Три описані вище ефекти — викривлення світлового променя поблизу Сонця, рух перигелію планет і гравітаційне зміщення спектральних ліній зір — були до останніх років єдиними спостережними підтвердженнями загальної теорії відносності. Усі інші передбачення цієї теорії стосуються таких малопомітних явищ, які не можуть бути виявлені через недостатню чутливість сучасних способів вимірювання. Це, звісно, не означає, що роль загальної теорії відносності в сучасній науці мала. Мало є теорій, які дали б так багато для розуміння природи, як загальна теорія відносності. Проте в загальній теорії відносності ще багато питань, над розв'язанням яких працюють учені багатьох країн, у тому числі й фізики нашої країни.
Цікаві й дуже перспективні ідеї для подальшої дослідної перевірки загальної теорії відносності висунув радянський фізик, академік В. Л. Гінзбург, який порадив використати для цього штучні супутники Землі.
Супутник рухається навколо Землі так само, як і планети навколо Сонця, по еліптичній орбіті. Різні збурення спричиняють рух перигею орбіти супутника в просторі. Так, наприклад, під впливом Сонця перигей штучного супутника Землі має зміщуватися на 7,6 секунди дуги за століття. Зміщення перигею, яке передбачає загальна теорія відносності, набагато більше. Воно сягає близько 1500 секунд дуги за століття. Обчислення показують, що спостереження за штучним супутником Землі впродовж одного року дасть змогу точніше перевірити загальну теорію відносності, ніж вимірювання зміщення перигелію Меркурія протягом кількох сотень років.
На практиці ця перевірка досі ще не вдалася, бо ще недостатньо вивчені інші причини, які також спричиняють зміщення перигею штучного супутника. З них найістотнішими є вплив руху Місяця, відмінність фігури Землі від кулі й тертя, яке виникає під час руху штучного супутника в розрідженій атмосфері.
Вище ми вже зазначали, що гравітаційне поле в теорії відносності відрізняється від гравітаційного поля в теорії Ньютона приблизно так само, як електромагнітне поле відрізняється від електричного. Розгляньмо, наприклад, заряджену кулю. Електростатичне поле навколо кулі не залежить від того, обертається куля чи ні, а електромагнітне поле залежить від цього обертання. Якщо куля не обертається і не здійснює поступального руху, то її оточує лише електростатичне поле, тоді як обертання призводить до виникнення й магнітного поля. Точно таку саму картину дає порівняння гравітаційного поля в теорії Ньютона з полем у загальній теорії відносності. У теорії Ньютона байдуже, обертається чи ні кулеподібне тіло, що породжує гравітаційне поле, — поле від цього не змінюється. Згідно ж із загальною теорією відносності, гравітаційне поле обертової кулі відрізняється від гравітаційного поля необертової кулі.
Обертання Сонця навколо своєї осі, за теорією відносності, породжує додаткове гравітаційне поле, яке, у свою чергу, має спричиняти додатковий рух перигелію Меркурія. Це зміщення, однак, настільки мале (0,01 секунди дуги за століття), що немає жодної надії виміряти його найближчим часом. І тут супутник може зробити великі послуги. Зміщення перигею штучного супутника Землі, що рухається на висоті 400 км, спричинене обертанням Землі навколо своєї осі, має становити приблизно 43 секунди дуги за століття. За допомогою сучасної апаратури такі зміщення в принципі можуть бути виміряні за час існування супутника (скажімо, приблизно кількох років). Зміщення перигею супутника, зумовлене обертанням Землі,— ефект, який передбачає теорія відносності і який сподіваються виявити, спостерігаючи за рухом супутників. Це було б ще одним дослідним підтвердженням загальної теорії відносності.
Оскільки гравітаційне поле Землі на орбіті супутника слабше, ніж на поверхні Землі, то час на орбіті супутника має плинути швидше, ніж на Землі. Цей ефект може бути виміряний у такий спосіб.
Перед запуском супутника на ньому встановлюють радіопередавач, який надсилає хвилі з певною частотою. Радіохвиля, яку передавач надсилає з орбіти супутника, здійснює ν коливань за секунду (за часом супутника). На Землі час тече повільніше, ніж на супутнику, тому проміжок часу, протягом якого радіохвиля, що досягла Землі, здійснить ν коливань, буде меншим за секунду (за земним часом) і, отже, частота коливань приймача, встановленого на супутнику, при її фіксуванні на Землі буде більшою. Порівнюючи частоту прийнятої на Землі хвилі з частотою ν, можна судити, наскільки швидше тече час на супутнику, ніж на Землі. Це дасть змогу перевірити, чи правильно теорія відносності враховує вплив сили гравітаційного поля на плин часу. Порівняння швидкостей плину часу за гравітаційним зміщенням ліній у спектрах зір нині можна здійснити, на жаль, лише з дуже великими похибками. Є надія, однак, що з часом у цих дослідах вдасться досягти задовільної точності. Поки ж ще не вдалося здійснити таких вимірювань, бо вони вимагають виняткової стабільності використовуваної радіоапаратури. Обчислення показують, наприклад, що для штучного супутника Землі, який рухається на висоті 800 км, зміна частоти хвилі, що її надсилає радіопередавач із супутника, на Землі має становити лише 7,6 • 10-11 первісної частоти. Це дуже мала зміна, яку важко зафіксувати, бо навіть поперечний ефект Доплера (див. § 11 розділу III), зумовлений рухом супутника, змінює частоту в 10 разів сильніше. Подібні вимірювання легше здійснити за допомогою супутників, що летять на великих висотах. Так, наприклад, якщо штучний супутник перебуватиме на відстані 40000 км від Землі, то гравітаційна зміна частоти досягатиме 6 • 10-10 частоти передавача. Ця зміна вже в 10 разів перевищуватиме зміну частоти за рахунок поперечного ефекту Доплера.
Цікаві й дуже перспективні ідеї для подальшої дослідної перевірки загальної теорії відносності висунув радянський фізик, академік В. Л. Гінзбург, який порадив використати для цього штучні супутники Землі.
Супутник рухається навколо Землі так само, як і планети навколо Сонця, по еліптичній орбіті. Різні збурення спричиняють рух перигею орбіти супутника в просторі. Так, наприклад, під впливом Сонця перигей штучного супутника Землі має зміщуватися на 7,6 секунди дуги за століття. Зміщення перигею, яке передбачає загальна теорія відносності, набагато більше. Воно сягає близько 1500 секунд дуги за століття. Обчислення показують, що спостереження за штучним супутником Землі впродовж одного року дасть змогу точніше перевірити загальну теорію відносності, ніж вимірювання зміщення перигелію Меркурія протягом кількох сотень років.
На практиці ця перевірка досі ще не вдалася, бо ще недостатньо вивчені інші причини, які також спричиняють зміщення перигею штучного супутника. З них найістотнішими є вплив руху Місяця, відмінність фігури Землі від кулі й тертя, яке виникає під час руху штучного супутника в розрідженій атмосфері.
Вище ми вже зазначали, що гравітаційне поле в теорії відносності відрізняється від гравітаційного поля в теорії Ньютона приблизно так само, як електромагнітне поле відрізняється від електричного. Розгляньмо, наприклад, заряджену кулю. Електростатичне поле навколо кулі не залежить від того, обертається куля чи ні, а електромагнітне поле залежить від цього обертання. Якщо куля не обертається і не здійснює поступального руху, то її оточує лише електростатичне поле, тоді як обертання призводить до виникнення й магнітного поля. Точно таку саму картину дає порівняння гравітаційного поля в теорії Ньютона з полем у загальній теорії відносності. У теорії Ньютона байдуже, обертається чи ні кулеподібне тіло, що породжує гравітаційне поле, — поле від цього не змінюється. Згідно ж із загальною теорією відносності, гравітаційне поле обертової кулі відрізняється від гравітаційного поля необертової кулі.
Обертання Сонця навколо своєї осі, за теорією відносності, породжує додаткове гравітаційне поле, яке, у свою чергу, має спричиняти додатковий рух перигелію Меркурія. Це зміщення, однак, настільки мале (0,01 секунди дуги за століття), що немає жодної надії виміряти його найближчим часом. І тут супутник може зробити великі послуги. Зміщення перигею штучного супутника Землі, що рухається на висоті 400 км, спричинене обертанням Землі навколо своєї осі, має становити приблизно 43 секунди дуги за століття. За допомогою сучасної апаратури такі зміщення в принципі можуть бути виміряні за час існування супутника (скажімо, приблизно кількох років). Зміщення перигею супутника, зумовлене обертанням Землі,— ефект, який передбачає теорія відносності і який сподіваються виявити, спостерігаючи за рухом супутників. Це було б ще одним дослідним підтвердженням загальної теорії відносності.
Оскільки гравітаційне поле Землі на орбіті супутника слабше, ніж на поверхні Землі, то час на орбіті супутника має плинути швидше, ніж на Землі. Цей ефект може бути виміряний у такий спосіб.
Перед запуском супутника на ньому встановлюють радіопередавач, який надсилає хвилі з певною частотою. Радіохвиля, яку передавач надсилає з орбіти супутника, здійснює ν коливань за секунду (за часом супутника). На Землі час тече повільніше, ніж на супутнику, тому проміжок часу, протягом якого радіохвиля, що досягла Землі, здійснить ν коливань, буде меншим за секунду (за земним часом) і, отже, частота коливань приймача, встановленого на супутнику, при її фіксуванні на Землі буде більшою. Порівнюючи частоту прийнятої на Землі хвилі з частотою ν, можна судити, наскільки швидше тече час на супутнику, ніж на Землі. Це дасть змогу перевірити, чи правильно теорія відносності враховує вплив сили гравітаційного поля на плин часу. Порівняння швидкостей плину часу за гравітаційним зміщенням ліній у спектрах зір нині можна здійснити, на жаль, лише з дуже великими похибками. Є надія, однак, що з часом у цих дослідах вдасться досягти задовільної точності. Поки ж ще не вдалося здійснити таких вимірювань, бо вони вимагають виняткової стабільності використовуваної радіоапаратури. Обчислення показують, наприклад, що для штучного супутника Землі, який рухається на висоті 800 км, зміна частоти хвилі, що її надсилає радіопередавач із супутника, на Землі має становити лише 7,6 • 10-11 первісної частоти. Це дуже мала зміна, яку важко зафіксувати, бо навіть поперечний ефект Доплера (див. § 11 розділу III), зумовлений рухом супутника, змінює частоту в 10 разів сильніше. Подібні вимірювання легше здійснити за допомогою супутників, що летять на великих висотах. Так, наприклад, якщо штучний супутник перебуватиме на відстані 40000 км від Землі, то гравітаційна зміна частоти досягатиме 6 • 10-10 частоти передавача. Ця зміна вже в 10 разів перевищуватиме зміну частоти за рахунок поперечного ефекту Доплера.