Мы с вами, уважаемые читатели, уже знаем, что ОТО успешно провалила все три классических теста (вот здесь можно посмотреть как это было – тест_1, тест_2, тест_3). Но, не смотря на полный разгром ОТО, у сторонников этой теории остаётся в руках очень мощный, пожалуй, главный на сегодняшний день довод в защиту работоспособности общей теории относительности. Они твёрдо знают, что в соответствии с предсказаниями ОТО, спутниковые часы замедляются из-за своей орбитальной скорости, но ускоряются за счёт удалённости от гравитационного колодца Земли. Суммарный эффект настолько значителен, что часы искусственных спутников глобальной системы позиционирования нуждаются в корректировке. Многочисленные интернет ресурсы предлагают самые разные варианты описания этого эффекта. Поэтому не буду тратить время на повторение чужих расчётов, а просто озвучу конечную цифру 38 микросекунд или 38*10^-5 (тридцать восемь на десять в минус пятой) секунды в сутки. Такую погрешность вносит гравитация Земли в точность хода часов на орбите высотой 20 000 км. Именно эта поправка согласно ОТО учитывается при замедлении частоты тактового генератора цезиевых стандартов частоты, используемых на борту КА систем GPS и Глонасс.
Что бы понять за какие точности идёт борьба, давайте переведём абстрактные 38 микросекунд в метры. Это примерно 0,35 (ноль целых тридцать пять сотых) метра на поверхности Земли. Т.е. за сутки погрешность позиционирования из-за влияния гравитации на часы КА ухудшится на 35 сантиметров. Средняя погрешность позиционирования GPS составляет 4 ±0,5 метра, у Глонасс эта цифра равна 6 метрам плюс минус те же полметра. Вроде бы конечная точность позиционирования не сильно страдает от гравитационной погрешности. Однако бдительные читатели тут же возразят, что за год эта систематическая погрешность вырастет до 130 м, а за весь срок активного существования КА (10 лет) это погрешность составит более километра. Ну да, такая точность никуда не годится, против такой логики трудно что-либо возразить, если не знать, что бортовые часы GPS и Глонасс корректируются два раза в сутки в 00 и 12 часов относительно собственной системы единого времени, размещаемой в наземном центре управления. А в этом случае максимальная погрешность, вносимая гравитацией, ни при каких условиях не превысит 18 сантиметров. Т.е. если даже допустить, что гравитационная погрешность всё-таки существует, то она практически не влияет на точность позиционирования. Таким образом, достаточно простые расчёты не подтверждают, скажем так, главный миф о том, что без учёта гравитационной поправки ход бортовых часов глобальной системы позиционирования не обеспечит нужную точность. Обеспечит и очень даже легко.
Теперь перейдём к физической сути гравитационной поправки и попытаемся понять природу этого релятивистского эффекта.
Так как противниками ОТО сломано уже достаточно много копий о методику вычисления гравитационных поправок, я решил подойти к этой проблеме немного с другой стороны. Как вы, наверное, хорошо знаете, Эйнштейн при разработке своих теоретических построений любил прибегать к мысленным экспериментам, в которых, руководствуясь формальной логикой и общеизвестными физическими закономерностями, приходил к весьма неожиданным выводам. Почему бы нам не воспользоваться методикой великого учёного и не провести собственный мысленный эксперимент, связанный с замедлением времени вблизи массивных объектов. Итак, ОТО однозначно и недвусмысленно утверждает, что в окрестностях любого массивного тела пространство искривляется, а время замедляется и эти трансформации пространства-времени связаны с массой этого тела, которое буквально продавливает пространство, тем самым заставляя его изгибаться. Так как в ОТО постоянство скорости света постулировано и не подлежит сомнению, то по логике автора ОТО свету для прохождения большего расстояния по изогнутому пространству требуется большее время. Т.е. изменение времени жёстко связано с искривлением пространства простой математической зависимостью c = L / t ( L – расстояние, t – время). Всё очень просто, скорость постоянная, поэтому если расстояние увеличивается, то и время увеличивается пропорционально, если расстояние уменьшается, то и время уменьшается. Вырваться из замкнутого круга этой железной логики невозможно. А мы и не будем, пока. Наоборот, согласимся, что именно так всё и происходит в реальном мире. И детально рассмотрим данную ситуацию, стараясь не нарушать причинно-следственную логику общей теории относительности. Орбита КА проходит на высоте 20 000 км над Землёй, гравитационный потенциал на такой высоте больше чем на поверхности Земли в 4,139 раза. Следовательно, пространство на орбите КА искривлено меньше чем на поверхности Земли пропорционально этому гравитационному потенциалу. В результате этого одно и тоже расстояние на орбите и на Земле отличаются друг от друга ( Lo < L з ). Соответственно, орбитальное время меньше земного ( to < t з ). Давайте предположим, что перед стартом на космический аппарат загрузили инструмент для измерения расстояния - деревянный метр. Причём это не простой метр, а очень точный, он был откалиброван на Земле перед стартом ракеты с точностью до триллионных долей миллиметра. При этом другой точно такой же откалиброванный метр остался на Земле. Метр на орбите из-за меньшей гравитации чуть-чуть распрямился и стал короче эталона, оставшегося на Земле. Ничего страшного пока не произошло. На Земле своё пространство со своей метрикой, на орбите своё с менее искривлённым пространством. Пожалуйста, измеряйте каждое пространство своим метром и живите спокойно. Но нет, нам потребовалось измерить длину орбиты КА в метрах и затем сбросить этот метр на Землю, чтобы его можно было сравнивать с эталонным метром на Земле. Так мы и сделали. И что мы в итоге обнаружили, оказывается, оба метра абсолютно равны. Хотя мы точно помним, что перед стартом никто не растягивал орбитальный метр, чтобы компенсировать его укорочение на орбите. Казалось бы, надо радоваться такому замечательному результату, но почему-то в рядах релятивистов такой радости не наблюдается. И я даже догадываюсь почему. Они уже сообразили, что деревянный метр в данном случае просто аллегория, а физический смысл проведённого эксперимента заключается в другом. Деревянный метр, как и цезиевые часы на борту КА это всего лишь инструмент для измерения пространства и времени соответственно. И как не требуется растягивания деревянного метра, так точно также не требуется никакого изменения частоты задающего генератора атомных часов, для компенсации искривления пространства и замедления времени. Потому что откалиброванные на Земле метры и часы будут одинаково успешно измерять в одних и тех же единицах расстояние и время, как на Земле, так и на орбите и в любой точке пространства вселенной. При этом если теория относительности верна, то искривление пространства должно автоматически искривлять деревянный метр, а ускорение времени заставлять тикать часы чаще. Что бы синхронизировать инструменты измерения на Земле и на орбите, специально ничего подкручивать и подпиливать не нужно. Обо всё позаботится матушка природа, если конечно теоретическая модель, предсказывающая искривление пространства, верна. Процедура сбрасывания деревянного метра на Землю немного утрирует получение меток времени с космического аппарата, но в целом абсолютно точно описывает физику процесса. Один метр орбитальной траектории не равен одному метру на поверхности Земле, но будучи сброшенным на Землю, он под действием силы гравитации удлинится и на Земле вновь будет равен эталонному. Точно такие же трансформации должны сопровождать сброс меток времени на Землю. Сбрасываемая, якобы из будущего, метка времени попадёт в настоящее благодаря большему искривлению пространства у поверхности Земли. Представленная ниже картинка хорошо иллюстрирует высказанную мысль.
Любой калиброванный интервал времени, как и любой калиброванный интервал расстояния на орбите всегда равны точно таким же калиброванным интервалам на Земле. Согласно ОТО под действием массивной материи прогибается пространство. Чтобы не утратить связь с пространством все материальные объекты должны сохранить свои размеры относительно этого пространства. Т.е. автоматически изменить свои линейные размеры вслед за искривлением пространства. Если же мы в своих рассуждениях разорвём связь материальных объектов с пространством и позволим им не реагировать на искривление пространства, в котором они живут, то на следующем шаге моделирования пространства в рамках ОТО мы не сможем объяснить, почему все материальные объекты должны двигаться по геодезическим искривлённого пространства. Логика здесь простая – либо между пространством и материей существует неразрывная связь, либо пространство само по себе, а материя сама по себе. Но в последнем случае искривить пространство с помощью массивной материи тоже не получится. Т.е. ОТО перестанет работать. Мы пока не готовы отвергнуть ОТО полностью. Поэтому будем считать, что искривление пространства автоматически приводит к искривлению линейных размеров всех материальных объектов этого пространства. Те же самые рассуждения мы обязаны применить и для времени. Часы должны отсчитывать одинаковое количество интервалов на шкале времени проградуированной в неких единицах, например в секундах, в любом темпоральном пространстве. Растягивание или сжимание абстрактного времени должно автоматически приводить к изменению хода часов. Потому что часы это всего лишь инструмент измерения времени, однозначно связанный с ним точно также как метр связан со своим пространством. Строго следуя формальной логике, мы должны констатировать, что относительно любой точки пространства откалиброванный метр всегда будет равен 100 сантиметрам, а один час в любой точке пространства равен 3600 секундам. И скорость света в любых искривлённых пространствах всегда будет равна 300 000 км/с ровно по этой причине. Впрочем, как и любая другая физическая константа будь то гравитационная постоянная или постоянная Планка. Любые другие предположения о взаимодействии пространства и материи в рамках ОТО погружают нашу вселенную в безразмерный хаос, в котором законы физики работают в разных точках пространства по-разному.
Хорошо, но как же в таком случае быть с замедлением бортовых атомных часов на космических аппаратах GPS и Глонасс? Спросят нас неугомонные сторонники ОТО. И на этот законный вопрос мы должны дать им вразумительный ответ. Так как из открытых источников доподлинно известно, что базовые частоты задающих генераторов 10,23 МГц для GPS и 5 МГц для Глонасса действительно уменьшают на очень маленькие значения 0,00000000457 МГц и 0,00000000218 МГц, соответственно. Помните, как в «Вечерах на хуторе близ Диканьки» мудрый Пацюк отвечал молодому кузнецу Вакуле на вопрос – где можно найти чёрта ? Зачем его искать, когда он у тебя за спиной. Думаю, что в нашем случае логика поиска правильного ответа должна быть примерно такой же. Зачем привлекать искривлённое пространство, замедленное время, релятивистские формулы сложения скорости света, Земли и КА, если «подкручивают» часы. Более логично обратить свой взор на эти часы и попытаться понять, зачем нужно уменьшать их тактовую частоту, чтобы они на высоте 20 000 км шли с такой же скоростью как аналогичные часы на поверхности Земли. Ничего не поделаешь, придётся разбираться с устройством атомных часов.
Но прежде чем начать разбор атомных часов, хочу предложить вашему вниманию небольшую историческую справку. В мае 1967 г. и в сентябре 1969 г. США запустили первую пару спутников низкоорбитальной навигационной системы TIMATION, которая работала исключительно в интересах МО США. На борту этих КА были установлены высоко прецизионные кварцевые генераторы с точностью частоты не хуже 10^-11 секунды. Да, да те самые кварцевые генераторы, что работают в ваших телефонах, часах, телевизорах, микроволновках и стиральных машинах. При этом сдвига частот у генераторов КА TIMATION не проводилось и никаких релятивистских поправок в бортовое программное обеспечение не вводилось. Суммарное действие релятивистского и гравитационного эффектов для высоты 925 км, на которой размещались эти КА, должно составлять около 2,1*10^-10 секунды. Конечно, такую маленькую погрешность американские военные за два года эксплуатации этой системы могли и не заметить. Тем более, что практическая эксплуатация этой системы подтвердила её расчётную точность позиционирования. Никаких сенсационных заявлений по поводу блестящего подтверждения ОТО со стороны участников этой программы не последовало. В продолжение той же программы исследований космического навигационного позиционирования в 1973 году был запущен первый космический аппарат NTS -1 с рубидиевыми атомными часами на борту. И опять тишина, про блестящее подтверждение ОТО ни слова. И вот теперь, внимание, самое интересное. Историческое событие состоялось 23 июня 1977 г. В этот день был запущен КА NTS -2 с цезиевым стандартом частоты в качестве высокоточного поставщика времени. И вот этот спутник с первой попытки смог подтвердить релятивистскую задержку времени. В первоисточнике на https://www.globalsecurity.org/space/systems/timation.htm об этом говорится достаточно скупо : «The satellite experiment has verified Einstein's relativistic clock shift». Обращаю ваше внимание, уважаемые читатели, первый же КА с цезиевыми атомными часами на борту потребовал релятивистского сдвига частоты задающего генератора.
Ну вот, теперь можно переходить к знакомству с конструкцией цезиевых атомных часов. Непродолжительный поиск в интернете позволил выяснить, что на борту навигационных КА GPS применяются стандарты частоты « Aerospace Cold Atom Clock ». Это компактные и устойчивые к внешним воздействиям атомные стандарты частоты на основе цезиевого фонтана. Иногда такие устройства ещё называют часами с холодными атомами. А холодными эти атомы становятся из-за того что их специально охлаждают. Как это происходит, послушаем профессионалов. Вот выдержка из статьи, опубликованной на интернет-ресурсе « http :// inventors . about . com / od / astartinventions / ss / AtomClock . html ».
Сначала газ из атомов цезия вводится в вакуумную камеру. После этого шесть инфракрасных лазерных лучей начинают светить в центр камеры под небольшим углом к вертикальной оси камеры. Тем самым, собирая атомы цезия в центре камеры в компактный объём. При этом атомы цезия охлаждаются почти до нулевой температуры, что замедляет их хаотичное движение и разбегание. Затем два вертикальных лазера дают осторожный толчок ядрам цезия вверх и тут же выключаются (фонтан начинает работать). В результате такого толчка ядра атомов цезия поднимаются на высоту около метра и после этого под действием силы тяжести падают обратно вниз. Движение туда вверх и обратно вниз продолжается около 1 секунды. В процессе движения атомы цезия облучаются микроволновым излучением с частотой близкой к их резонансной частоте 9 192 631 770 Гц. В результате ядра возбуждаются и начинают флуоресцировать, т.е. стабильно излучать фотоны на этой частоте. Фиксирует эти фотонные импульсы или световые пакеты регистратор, и далее из последовательности таких импульсов уже формируются секундные метки.
Приведённое описание относиться к наземному типу фонтанных часов, не имеющих лётной квалификации, но принцип действия у них точно такой же, как и у космических атомных часов, только у космических часов высота фонтана поменьше. А теперь я хочу задать очень простой вопрос, как вы думаете, уважаемые читатели, падение атомов цезия под действием силы тяжести на поверхности Земли и на орбите высотой 20 000 км над Землёй происходит с одинаковой скоростью? Ответ очевиден, конечно нет! Вот вам и простой ответ на вопрос, зачем замедлять атомные часы на борту навигационных космических аппаратов. Что бы компенсировать уменьшение силы тяжести, действующей на ядра атомов цезия на орбите высотой 20 000 км. На КА Глонасс устанавливаются более старые модели цезиевых часов, на которых нет фонтанов. Но сила тяжести действует на любые ядра, даже если они и не фонтанируют. Хотя признаюсь честно, не попадись мне в интернете описание работы фонтанных цезиевых часов, догадаться, что на атомы цезия действует различная сила тяжести на Земле и на орбите, было бы значительно сложнее. Как бы там ни было, но мы с вами надёжно установили, что в конструкции атомных часов сила тяжести работает как пружина маятника в обычных часах и соответственно оказывает решающее влияние на скорость хода часов.
Я сознательно не стал приводить более детальных расчётов влияния силы тяжести на атомные ядра цезия и погружаться в конструктивные особенности атомных часов. Так как, с моей точки зрения, гораздо важнее понять ошибочность гравитационного замедления времени на уровне идеи. А для такого понимания приведённых фактов более чем достаточно. Во-первых, гравитационная погрешность в абсолютных цифрах практически не оказывает влияния на заявленную точность позиционирования GPS и Глонасс. Во-вторых, успешная работа обычных кварцевых генераторов на борту первых навигационных КА TIMATION без релятивистского замедления опровергает влияние гравитационного сдвига времени на точность хода часов КА. В-третьих, задействование силы тяжести в работе атомных часов объясняет необходимость замедления тактовой частоты задающих генераторов этих часов.
PS Кстати, в составе всех атомных часов используются обычные кварцевые генераторы для формирования резонансной частоты 9192631770 Гц, на которой флуоресцируют ядра цезия. В составе атомных часов КА GPS и Глонасс замедляется частота именно этих кварцевых генераторов. Т.е. одни и те же устройства в составе одних КА работают без замедления, а в составе других их нужно замедлять из-за гравитационного искривления пространства. Вот такая избирательная теория относительности.
PSS Не думаю, что проделанная работа по развенчанию мифов работоспособности ОТО как-то изменит мировоззрение убеждённых релятивистов. Однако люди думающие и сомневающиеся теперь смогут более аргументировано отстаивать свою точку зрения, подкрепляя здравый смысл ещё и конкретными фактами фальсификации доказательств ОТО.
