Эксперимент Паунда и Ребки

Экспериме́нт Па́унда и Ре́бки — проверка замедления хода времени в поле тяготения, осуществлённая в 1960 году сотрудниками Гарвардского университета Робертом Паундом и Гленом Ребкой в лабораторном контролируемом эксперименте. Полученное значение в пределах ошибок эксперимента (10 %) блестяще подтвердило принцип эквивалентности и основанную на нём общую теорию относительности Эйнштейна. В настоящее время в подобном эксперименте совпадение измеренного и теоретического значений проверено с точностью около 1 %.

Описание эксперимента

Для определения разности темпа хода времени в разнесённых по высоте точках Паунд и Ребка использовали измерения частоты фотонов в двух точках вдоль их траектории: в точке испускания и в точке поглощения. Разность в измеренной частоте в верхней и нижней точках указывает на разность хода времени в этих точках.

Фотон, испускаемый ядром эффект Мёссбауэра, который обеспечивает поглощение импульса отдачи при испускании и поглощении фотона не отдельным ядром атома, а всем кристаллом (точнее, его макроскопической частью), так что энергия фотона при излучении практически не тратится на отдачу. Согласно принципу эквивалентности, изменение частоты света $\delta\nu$ для фотона, испущенного в точке с гравитационным потенциалом $\phi_{1}$ и поглощённого в точке с гравитационным потенциалом $\phi_{2}$, равно $\frac{\delta\nu}{\nu}=\phi_{2}-\phi_{1}$. В условиях эксперимента разность значений гравитационного потенциала составила $\Delta\phi=-\frac{gh}{c^2}=-2,46 \times 10^{-15}$, где g — ускорение свободного падения, h — расстояние, c — скорость света. Точности имеющейся у Паунда и Ребки аппаратуры не хватало для таких измерений. Тогда исследователи придумали остроумный приём для повышения точности измерений сдвига частоты: они догадались двигать источник фотонов вверх и вниз со скоростью $v_{0}cos \omega t$, где $\omega$ было некоторой постоянной частотой, несколько десятков герц, а $v_0$ было подобрано так, чтобы доплеровский сдвиг частоты от него намного превышал предполагаемый гравитационный сдвиг частот. Гравитационное красное смещение, вызванное различием гравитационного замедления времени в точках излучения и приёма, добавляется к доплеровскому смещению и гравитационный относительный сдвиг частоты можно оценить по изменениям легко регистрируемого доплеровского смещения. Вначале Паунд и Ребка получили значение относительного сдвига частоты в 4 раза больше ожидаемого. Это различие объяснялось разностью температур источника и мишени, что было указано Джозефсоном. При учёте поправок на разность температур был получен окончательный результат для гравитационного смещения частоты: $\frac{\delta\mu}{\mu}=(2,57 \pm 0,26)\times10^{-15}$.

Особое значение эксперимента

С. Вейнберг отмечает, что эксперимент Паунда и Ребки имеет особое значение, как независимая от экспериментов Этвеша и Дикке проверка принципа эквивалентности.

Дальнейшие эксперименты

В 1976 году группой физиков Смитсонианского института под руководством М. Вессо были проведены эксперименты по измерению гравитационного смещения на баллистической ракете — Gravity Probe A. Предварительная обработка результатов дала погрешность 0,04 % от теоретического значения.

В настоящее время гравитационное замедление времени рутинно учитывается в навигационных спутниковых системах, а также при определении шкалы атомного времени (показания отдельных атомных часов, составляющих пул хранителей времени этой шкалы, приводятся к поверхности геоида).

Значение в истории науки

Эксперимент Паунда и Ребки является первым проведённым в земных условиях экспериментом по изучению влияния гравитации на электромагнитные явления.

См. также

• Общая теория относительности
• Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции
• Гравитационное красное смещение

Литература

1. Р. В. Паунд «О весе фотонов», «Успехи физических наук», 1960 г., декабрь, с. 673—683;
2. В. Н. Руденко «Релятивистские эксперименты в гравитационном поле», «Успехи физических наук», 1978 г., ноябрь, с. 362—401;
3. С. Вейнберг «Гравитация и космология», пер. с англ. В. М. Дубовика и Э. А. Тагирова, под ред Я. А. Смородинского, «Платон», 2000, ISBN 5-80100-306-1, ч. 2 «Общая теория относительности», гл. 3 «Принцип эквивалентности», п. 5 «Изменение масштаба времени», с. 93—101;
4. В. Б. Брагинский, А. Г. Полнарев «Удивительная гравитация», Библиотечка «Квант», вып. 39, М., «Наука», 1985, 22.313 Б 87 УДК 530.1.