Гравитационный зонд

[Matik 0]

17-го апреля на околоземную орбиту будет запущен Гравитационный Зонд B (Gravity Probe B ). Подготовка к этому эксперименту заняла больше 40 лет. Его результат может стать наиболее точной проверкой общей теории относительности за наше время. Это в основном стэнфордский проект (здесь), при участии НАСА, естественно (здесь).

 

Предыстория.
Общая теория относительности (или теория гравитации Эйнштейна) с трудом поддаётся экспериментальной проверке. Сам Эйнштейн в 1916 году сделал три наблюдаемых предсказания: смещение перигелия Меркурия, отклонение света звёзд и гравитационное смещение его спектра. На протяжении более 40 лет других эффектов ОТО не наблюдалось. Да и эти наблюдения не были однозначными: столь тонкие изменения в звёздном свете трудно поддаются измерению, а на орбиту Меркурия действуют многие другие факторы, отчасти неизвестные (напр., отклонение Солнца от формы шара). Вдобавок, вскоре были выдвинуты альтернативные теории, приводящие к тем же выводам относительно этих трёх тестов.

 

С 60-х годов, с развитием экспериментальной базы, стала возможной более надёжная проверка теории Эйнштейна и её конкурентов. К настоящему времени три предсказания Эйнштейна прочно подтверждены. Однако общее положение дел вокруг ОТО трудно признать удовлетворительным, в частности, её не удаётся объединить с квантовой механикой. Это и другие трудности приводят некоторых физиков к мысли, что ОТО нуждается в поправках. В любом случае, для прояснения ситуации не хватает недвусмысленных экспериментальных данных. /В отличие от интерпретации наблюдений за неподконтрольными объектами./

 

В 1959 года Leonard Schiff из Стэнфорда произвёл вычисления, показывающие, что гироскоп, облетающий Землю по полярной орбите на высоте 400 миль, должен поворачиваться вместе с Землёй на 42 миллисекунды за год. [Имеется в виду угловая секунда, т.е. 1/3600 градуса.] Образно говоря, вращающееся массивное тело (Земля) увлекает пространство-время за собой. Этот эффект никогда не наблюдался до сих пор. Гравитационный зонд B измерит его с точностью в 1%.

[Matik 0]

Реализация

 

Для успеха эксперимента необходимы шесть основных ингредиентов.

 

- стабильный гироскоп, отклоняющийся от своей оси не более чем на 0.00000000001 градуса в час.
- способ измерить направление его вращения с точностью до 0.1 угловой миллисекунды, не внося помех вращению.
- телескоп и механическая система, позволяющая отсчитывать угол от направления на выбранную звезду.
- достаточно яркая звезда, собственное движение которой точно известно.
- схема анализа измерений, разделяющая эффект различных воздействий на гироскоп.
- внутренняя система калибрации устройства, определяющая отсутствие погрешностей механизма.

 

Все эти условия были выполнены, причём наиболее трудным оказалось четвёртое.

 

Инструмент в принципе очень прост. Это полуметровый кварцевый контейнер, на котором установлен кварцевый телескоп, а внутри содержатся четыре гироскопа. Он находится в почти 3-х метровом "термосе", поддерживающем температуру в 1.8 градуса выше абсолютного нуля в течение двух лет. Зонд выводится на круговую орбиту высотой 400 миль, проходящую над полюсами Земли. Все гироскопы ориентированы на одну и ту же звезду (HR8703, IM Пегаса), причём два вращаются по часовой стрелке, а два - против.

 

Роторами гироскопов служат кварцевые шарики размером в мяч для пинг-понга, покрытые тонким слоем металла ниобия. Это - самые круглые объекты не только на Земле, но и на многие световые года вокруг. Их отклонение от формы шара не превышает 40 атомных слоёв. Только нейтронные звёзды ближе к шаровой форме, чем эти куски кварца.

 

Шары вращаются со скоростью 10000 оборотов в минуту внутри сферических кварцевых оболочек с зазором около 0.02 мм. Они не насажены на ось, а поддерживаются электромагнитным полем, которое не позволяет им сдвигаться больше, чем на стотысячную долю сантиметра. Шары разгоняются (после вывода на орбиту) потоком гелия, подводимого к ним на околозвуковой скорости. Разгон занимает около получаса, после чего газ выкачивается до состояния, более разрежённого, чем вакуум за бортом корабля. Вращаясь в такой среде, гироскопы потеряют лишь 1% скорости за 1000 лет.

 

Направление оси вращения измеряется с помощью сверхпроводимого кольца, окружающего гироскоп. Внешние электромагнитные поля устраняются при помощи четырёх свинцовых оболочек, вложенных друг в друга и охлаждённых до состояния сверхпроводимости. (Сверхпроводники непроницаемы для магнитных полей.) Как уже было сказано, прибор ориентируется на заданную звезду через телескоп. Однако звезды - не точки, например, HR8703 имеет угловой размер в 1.3 миллисекунды. Кроме того, дифракция приводит к расплыванию её наблюдаемого диска до 1400 миллисекунд. Фотодетекторы анализируют изображение звезды, определяя его центр с точностью до долей миллисекунды.

 

Вряд ли стоит описывать все трудности, возникшие и решённые в ходе этого уникального проекта. Как когда-то сказал Frank McDonald, теперь уже бывший научный директор НАСА, это "самый трудный проект, который НАСА проведёт в этом тысячелетии". Действительно трудный, раз одного тысячелетия оказалось мало.

 

По материалам от Стэнфордского университета

[GDV 9812]

Вот вам и удивительное, которое рядом, но при этом не есть сайнс-фикшн.

[Dim 0]

Вот молодцы!
Красиво, сложно, приятно!
Приятно, что человеческий мозг занят делом, а не придумыванием тупых слоганов для рекламы памперсов.
Спасибо, Matik!

[KOTRPA 0]

Чого тiльки людина не придумає, тільки щоб город не копати!

 

Серьезно: Matik, спасибо! Очень понравилось и интересно.

[Matik 0]

Добавлю фотографии. Самый круглый предмет, когда-либо созданный человеком:

полностью
Собранный зонд:

полностью, и в высоком разрешении

[GDV 9812]

QUOTE (Matik @ Apr 5 2004, 00:35) Самый круглый предмет, когда-либо созданный человеком
Интересно также посмотреть на:
1. Самую прямую.
2. Самый квадрат.
3. Самую плоскость.

[KOTRPA 0]

QUOTE (GDV @ Apr 5 2004, 01:37) Интересно также посмотреть на:
1. Самую прямую.
2. Самый квадрат.
3. Самую плоскость.

Самя прямая была линия Партии, самый квадратный -- квадрат Малевича, а самой плоской -- эта шутка.

[GDV 9812]

Ну вот теперь просто нечего более желать.

[Grim Fandango 0]

QUOTE (GDV @ Apr 5 2004, 01:20) Ну вот теперь просто нечего более желать.

Жизнь удалась?

[Matik 0]

QUOTE (GDV @ Apr 4 2004, 18:37) Интересно также посмотреть на:
1. Самую прямую.
2. Самый квадрат.
3. Самую плоскость.

Самую прямую может показать Wandler (если пренебречь отклонением лазерного луча в гравитационном поле Земли ), а вот где найти идеально прямые углы и идеальную плоскость - не знаю. Плоских плоскостей полно, только неясно, какая из них самая плоская.

[Intense 0]

Берешь любые 3 точки - чем не идеальная плоскость

[Sergei 11]

QUOTE (Intense @ Apr 5 2004, 08:05) Берешь любые 3 точки - чем не идеальная плоскость
Не совсем так. Ведь пространство между ними может искривляться....

[Dim 0]

Насколько мне память не изменяет, самые плоские (кривизна 5-8 молекулярных слоёв) имеют кремниевые пластины, из которых делают процессоры и памяти. Так было 10 лет назад, во всяком случае.

[Matik 0]

Поискав "atomically flat surfaces", я обнаружил несколько ссылок, например, от NASA. Хотя дефекты кристалла пока неизбежны, между ними находятся достаточно много абсолютно плоских (без единого лишнего атома) участков 0.1*0.1mm, на которых могут быть размещены детали микросхемы.

 

Конечно, кристаллическая структура, и плоская, а не сферическая поверхность облегчают достижение такой точности.