2.3. ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ЗАТРАГИВАЮЩИЕ ОСНОВЫ ГРАВИТАЦИИ

Целый ряд различных экспериментов как лабораторных, так и в Солнечной системе составляет эмпирический фундамент для критериев 3—6.

а. Проверки специальной теории относительности

Множество лабораторных экспериментов при высоких энергиях дало возможность проверить и перепроверить справедливость специальной теории относительности в пределе, когда гравитационными эффектами можно пренебречь. Диапазон таких экспериментов широк: от прямых проверок замедления времени до тонких эффектов, предсказываемых лоренц-инвариантными квантовыми теориями поля (см., например, МТУ [1], § 36.4, [11, 16, 17]).

Эксперимент Хьюза — Дривера, или эксперимент по «изотропии инертной массы» [18, 19], можно рассматривать как проверку специальной теории относительности (а также тест на существование второго космического тензорного поля (20, 21]). Этот эксперимент наложил ограничение, составляющее эВ, на относительный сдвиг подуровней (расщепление во внешнем

магнитном поле) ядерного энергетического уровня Полная энергия связи этих подуровней порядка 1 МэВ, так что экспериментальное ограничение составляет несколько единиц на Если бы имело место нарушение лоренц-инвариантности, например, в электродинамике, то за счет движения Земли относительно особой универсальной системы покоя, выделяемой нарушенной лоренц-инвариантностью, обязательно наблюдалось бы указанное расщепление. Если через обозначить безразмерный параметр, соответствующий «отклонению» от лоренц-инвариантности (конкретный вид см. в п. 2.5), то полученное из эксперимента Хьюза-Дривера ограничение на принимает вид [22]

где — скорость Земли относительно универсальной системы отсчета.

б. Ньютоновский предел

Огромная совокупность эмпирических данных подтверждает справедливость ньютоновской гравитационной теории (НГТ) по крайней мере в качестве приближения к «истинной» релятивистской теории гравитации. Наблюдения за движением планет и космических кораблей согласуются с НГТ вплоть до уровня относительной точности порядка 10-8, при которой уже могут быть обнаружены постньютоновские эффекты. Лабораторный эксперимент Кавендиша дает более слабое подтверждение НГТ для малых расстояний между гравитирующими телами. Однако совсем недавно НГТ подверглась суровым испытаниям. Было высказано предположение, что может существовать массивная короткодействующая компонента гравитационного взаимодействия, приводящая к модификациям НГТ, которые можно описать гравитационной «постоянной» зависящей от расстояния между гравитирующими телами [23—26]. Недавно Лонг 27] сообщил об экспериментальных результатах, указывающих на вариации в на расстояниях от 5 до 30 см, имеющие величину

где ошибка составляет одно стандартное отклонение. Готовятся попытки провести аналогичные эксперименты в других лабораториях [28, 29]; одновременно с этим Миккельсон и Ньюмен [30] провели детальное исследование ограничений, налагаемых на для расстояний, превышающих 100 см, на основе разнообразных астрономических наблюдений. Необходимо провести в будущем дополнительные эксперименты, чтобы укрепить нашу уверенность в справедливости ньютоновского предела.

в. Проверки слабого принципа эквивалентности

Непосредственная проверка СПЭ состоит в сравнении ускорения объектов лабораторных масштабов, имеющих различный химический состав. Было проведено множество очень точных экспериментов по проверке СПЭ, начиная с экспериментов с маятниками Ньютона, Бесселя и Поттера и кончая классическими экспериментами с крутильными маятниками Этвеша, Дикки и Брагинского и сотр. (подробное обсуждение экспериментальных проблем см. в обзоре [8]). Эксперименты по проверке СПЭ для отдельных атомов и элементарных частиц пока неубедительны или, лучше сказать, не очень точны, за исключением эксперимента для нейтронов [31] (относительно ситуации для электронов см. работу [32]).

Таблица 1 (см. скан) Проверки слабого принципа эквивалентности

В табл. 1 указаны различные эксперименты и приведены ограничения, которые они накладывают на разницу в ускорении а между объектами с различным химическим составом (А и В), определяемую как

Будущие усовершенствованные проверки СПЭ должны уменьшить шумы, обусловленные тепловыми и сейсмическими эффектами, поэтому их, возможно, следует проводить в космосе, используя криогенную технику. Ожидаемые ограничения на величину в таких экспериментах лежат в интервале от до [40, 41].

г. Проверки принципа УГКС

Измерения гравитационного красного смещения служат проверками принципа УГКС. В типичном эксперименте смещение частоты или длины волны между одинаковыми атомными стандартами частоты, которые расположены в точках с различным гравитационным потенциалом, измеряется в зависимости от разницы потенциалов По многим соображениям удобно считать, что эксперименты измеряют параметр а, определяемый соотношением

Если справедлив принцип то а не зависит от природы изучаемых часов; более того, имеется ряд теоретических аргументов (догадка Шиффа, см. пп. 2.4, 2.5) в пользу того, что при справедливости параметр а должен равняться нулю. В табл. 2 собраны краткие сведения о важнейших экспериментах по красному смещению,

Таблица 2 (см. скан) Проверки универсальности гравитационного красного смещения

проведенных с 1960 г. (обзор экспериментов до 1960 г. см. в работе [10]), и упомянуто несколько экспериментов, которые, возможно, будут проведены в ближайшие годы. Первой и наиболее известной очень точной проверкой явился эксперимент Паунда — Ребки — Снайдера, в котором измерялось смещение частоты гамма-фотонов, испущенных при их движении от основания к вершине гарвардской башни и наоборот. Высокая точность достигалась благодаря использованию эффекта Мессбауэра для получения узкой резонансной линии. В других экспериментах измерялось смещение спектральных линий от Солнца в гравитационном поле Солнца. Некоторые проверки включали атомные часы, поднимаемые на высоту самолетами, ракетами и спутниками.

Однако в последнее время наступила новая эра для экспериментов по красному смещению; это связано с развитием стандартов частоты сверхвысокой стабильности: порядка при временах усреднения от 10 до 100 с и более. В качестве примера можно привести водородные лазерные часы [54], часы, представляющие собой автогенератор, стабилизированный сверхпроводящим резонатором (АССР) [55, 56], и охлажденные криогенными методами монокристаллы из диэлектриков, таких, как кремний и сапфир [57]. Впервые такой эксперимент был проведен Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства совместно со Смитсонианской астрофизической обсерваторией (НАСА - САО) в июне 1976 г., это был ракетный эксперимент по изучению красного смещения. Водородные мазерные часы были запущены на ракете на высоту около 10 000 км и их частота сравнивалась с частотой таких же часов на Земле. В этом же эксперименте использовалась высокая стабильность частоты водородных мазерных часов (порядка при временах усреднения в пределах 100 с) и проводилось слежение за смещением частоты в зависимости от высоты. Специальная схема обработки данных [54] позволяет полностью исключить все эффекты, связанные с линейным доплеровским смещением вследствие движения ракеты; одновременно получаемые данные использовались для определения положения и скорости последней ступени ракеты (с тем чтобы рассчитать разность потенциалов и квадратичное доплеровское смещение). Грубый предварительный анализ данных позволил получить а в пределах [50]. (По странному совпадению ракета, которой воспользовались для подъема мазера, на стартовой площадке имела высоту т. е. почти точно высоту гарвардской башни.) В межпланетном варианте подобного эксперимента предполагается выведение стабильных часов (H-мазер или АССР) на орбиту вокруг Солнца с очень большим эксцентриситетом (с минимальным расстоянием до Солнца порядка четырех солнечных радиусов); в таком эксперименте величину а можно проверить с точностью что позволило бы искать эффекты красного смещения «второго порядка» [58].

Успехи в создании стабильных часов сделали возможным

проведение нового типа эксперимента по измерению красного смещения, который мог бы служить непосредственной проверкой принципа УГКС: это «нулевой» эксперимент по красному смещению, в котором сравниваются часы двух различных типов, помещенные рядом в одной и той же лаборатории. В одном из таких экспериментов [51, 52] предполагается сравнивать водородные мазерные часы с АССР и следить за дневными вариациями в их относительных частотах по мере того, как за счет вращения Земли лаборатория попадает в области то более высокого, то более низкого гравитационного потенциала Солнца. Такие вариации имеют следующий вид:

где А — постоянное среднее отношение между частотами двух часов [52]. Зависящий от химического состава коэффициент может быть ограничен величиной порядка