение теории, ученые подчеркивают: поиск отклонений критически важен. Общая теория относительности и квантовая механика до сих пор не объединены в единую теорию, а темная энергия и темная материя составляют более 90% Вселенной, оставаясь загадкой. Физики убеждены, что новая физика кроется именно в границах точности, где нынешние теории могут начать давать сбои.
Сейчас спутники частично скорректировали орбиты, переведя их в более стабильное состояние, и ожидают обновлений ПО, чтобы, возможно, все же принести пользу навигации. В будущем планируется еще более амбициозный эксперимент: установка атомных часов с холодными атомами цезия на МКС, что должно снизить погрешность еще в 10 раз.
