Международная группа ученых подтвердила вывод Эйнштейна о том, что вращение Земли вызывает замедление времени. Результаты эксперимента со спутником LARES-2, опубликованные в Nature, стали самым точным измерением этого эффекта — с погрешностью всего в одну тысячную.
Спустя более ста лет после публикации общей теории относительности Альберта Эйнштейна, эта фундаментальная физическая теория продолжает успешно проходить все более сложные экспериментальные проверки. Международная группа ученых под руководством Игнацио Кьюфолини, представляющего Китайскую академию наук, провела новое прецизионное измерение одного из предсказаний Эйнштейна — гравитационного эффекта, связанного с вращением Земли.
Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени массивными объектами. Однако одним из наиболее тонких предсказаний теории является так называемый эффект «перетаскивания», или увлечения инерциальных систем отсчета. Суть явления заключается в том, что массивное вращающееся тело не просто искривляет пространство-время вокруг себя, но и частично вовлекает его в свое вращение. Этот эффект можно сравнить с движением ложки в густом сиропе: окружающая среда приходит в движение вслед за ней. Вблизи черных дыр или нейтронных звезд «перетаскивание» выражено значительно сильнее, однако и на орбите Земли его можно зафиксировать с помощью сверхточных измерений.
Для этого ученые объединили данные с относительно нового спутника LARES-2, запущенного Итальянским космическим агентством в 2022 году, с информацией от более старых аппаратов LAGEOS и миссии NASA GRACE. Спутник LARES-2 представляет собой плотную сферическую конструкцию с ретрорефлекторами, что позволяет определять его положение с высокой точностью при помощи наземных лазерных станций. Его орбита была выбрана таким образом, чтобы минимизировать влияние негравитационных сил, а в расчетах учитывались даже малые искажения гравитационного поля Земли, вызванные лунными и солнечными приливами.
Проанализировав данные наблюдений за три года, команда ученых измерила скорость прецессии орбиты спутника, вызванную увлечением пространства-времени вращающейся Землей. Полученное значение совпало с предсказаниями общей теории относительности с относительной погрешностью 0,1 %. Это примерно в десять раз точнее, чем результаты предыдущих экспериментов, включая знаменитый проект Gravity Probe B, проводившийся NASA в 2004–2011 годах. Данное исследование стало самым строгим на сегодняшний день испытанием эффекта «перетаскивания» в Солнечной системе.
Новые результаты имеют двойное значение. Во-первых, они представляют собой еще одно убедительное доказательство состоятельности общей теории относительности. На протяжении более ста лет эта теория неизменно подтверждается все более чувствительными экспериментами — от наблюдений солнечных затмений в 1919 году до регистрации гравитационных волн в XXI веке. Эффект «перетаскивания» был одним из последних предсказаний Эйнштейна, требовавших сверхточной проверки, и теперь он получил свое подтверждение с беспрецедентной точностью.
Во-вторых, полученные данные существенно сужают пространство для альтернативных теорий гравитации. Многие конкурирующие модели предсказывают отклонения от эффекта «перетаскивания» на разных масштабах, и новый эксперимент устанавливает жесткие рамки, в которые теперь должны укладываться любые альтернативы — с точностью до 0,1 %. Кроме того, ученые отметили, что их анализ позволил улучшить точность измерений лунно-солнечных приливов, влияющих на гравитационное поле Земли, что демонстрирует пользу подобных экспериментов и для смежных областей — например, для геодезии и геофизики. Теория Эйнштейна, разработанная более века назад, вновь подтвердила свою состоятельность в условиях сверхточных измерений.
Читайте также: Ученые впервые увидели, как теория Эйнштейна влияет на химические связи в молекулах.