Зеркала на Луне помогли доказать правоту Эйнштейна

Каждую ночь, когда небо не закрыто облаками и Луна ярко освещает земную поверхность, группа астрономов в Нью-Мексико обращает свой взор на нашу ближайшую космическую соседку и "стреляет" в нее повторяющимися импульсами мощного лазера. Их цель - рефлекторы размером с чемодан, оставленные на лунной поверхности экспедициями Apollo (Аполлон) 11, 14 и 15, а также двумя советскими аппаратами.

Из более чем 300 квадриллионов (10^15) фотонов, достигающих естественного спутника, всего около пяти возвращаются отраженными на Землю. Остальные пропадают в атмосфере или вовсе не отражаются рефлектором в нашем направлении. Этот небольшой улов помогает отследить движение Луны с точностью до 1-2 миллиметров - измерение настолько прецизионное, что могло бы выявить неточности в общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна.

Лунная лазерная дальнометрия имеет длинную историю. "Меня еще не было на этом свете, когда первые рефлекторы были оставлены на Луне", - говорит 39-летний Том Мёрфи (Tom Murphy) из Калифорнийского университета (University of California) в Сан-Диего, возглавляющий эксперимент, проводимый в обсерватории Apache Point Observatory в Санспоте, Нью-Мексико. В середине 1960-х годов NASA в преддверии предстоящих экспедиций отбирало эксперименты, которые могли быть проведены на Луне, и лазерная дальнометрия предлагалась в числе кандидатов, однако немногие были уверены в целесообразности таких исследований. Суть заключалась в наблюдении за изменениями в гравитационной постоянной Ньютона, но проводить подобное изыскание имело смысл на протяжении длительного отрезка времени - в течение 20 лет, что мало кому представлялось возможным. Тогда молодой исследователь Кен Нордтведт (Ken Nordtvedt) предложил свой план. С помощью сложной математики он показал, что всего через два года получения ценных данных лунная лазерная дальнометрия может быть использована для проверки краеугольного камня ОТО - принципа эквивалентности. Он основан на идее, что физическое тело имеет два типа массы. Первая - гравитационная - "ощущает" действие силы тяжести и участвует в ее образовании. Вторая является инертной и характеризует, насколько тяжело переместить объект с его текущего состояния движения. Принцип эквивалентности утверждает, что обе массы равны.

Этот принцип является частью ОТО, но в середине 1960-х годов американские физики Карл Брэнс (Carl Brans) и Роберт Дик (Robert Dicke) разработали альтернативную теорию. Определяя пятую силу природы, теория гравитации Брэнса-Дика отвергала принцип эквивалентности и предсказывала 13-метровое изменение лунной орбиты. Нордтведт же показал, что анализ отраженных рефлектором световых импульсов мог бы доказать или опровергнуть существование колебаний орбиты. Дик являлся членом консультативного комитета по науке программы Apollo, и, выслушивая объяснения астронавтов о сложности практического воплощения многих предложенных экспериментов, проводить которые необходимо в скафандре, он решил просто оставить несколько зеркал на Луне, сориентировав их на Землю, а остальную работу оставить астрономам.

Теория Брэнса-Дика пала первой жертвой успеха лазерной лунной дальнометрии. Измерения проводились с достаточной точностью, чтобы показать, что гравитационная и инертная массы эквивалентны с точностью до одной десятитриллионной. В то же время, новые подходы к гравитации, такие как теория струн, и антигравитационные теории наподобие квинтэссенционной - все подразумевают свержение принципа эквивалентности.

Что касается 20-летнего наблюдения гравитационной константы Ньютона, казавшегося невозможным проектом в 1960-х годах, команда Мёрфи фиксирует любые изменения вплоть до одной триллионной доли в год. Это является мощным фактором, с которым обязаны считаться создатели новых физических и космологических теорий.