Искусственные спутники земли и общая теория относительности

Три описанных выше эффекта — искривление светового луча вблизи Солнца, движение перигелия планет и грави­тационное смещение спектральных линий звезд — были до последних лет единственными наблюдательными под­тверждениями общей теории относительности. Все другие предсказания этой теории говорят о таких мало заметных явлениях, которые не могут быть обнаружены из-за недо­статочной чувствительности современных способов измере­ний. Это, конечно, не означает, что роль общей теории от­носительности в современной науке мала. Мало имеется теорий, которые дали бы столь же много для понимания природы, как общая теория относительности. Однако в общей теории относительности еще много вопросов, над раз­решением которых работают ученые многих стран, в том числе и физики нашей страны.
Интересные и очень перспективные идеи для дальней­шей опытной проверки общей теории относительности вы­двинул советский физик, академик В. Л. Гинзбург, кото­рый посоветовал использовать для этого искусственные спутники Земли.
Спутник движется вокруг Земли так же, как и планеты вокруг Солнца по эллиптической орбите. Различные воз­мущения вызывают движения перигея орбиты спутника в пространстве. Так, например, под влиянием Солнца пе­ригей искусственного спутника Земли должен смещаться на 7,6 секунды дуги за столетие. Смещение перигея, кото­рое предсказывает общая теория относительности, много больше. Оно достигает около 1500 секунд дуги за столетие. Вычисления показывают, что наблюдение за искусствен­ным спутником Земли в течение одного года даст возмож­ность точнее проверить общую теорию относительности, чем измерения смещения перигелия Меркурия на протя­жении нескольких сотен лет.

Три описанных выше эффекта — искривление светового луча вблизи Солнца, движение перигелия планет и грави­тационное смещение спектральных линий звезд — были до последних лет единственными наблюдательными под­тверждениями общей теории относительности. Все другие предсказания этой теории говорят о таких мало заметных явлениях, которые не могут быть обнаружены из-за недо­статочной чувствительности современных способов измере­ний. Это, конечно, не означает, что роль общей теории от­носительности в современной науке мала. Мало имеется теорий, которые дали бы столь же много для понимания природы, как общая теория относительности. Однако в общей теории относительности еще много вопросов, над раз­решением которых работают ученые многих стран, в том числе и физики нашей страны.
Интересные и очень перспективные идеи для дальней­шей опытной проверки общей теории относительности вы­двинул советский физик, академик В. Л. Гинзбург, кото­рый посоветовал использовать для этого искусственные спутники Земли.
Спутник движется вокруг Земли так же, как и планеты вокруг Солнца по эллиптической орбите. Различные воз­мущения вызывают движения перигея орбиты спутника в пространстве. Так, например, под влиянием Солнца пе­ригей искусственного спутника Земли должен смещаться на 7,6 секунды дуги за столетие. Смещение перигея, кото­рое предсказывает общая теория относительности, много больше. Оно достигает около 1500 секунд дуги за столетие. Вычисления показывают, что наблюдение за искусствен­ным спутником Земли в течение одного года даст возмож­ность точнее проверить общую теорию относительности, чем измерения смещения перигелия Меркурия на протя­жении нескольких сотен лет.
На практике эта проверка до сих пор еще не удалась, так как еще недостаточно изучены другие причины, кото­рые также вызывают смещение перигея искусственного спутника.  Из них наиболее существенными являются влияние движения Луны, отличие фигуры Земли от шара и трение, которое возникает при движении искусственного спутника в разреженной атмосфере.
Выше мы уже отмечали, что гравитационное поле в теории относительности отличается от гравитационного по­ля в теории Ньютона приблизительно так же, как электро­магнитное поле отличается от электрического. Рассмотрим, например, заряженный шар. Электростатическое поле во­круг шара не зависит от того, вращается шар или нет, электромагнитное же поле зависит от этого вращения. Ес­ли шар не вращается и не совершает поступательного движения, то его окружает только электростатическое поле, тогда как вращение приводит к возникновению и магнит­ного поля. Точно такую же картину дает сравнение гра­витационного поля в теории Ньютона с полем в общей теории относительности. В теории Ньютона безразлично, вращается или нет шарообразное тело, порождающее гра­витационное поле, — поле от этого не меняется. Согласно же общей теории относительности, гравитационное поле вращающегося шара отличается от гравитационного поля невращающегося шара.
Вращение Солнца вокруг своей оси, по теории отно­сительности, порождает дополнительное гравитационное поле, которое, в свою очередь, должно вызывать дополни­тельное движение перигелия Меркурия. Это смещение, однако, настолько мало (0,01 секунды дуги за столетие), что нет никакой надежды измерить его в ближайшее вре­мя. И здесь спутник может оказать большие услуги. Сме­щение перигея искусственного спутника Земли, движуще­гося на высоте 400 км, вызванное вращением Земли вокруг своей оси, должно составлять примерно 43 секунды дуги за столетие. С помощью современной аппаратуры такие смещения в принципе могут быть измерены за время су­ществования спутника (скажем примерно, нескольких лет). Смещение перигея спутника, обусловленное враще­нием Земли,— эффект, который предсказывает теория относительности и который надеются обнаружить, наблю­дая за движением спутников. Это было бы еще одним опытным подтверя^дением общей теории относительности.
Так как гравитационное поле Земли на орбите спутни­ка слабее, чем на поверхности Земли, то время на орбите спутника должно протекать быстрее, чем на Земле. Этот эффект может быть измерен следующим образом.
Перед запуском спутника на нем устанавливают радио­передатчик, который посылает волны с определенной ча­стотой. Посылаемая передатчиком с орбиты спутника ра­диоволна совершает ѵ колебаний в секунду (по времени спутника). На Земле время течет медленнее, чем на спут­нике, поэтому промежуток времени, в течение которого достигшая Земли радиоволна совершит ѵ колебаний, будет меньше секунды (по земному времени) и, следовательно, частота колебаний приемника, установленного на спутни­ке, при его фиксировании на Земле будет больше. Сравни­вая частоту принятой на Земле волны с частотой ѵ, можно судить, насколько быстрее течет время на спутнике, чем на Земле. Это позволит проверить, правильно ли теория относительности учитывает влияние силы гравитационного поля на течение времени. Сравнение скоростей течения времени по гравитационному смещению линий в спектрах звезд в настоящее время можно осуществить, к сожалению, лишь с очень большими погрешностями. Есть надежда, однако, что со временем в этих опытах удастся достичь удовлетворительной точности. Пока же еще не удалось осуществить таких измерений, так как они требуют исклю­чительной стабильности используемой радиоаппаратуры. Вычисления показывают, например, что для искусственно­го спутника Земли, движущегося на высоте 800 км, изме­нение частоты волны, посылаемой радиопередатчиком со спутника, на Земле должно составить лишь 7,6 • 10-11 пер­воначальной частоты. Это очень маленькое изменение, ко­торое трудно зафиксировать, так как даже поперечный эффект Допплера , обусловленный дви­жением спутника, изменяет частоту в 10 раз сильнее. Подобные измерения легче осуществить при помощи спутников, летящих на больших высотах. Так, например, если искусственный спутник будет находиться на расстоя­нии 40000 км от Земли, то гравитационное изменение ча­стоты будет достигать 6 • 10-10 частоты передатчика. Это изменение будет уже в 10 раз превышать изменение ча­стоты за счет поперечного эффекта Допплера.