Общая теория относительности применяется в космической навигации. Поскольку данная глава посвящена изучению и покорению космического пространства с помощью летательных аппаратов, то именно последний случай применения учения Эйнштейна представляет для нас интерес. К Солнечной системе, разумеется, теория относительности мало применима, т. к. релятивистские эффекты здесь ничтожно малы. Они ощутимы только в масштабах нашей Галактики и больших.
И все же в деле навигации учет небольших цифр бывает очень полезен, поэтому именно так и поступают ученые, занимающиеся расчетом и прокладкой межпланетных трасс для автоматических станций и зондов. Полеты к другим космическим телам стали для современного человека нормой, даже школьники сегодня знают, что полет до Луны занимает по времени 3 суток, до Венеры — 4 месяца, а до Марса — 7 месяцев. Человечество направляло летательные аппараты почти ко всем планетам Солнечной системы, за исключением далекого Плутона. И никто толком не знает, какой титанический труд скрывается за этой исследовательской «рутиной».
При всем этом проложить межпланетную трассу крайне затруднительно. Средневековый мореход был в праве рассчитывать на благоприятное плавание, если заранее учитывал действие всех ветров и течений на своем пути. Современный баллистик также должен подумать о течениях и ветрах на пути следования космической каравеллы. Вот только водовороты и ураганы, которые поджидают автоматическую станцию, невидимы, неуловимы и непредсказуемы. Речь идет о гравитационных полях, генерируемых планетами и прочими массивными телами, обращающимися вокруг Солнца.
Само солнце является объектом чудовищно большой массы, и эта масса порождает значительное гравитационное поле. Притяжение различных тел отклоняет летящий в космосе аппарат. Если заранее не учесть всех возможных воздействий, то добиться точности продвижения во время полета невозможно. При прокладке маршрута для межпланетной автоматической станции баллистики опираются преимущественно на построения механики Ньютона, а именно — его теории гравитации.
Релятивистские эффекты почти не сказываются на дистанциях между планетами, поэтому классической физики для таких вычислений бывает достаточно. Например, так происходит при вычислении гравитационного потенциала. Гравитационным потенциалом называют в теории Ньютона величину, которая соответствует степени напряженности поля тяжести.
Всем известна напряженность магнитного поля. Наблюдая за металлическими опилками вблизи магнита, можно видеть, как они выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля. Эти силовые линии обозначают направление напряженности поля в пространстве. Напряженность гравитационного поля определяется через гравитационный потенциал. Искусственные спутники с равной силой и притягиваются планетой, и сами притягивают планету, согласно третьему закону Ньютона.
Поскольку масса и размеры сателлитов не идут ни в какое сравнение с планетными габаритами, то и гравитационное поле этих тел оказывается слабым. Оно почти никак не сказывается на напряженности поля планеты. Принято говорить, что спутник обладает пробной массой, т. е. такой, которая позволяет изучить свойства мощного поля тяжести и не вызвать в нем возмущений. Пробная масса помогает найти гравитационный потенциал поля. Он будет количественно равен квадрату скорости вращения малого тела вокруг большого.
При релятивистском изучении гравитации физику приходится иметь дело не столько с гравитационным потенциалом, сколько с зависящим от него параметром |φ|/c2, т. е. модулем потенциала, деленным на квадрат скорости света. Поправка значительна, поскольку скорость света равняется 300 000 км/с! Лишь при большом значении потенциала можно получить достаточно большой параметр. Один из самых больших параметров, встречающихся в природе, характеризует взаимодействия между нейтронными звездами и равняется всего 0,1. Для космического аппарата, совершающего маневры на орбите Марса или Юпитера, параметр просто ничтожен.
Вот почему баллистики почти не принимают во внимание релятивистские эффекты в Солнечной системе. Но когда речь идет о заходе автоматической станции на околопланетную орбиту, то ученым приходится добиваться высокой точности движения аппарата. Сходным образом наши «Венеры» и американский «Магеллан» стали искусственными спутниками планеты Венера.
При этом зонду «Магеллан» предстояло выйти сначала на простейшую круговую орбиту, а затем путем баллистического маневрирования перейти на околопланетную эллиптическую орбиту. Двигаясь по эллипсу, зонд то сближался с Венерой и проводил ее картирование, то удалялся от нее и связывался с Землей, передавая собранные данные.
Во время управления аппаратом при выполнении подобных задач счет ведется на метры, тогда как сам автомат пребывает более чем в сотне миллионов километров от Земли. При таком соотношении расстояний следствия общей теории относительности играют немаловажную роль. Успех многих космических программ связан с внесением поправок ОТО в ньютоновские формулы баллистики.
Начиная с конца 1990-х гг. специалисты Национального американского агентства по аэронавтике и космическим исследованиям (НАСА) спланировали полет космического зонда к Плутону. Проект был в целом завершен в 1998–1999 гг., и теперь перед учеными стоит задача его реализации. Полет настолько длителен, что релятивистские эффекты на всем его протяжении дадут о себе знать. По изучению траектории зонда физики смогут в который раз проверить теорию Эйнштейна. Они собираются измерить влияние солнечного тяготения на тело, стремительно удаляющееся от Солнца в бесконечность.
Недавние открытия убеждают ученых, что релятивистские эффекты придется в обозримом будущем учитывать также при составлении орбит для спутников и орбитальных станций. Выше уже говорилось, что единое четырехмерное пространство-время представляет собой особую форму материи, неразрывно связанную с полем и веществом. Поэтому гравитационные поля могут искривлять пространство, в результате чего оно преображается и приобретает кривизну. Земля не обладает достаточной массой, чтобы сколько-нибудь значительно искривлять пространство. Оттого для исследования всей Солнечной системы справедливо применение евклидовой геометрии.
Однако Земля вращается вокруг своей оси, чем создает дополнительное воздействие на мировую материю. В процессе такого вращения планета значительно закручивает близлежащее пространство-время. Сходным образом возникают завихрения в креме, который сбивают лопаточки миксера. Вязкая кремовая масса закручивается и как бы наматывается на лопаточки по мере их вращения. Пока невозможно количественно измерить наматывание пространства-времени «на земную ось», т. е. закручивания в виде водоворота вокруг вращающейся планеты.
Но уже сегодня можно обнаружить данный эффект, поскольку он сказывается на обращении орбитальных искусственных спутников Земли (ИСЗ). Ученые провели анализ орбит двух долговечных сателлитов «Лагеос-I и II» за четырехлетний период. В течение столь длительного срока обращения релятивистские эффекты, вызванные закручиванием пространства-времени в окрестностях планеты, становятся доступны измерению. Необходимо помнить, что пространственно-временные завихрения крайне слабы и возмущают орбиты ИСЗ в 1 млн раз слабее, чем Луна.
Физики проанализировали элементы орбит и смещение сателлитов «Лагеос». Посредством ньютоновой механики было учтено действие лунной и солнечной гравитации, неоднородность поля тяжести Земли, тормозящее влияние разреженного воздуха, который присутствует вплоть до высот около 10–15 тыс. км над земной поверхностью. Все эти факторы возмущают орбиты спутников и заставляют сателлиты смещаться. Оказалось, что, помимо указываемых классической физикой, существуют неопознанные факторы, влияющие на околоземные орбиты.
