Скоро окажется трудным найти интервалы времени, когда ни один искусственный спутник не будет вращаться вокруг Земли. Поэтому, естественно, возникает вопрос о том, какие же научные наблюдения могут быть осуществлены с помощью спутников.

Проблематика наблюдений весьма широка и многообразна. С помощью спутников можно, например, изучать распределение масс в толще Земли. Дело в том, что это распределение отлично от сферически симметричного. Попросту говоря, на Земле имеются горы и впадины, а также подземные скопления более плотных пород. По этой причине орбита спутника испытывает определенные возмущения. Если тело, находящееся в поле тяжести однородного шара, движется по эллиптической орбите, то, учитывая, что Земля не является шаром, что массы распределены на ней несимметричным образом, орбита будет уже не эллиптической, а более сложной. Наблюдения за этими возмущениями орбиты позволят уточнить целый ряд вопросов, касающихся строения Земли и распределения масс. Кроме того, спутник можно использовать для геодезических целей, для точной «привязки» геодезических сетей на разных материках. Здесь может быть достигнута точность, составляющая всего несколько метров (для сравнения напомним, что длина земной окружности составляет примерно 40 миллионов метров).

Второй большой раздел научной программы исследований — это изучение земной атмосферы: ее плотности, температуры и состава на больших высотах. Состав воздуха на больших высотах не тот, что вблизи земной поверхности: часть молекул диссоциирована (расщеплена на атомы), часть молекул и атомов ионизирована, имеются некоторые молекулы, которых мало у Земли. Вопросы о составе, температуре и плотности воздуха в верхних слоях атмосферы, магнитном поле и распространении радиоволн в этой области представляют большой интерес.

Третий раздел программы связан с изучением космического пространства. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца поглощается воздухом. Даже с помощью шаров-зондов, поднимающихся примерно до 30 километров, исследовать такое излучение нельзя. В последнее время для этой цели стали применяться ракеты, но они находятся в верхних слоях атмосферы минуты, а первые спутники летают месяцы, более далекие спутники могут двигаться годами и столетиями. Таким образом, спутники будут использоваться при изучении ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Подобные опыты поставлены уже на втором спутнике.

Спутники позволяют также исследовать маленькие метеоры, космическую пыль, межпланетный газ и космические лучи.

Итак, вопросов много, решение некоторых из них более простое, некоторых — более сложное. Эти исследования будут развиваться в дальнейшем, вся программа рассчитана на много лет, и было бы ошибкой не видеть здесь перспективу, интересоваться только опытами, которые можно осуществить завтра, оставляя без внимания эксперименты, которые могут привести к успеху лишь через несколько лет.

О чем я хотел бы рассказать подробнее — это об использовании спутников Земли для проверки общей теории относительности. Речь идет о проверке одной из самых фундаментальных физических теорий. Эта проблема будет решаться только в будущем, тем не менее она уже сейчас привлекает большое внимание.

Но прежде чем перейти к вопросу о том, что можно сделать в этой области с помощью спутников, необходимо кратко остановиться на характеристике общей теории относительности. Как известно, создание ее в своей основе было завершено Эйнштейном в 1916 году. Общая теория относительности — величайшее из творений этого гениального физика, умершего два года тому назад. Она представляет собой в первую очередь обобщенную теорию тяготения. Другими словами, эта теория носит более общий характер, чем известный ньютоновский закон всемирного тяготения, который изучают в школе и вузах.

Что особенно характерно для ньютоновской теории? Прежде всего то, что сила тяготения определяется положением обоих тел в данный момент времени. Если первое тело сдвигается, то второе сразу же «почувствует» этот сдвиг. Возьмем такой фантастический пример: с нашим Солнцем что-то случилось, оно взорвалось (к счастью, с Солнцем этого не может случиться, по существуют такие звезды — так называемые новые и сверхновые звезды,— которые претерпевают ядерные взрывы). Тогда, с точки зрения теории тяготения Ньютона, планета сразу же почувствует результаты взрыва, между тем как свету, чтобы пройти от Солнца до Земли, нужно 8 минут; например, если на Солнце произошла световая вспышка, то только через 8 минут мы увидим ее на Земле. По теории же Ньютона, силы тяготения распространяются мгновенно. Этот момент — мгновенное распространение, или дальнодействие, — давно вызывал сомнения и возражения. С развитием физики выяснилось, что сомнения были обоснованны и никакое действие не может распространяться со скоростью большей, чем скорость света.

Это относится и к тяготению. Поэтому возникает задача обобщить ньютоновскую теорию тяготения таким образом, чтобы она не противоречила факту конечности скорости распространения света и любых возмущений. Общая теория относительности и есть такая теория тяготения, в которой тяготение распространяется не мгновенно, а со скоростью света, иначе говоря, которая учитывает запаздывание взаимодействия.

Чтобы лучше выяснить соотношение между теориями тяготения Ньютона и Эйнштейна, укажу на такую аналогию. В электростатике имеет место закон Кулона, аналогичный закону всемирного тяготения Ньютона. Но если заряды движутся, то, помимо электростатических сил, появляются магнитные, которые зависят от скорости зарядов. При этом один заряд «почувствует» действие другого не сразу, а через время, нужное свету, чтобы пройти расстояние между ними. Общая теория относительности и есть теория гравитационного поля, то есть такая теория тяготения, которая обобщает ньютоновскую теорию тяготения в том же духе, в каком теория электромагнитного поля — электродинамика — обобщает электростатику¹.

Теперь перейдем к вопросу о том, к чему приводит общая теория относительности. Надо сказать, что эта теория работает «па полную мощность» лишь на гигантских просторах Вселенной, по сравнению с которыми наша солнечная система подобна ничтожной песчинке в Сахаре. Для того, чтобы видеть, как мала солнечная система в космическом масштабе, можно привести такой пример: свет идет от Солнца до Земли 8 минут, а самый мощный существующий телескоп улавливает свет, который шел к нам несколько миллиардов лет! Таким образом, 8 минут и миллиарды лет — таково соотношение между размерами солнечной системы и космическими расстояниями, уже сейчас доступными наблюдению. Поэтому если какой-нибудь эффект общей теории относительности мал в солнечной системе, то он отнюдь не обязан быть малым в применении к большим объемам Вселенной. К этому можно будет вернуться несколько позже, а сейчас, поскольку нам доступно непосредственное количественное изучение в первую очередь нашей солнечной системы, мы укажем па те эффекты общей теории относительности, которые можно наблюдать уже в этой системе.

Первый эффект — возмущение движения планет. По Ньютону, орбиты планет являются эллиптическими, причем в фокусе эллипсов находится Солнце. Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием. Что же следует из общей теории относительности в применении к планетным движениям? Она говорит о том, что орбита планеты начинает медленно, вращаться в направлении движения планеты. Так, для Меркурия теория предсказывает поворот (смещение) перигелия на 43 угловых секунды в столетие, а наблюдения дают 42,56+0,94 секунды в столетие, то есть находятся в полном согласии с общей теорией относительности.

Эффект смещения перигелия Меркурия был обнаружен известным астрономом Леверье еще в середине XIX века. Им было установлено, что существует некоторое возмущение орбиты Меркурия, которое нельзя связывать с влиянием других планет. Природа возмущения оставалась неясной до тех пор, пока Эйнштейн в 1915 году не объяснил, в чем тут дело. Для Венеры, Марса и Юпитера предсказываемое общей теорией относительности смещение перигелия очень мало, и нет достаточно точных данных наблюдений, позволяющих выявить эффект. Для Земли он составляет, согласно теории, 3,8 секунды в столетие, а наблюдения дают 4,6 + 2,7 секунды. Заметим, что возможности наблюдения поворота перигелия существенно зависят не только от самой величины поворота, но и от эксцентриситета орбиты², так как, чем эллипс ближе к кругу, тем труднее наблюдать смещение перигелия. Поэтому известной мерой эффекта является не самый угол поворота, а произведение угла поворота на эксцентриситет. Для Меркурия и сам эффект поворота наибольший и эксцентриситет орбиты относительно велик, гораздо больше, чем для Венеры, Земли, Марса и Юпитера. У других планет орбита так близка к круговой, что наблюдать смещение перигелия особенно трудно.

¹ Гравитация и тяготение — синонимы. Теория тяготения Ньютона может быть, таким образом, названа гравитостатикой.

²Эксцентриситет характеризует, насколько орбита отличается от круговой

Для того, чтобы убедиться, как все-таки мал эффект смещения даже для Меркурия, укажем на то, что эллипс (орбита) повернется полностью, то есть перигелий повернется на 360 градусов, примерно за 3 миллиона лет. За все время существования солнечной системы таких оборотов было порядка одной тысячи, поскольку возраст планет составляет миллиарды лет.

Теперь несколько слов о втором эффекте общей теории относительности. Согласно специальной теории относительности, построенной А. Эйнштейном еще в 1905 году, всякая масса имеет энергию и наоборот. Следовательно, если свет имеет энергию, а это, несомненно, так, то он имеет и массу. Вот почему световые лучи, проходящие вблизи массивного тела, будут отклоняться этим телом. Это относится, в частности, к свету звезд, который проходит около Солнца. Благодаря отклонению световых лучей, проходящих вблизи Солнца, звездное поле около Солнца деформировано. Отклонение составляет примерно две угловые секунды. Под таким углом видна спичечная коробка при наблюдении на расстоянии 5 километров. Тем не менее это отклонение лучей сравнительно легко определяется существующими астрономическими методами. Трудность заключается в другом — в том, что осуществлять наблюдения вне солнечных затмений невозможно, так как рядом с Солнцем нельзя увидеть звезды. Наблюдения же во время затмений редко удаются и очень кратковременны. Ряд измерений все же удалось сделать; теория сходится в этом вопросе с наблюдениями с точностью, составляющей 10-15 процентов, большей точности еще не достигнуто.

Третий эффект общей теории относительности состоит в гравитационном смещении частоты спектральных линий. Грубо говоря, это смещение можно объяснить тем, что когда свет движется от Солнца к Земле, он действует против сил тяготения. В результате линии солнечного спектра при их наблюдении на Земле смещены в красную сторону примерно на сотую ангстрема, то есть на одну десятимиллиардную сантиметра по сравнению с теми же спектральными линиями, испускаемыми земными источниками.¹ Этот эффект, каким он ни кажется маленьким, может быть свободно измерен существующими приборами; но, к сожалению, данные исследований Солнца здесь трудно использовать потому, что на Солнце имеются и другие причины смещения спектральной линии. Хорошим объектом для проверки этого эффекта общей теории относительности является, казалось бы, спутник Сириуса — Белый карлик. У него гравитационное смещение частоты (нередко называемое красным смещением) составляет уже доли ангстрема и сравнительно легко измеримо.

¹ Во избежание недоразумений поясним, что речь идет об изменениях (смещениях) длины волны, а не о 'величине смещения спектральных линий в оптическое приборе или, скажем, на фотопластинке. Это последнее смещение зависит, конечно, от размеров и конструкции прибора.

Но и в этом случае трудно использовать измерения для количественной проверки теории, так как недостаточно хорошо известно значение гравитационного потенциала на поверхности звезды (Белого карлика). В результате сейчас можно лишь отметить, что предсказанное общей теорией относительности смещение частоты имеет место, но величина смещения остается неопределенной.

Следовательно, все три эффекта, которые предсказывает общая теория относительности, наблюдаются, и в целом теория хорошо сходится с наблюдениями. Может, правда, возникнуть вопрос: так ли уж важна общая теория относительности, если те эффекты, о которых мы говорили, столь малы? В связи с этим следует подчеркнуть, что мы, живя на Земле, естественно, выбираем для исследования те эффекты, которые у нас «под боком», которые, иначе говоря, можно измерить, находясь на нашей планете. Эти эффекты малы потому, что «действие» общей теории относительности, как уже отмечалось, разыгрывается во всю ширь только в применении к огромным масштабам Вселенной. Вопрос же о строении Вселенной — это один из вечных вопросов, который интересует человечество и всегда будет продолжать интересовать его. Строением Вселенной, так сказать, «в целом» занимается особая часть астрономии — космология. В космологии общая теория относительности является путеводной нитью. Чтобы эта нить «не подвела», нужно, конечно, проверить теорию возможно точнее, проверить количественно, а это как раз можно сделать, исследуя эффекты, о которых мы говорили.

Общая теория относительности представляет собой фундаментальнейшее из существующих в физике научных построений. Эта теория впервые связала пространство и время с веществом. Когда-то об этом думали Лобачевский и Риман, но только общая теория относительности показала, что свойства пространства и времени действительно определяются находящейся в пространстве материей. С этой точки зрения, все эффекты, о которых шла речь, в конце концов отражают неэвклидовость пространства — времени.

Таким образом, нет никаких сомнений в том, что нужно дальше и с возможно большей точностью проверять общую теорию относительности.

Каким же путем здесь нужно идти дальше? Естественно, нужно уточнять астрономические наблюдения. Однако история науки показывает, что большой шаг вперед в какой-либо области может быть сделан только с помощью новых идей, новых объектов, новых методов. В данном случае таким новым объектом и является спутник, который можно использовать для проверки общей теории относительности.

Итак, перейдем к спутнику. Раньше всего отметим, что эффект вращения перигелия будет, конечно, иметь место и для спутников Земли (в случае земных спутников ближайшая к Земле точка называется не перигелием, а перигеем). Спутник движется в поле тяжести Земли, причем интересующий нас здесь поворот перигея с течением времени определяется не только большой полуосью его орбиты, а и периодом обращения вокруг Земли. Несколько неожиданным является то, что для спутника эффект гораздо больше, чем даже для Меркурия. Объясняется это следующим: хотя у спутника большая полуось меньше, но и период обращения совершенно другой. У Меркурия большая полуось орбиты составляет 58 миллионов километров и период обращения — 88 суток, а у близкого земного спутника он равен примерно 1,5 часа. Это и приводит к тому, что у спутника поворот перигея гораздо больше, чем у Меркурия.

Спутник находится около нас и, в известных пределах, в нашей власти. Поэтому возможности наблюдений и измерений здесь совсем другие, чем для планет. По-видимому, элементы орбит спутников можно будет со временем определять с несравненно большей точностью, чем та, которая достигается для планет. Ясно, что использование спутника открывает здесь большие перспективы.

В этой связи укажем на еще более интересные возможности, связанные со спутником, а именно на проверку четвертого эффекта общей теории относительности. Этот эффект нельзя наблюдать для планет, в том числе и для Меркурия. Характер этого эффекта к тому же таков, что, обсуждая его, можно особенно хорошо выяснить отличие общей теории относительности от ньютоновской теории тяготения. Если мы имеем однородный шар, то его поле тяготения, его влияние на движение спутников шара по ньютоновской теории тяготения совершенно одинаково, независимо от того, находится ли шар в покое или же вращается вокруг своей оси. В общей теории относительности это уже не так: планеты (или спутники), движущиеся вокруг покоящегося тела или вращающегося вокруг оси тела, ведут себя по-разному — элементы их орбиты (например, положение перигея) меняются в зависимости от того, есть вращение или нет. С помощью спутника, если бы это было нужно, можно таким образом доказать существование вращения Земли, даже не наблюдая самой Земли.

Для более ясного понимания существа этого эффекта приведем пример из электродинамики. Возьмем заряженный шар. Вокруг него имеется электрическое, кулоновское поле. Будем теперь вращать шар, тогда появляется ток (имеются движущиеся заряды), и вокруг шара возникает магнитное поле, которое оказывает свое влияние на любые заряды, движущиеся вне рассматриваемого шара.

Общая теория относительности, как уже упоминалось, обобщает ньютоновскую теорию тяготения примерно так же, как электродинамика обобщает электростатику. Приведенная аналогия позволяет понять, почему действие вращающейся Земли на спутник отлично от действия, которое имело бы место для покоящейся планеты. Вращение Земли приводит к дополнительному смещению перигеев спутников, которое достигает 50 угловых секунд в столетие. Таким образом, один только этот эффект примерно такой же, как весь эффект общей теории относительности для Меркурия.

Солнце, как известно, вращается. Но так как Солнце вращается в 25 раз медленнее Земли и так как орбита Меркурия дальше от Солнца, чем орбита земных спутников, то для Меркурия дополнительное влияние вращения Солнца очень мало: оно составляет только одну сотую угловой секунды в столетие, что лежит далеко за пределами точности наблюдений. С другой стороны, для спутников Юпитера (у Юпитера имеется несколько естественных спутников, а сама эта планета быстро вращается) влияние вращения гораздо больше, чем для Земли. Но возможная точность наблюдений над спутниками Юпитера, конечно, не идет ни в какое сравнение с возможностями наблюдения искусственных спутников Земли.

Однако и для земных спутников трудности очень велики. Эффект сам по себе может быть и не так мал, и все было бы хорошо, если бы это был единственный эффект изменения орбиты спутника. Беда в том, что орбита спутника не является строго эллиптической даже при пренебрежении эффектами общей теории относительности. Это объясняется несколькими факторами: во-первых, поверхность Земли не является строго сферической, во-вторых, имеется атмосфера и, наконец, существует возмущающее влияние Луны. Влияние Луны учесть легко, но остальные возмущения выявить точно очень трудно. Их детальный учет — проблема более отдаленного будущего. Уже результаты наблюдений над спутниками будут здесь очень ценными.

В дальнейшем, можно надеяться, орбиты будут предвычисляться столь точно, что можно будет поставить на реальную почву и вопрос об измерении эффектов общей теории относительности, о которых шла речь.

Но имеется другая задача, уже сегодня вполне осуществимая,— использование спутников для измерения гравитационного смещения частоты. Допустим, что на спутнике находится какой-то излучатель, например, яркая ртутная лампа. Спектральные линии при приеме на Земле будут в этом случае смещены в фиолетовую сторону потому, что свет как бы притягивается к Земле, и энергия, а следовательно, и частота излучения возрастают¹. В случае же излучения, идущего от Солнца, свету приходится в первую очередь преодолевать солнечное притяжение, и поэтому спектральные линии смещаются в красную сторону (частота уменьшается).

¹ Свет, как известно, в ряде отношений ведет себя как совокупность особых частиц — квантов света, или фотонов. Энергия фотона пропорциональна частоте излучения.

Фиолетовое смещение излучения спутника очень мало; даже для удаленного спутника, находящегося на расстоянии гораздо большем, чем радиус Земли, относительное смещение частоты составляет лишь 7 десятимиллиардных. Такое маленькое изменение частоты с помощью оптических приборов наблюдать невозможно. Но на спутник ведь можно поставить радиопередатчик, а в области радиочастот имеются методы измерений, которые позволяют определять ничтожно малые смещения частоты. Сейчас имеются источники радиоизлучения (молекулярные и атомарные генераторы), которые обладают очень высокой стабильностью частоты. Поэтому, поместив молекулярный генератор на спутник, можно, принимая его излучение на Земле, проверить эффект гравитационного смещения частоты, проверить то, чего до сих пор не удалось сделать в области астрономии. Здесь, однако, также имеются немалые трудности, в первую очередь связанные с тем, что частота, излучаемая спутником, меняется не только в силу действия поля тяжести, но и в силу эффекта Допплера. Возможно большее удаление спутника в данном случае выгодно, так как на нем Эффект Допплера меньше, чем на близком, а гравитационное смещение частоты возрастает.

Развитие радиотехники ставит на повестку дня вопрос о проверке общей теории относительности даже на самой Земле. Если передатчик поместить на горе, а приемник в более низком месте, то при разности уровня в 5 километров, что вполне осуществимо, относительное изменение частоты будет равно 5·10^-13. Это значение ниже предела достигнутой точности измерений, но в принципе возможно, что эту задачу все же удастся решить. При использовании же спутников, когда эффект может быть в тысячу раз больше, измерения смещения частоты представляются осуществимыми уже в самом близком будущем.

В этом и состоит наиболее реальная возможность проверки общей теории относительности с использованием спутников. Следует заметить, что вместо измерения изменения частоты приходящего со спутника излучения можно сравнить ход атомных часов на спутнике и на Земле.

В заключение еще об одной возможности использования спутника, которая имеет некоторое отношение к общей теории относительности, или, точнее, ее применению для изучения Вселенной. Мы имеем в виду определение яркости излучения всех звезд. На поверхности Земли до сих пор этого точно сделать не удается по той причине, что имеется свечение ночного неба, яркость которого сравнима с яркостью звезд. С помощью же спутника можно непосредственно измерить яркость всех звезд и получить одно из очень важных значений, характеризующих строение Вселенной.

Пройдет несколько лет, и многие эксперименты, о которых здесь говорилось, осуществятся. Использование спутников для решения важных задач физики, астрономии и геофизики явится новым блестящим успехом науки.