Казалось бы, если два самолёта облетают Землю вдоль широт с разных сторон, часы, находящиеся на бортах, должны показывать одинаковое время. Однако результаты эксперимента Джозефа Хафеле и Ричарда Китинга противоречат здравой логике.
В октябре 1971 года двое учёных вооружились цезиевыми часами и облетели Землю с запада на восток совершенно обычным авиарейсом со множеством пересадок. Затем они совершили точно такой же перелёт, но уже в западном направлении. Вернувшись на базу, учёные сравнили показания часов, которые брали с собой, с показаниями часов на базе. Часы, путешествовавшие на восток, опаздывали на 60 наносекунд, а часы, путешествовавшие на запад, спешили на 273 наносекунды. Эти показания намного превосходили поправки гравитационного вклада (общая теория относительности) и вклада скорости (специальная теория относительности).
Что же ещё может влиять на показание часов? Оказывается, на ход времени может влиять вращение объекта, в данном случае Земли. Вращающееся тело придаёт дополнительное ускорение объектам вблизи, как бы увлекая их в сторону вращения. Такой явление называется эффектом Саньяка, и обусловлено оно увлечением инерциальных систем отсчёта.
Хотите быстро вспомнить школьный курс? В образовательном онлайн-сервисе «Облако знаний» есть конспекты практически по всем предметам и темам. Про инерциальные системы отсчёта читайте здесь.
На самом деле влияние вращения на время было показано в лабораторных условиях ещё до эксперимента с «летающими» часами. Жорж Саньяк в 1913 году провёл опыт с кольцевым интерферометром. В честь учёного и назван рассматриваемый эффект. Сложно поверить, но чуть более ста лет назад часть научного сообщества твёрдо верила в существование светоносного эфира – материи, целиком заполняющей пространство. Саньяк был ярым приверженцем теории эфира, и в своём эксперименте он хотел доказать существование эфира и опровергнуть теорию относительности Эйнштейна.
Простейший интерферометр Саньяка состоит из источника света, светоделителя, зеркал, расположенных по углам многоугольника, и приёмника с экраном. Свет излучается источником, проходит через светоделитель, который направляет свет по двум различным траекториям через зеркала, затем объединяет их и приходит к приёмнику. Если интерферометр находится в состоянии покоя, то два луча света приходят к приёмнику одновременно. Если вся конструкция интерферометра вращается вокруг точки O, находящейся в центре многоугольника, то лучи света приходят в приёмник с некоторой разностью фаз и на экране возникает интерференционная картина. За счёт увлечения инерциальных систем отсчёта луч света, проходящий через зеркала по ходу вращения интерферометра, преодолевает более короткий путь, чем луч света, проходящий в противоположную сторону.
Эффект Саньяка нашёл применение в различных областях жизнедеятельности человека. Например, технологичным элементом современной космической и военной промышленности являются высокоточные инерциальные навигационные системы. А данные, полученные в земных условиях, с успехом используются в фундаментальной науке для изучения свойств решений уравнений гравитационного поля, описывающих чёрные дыры.