Страница 154 из 161
Геофизика
Геофизики используют спутники, способные отражать свет РІ обратном направлении (СЃ уголковыми отражателями) для измерения движений земной РєРѕСЂС‹. Путем измерения времени, которое требуется лазерному импульсу, чтобы дойти РґРѕ спутника Рё вернуться обратно, можно измерить СЃ очень высокой точностью расстояние между лазером Рё спутником. Если спутник находится РЅР° стационарной орбите, так что его расстояние РґРѕ Земли РЅРµ изменяется, то этот метод позволяет измерить малые перемещения места, РЅР° котором установлен лазер. Рто позволяет измерять дрейф континентов.
Континенты плавают РїРѕ расплавленному внутреннему слою Земли, как плиты земной РєРѕСЂС‹. Рти плиты сталкиваются РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј, вызывая землетрясения, появление островов Рё извержения вулканов. Поэтому измерения дрейфа континента имеют РѕРіСЂРѕРјРЅСѓСЋ важность. Спутниковая программа LAGEOS (лазерный геодинамический спутник) дала РІ 1970-Рµ РіРі. доказательства дрейфа континентов. Р’ настоящее время эти измерения продолжаются СЃРѕ вторым спутником такого типа. Например, были выполнены измерения вдоль линии разлома РІ Калифорнии. РЎ помощью измерения таких малых перемещений делаются попытки предсказать землетрясение, прежде чем РѕРЅРѕ случится.
С помощью такой же методики можно прослеживать, как Земля вращается вокруг оси и изменяет свою форму.
Лазер и Луна
Bell Labs использовала один из первых лазеров для исследований рельефа поверхности Луны. Во время экспедиции Аполлон 11, отправленной на Луну 21 июля 1969 г., астронавты установили на ее поверхности два уголковых отражателя, способных отражать лазерный свет, посланный с Земли[16]. Группа астрономов Ликской Обсерватории в Калифорнии послала на Луну мощный пучок рубинового лазера, что позволило измерить расстояние ЗемляЛуна с точностью, намного превышающей точность обычных астрономических наблюдений.
Лазерный альтиметр был использован в проекте MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter), чтобы получить трехмерное глобальное изображение Марса.
Гравитационные волны
Р’ 1919 Рі. Рйнштейн предсказал, что движущиеся массы РїСЂРѕРёР·РІРѕРґСЏС‚ гравитационные волны, распространяющиеся СЃРѕ скоростью света. Рљ сожалению, амплитуда такого гравитационного излучения, испускаемого любым источником, созданным РІ лаборатории, слишком мала, Рё гравитационные волны нельзя обнаружить. РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, астрофизические явления, которые РјРѕРіСѓС‚ вовлекать огромные массы СЃ релятивистскими скоростями, РјРѕРіСѓС‚ произвести гравитационное излучение, которое поддается измерению. Косвенные доказательства наличия существования гравитационных волн были найдены, Рё Р·Р° это Алан Рассел Хале (Рі. СЂ. 1950) Рё Жозеф Хутон Тейлор (Рі. СЂ. 1941) получили РІ 1993 Рі. Нобелевскую премию РїРѕ физике. Однако прямые, определенные доказательства РІСЃРµ еще отсутствуют. Гравитационные волны возникают РѕС‚ ускоренных масс СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј, РІРѕ РјРЅРѕРіРѕРј подобным испусканию электромагнитных волн ускоренными зарядами. РћРЅРё воздействуют РЅР° массы, растягивая РёС… РІ РѕРґРЅРѕРј направлении Рё сжимая РІ РґСЂСѓРіРѕРј, перпендикулярном, направлении.
Когда гравитационная волна проходит, она может привести массу в колебательное движение, вверх-вниз, подобно океанским волнам. Чтобы обнаружить гравитационные волны, необходимо измерить такое движение.
В принципе смещения, производимые гравитационной волной, можно было бы измерить с помощью большого цилиндра, изолированного от внешних воздействий. Он резонировал бы механически на частоту гравитационной волны. Чувствительные датчики преобразуют эти колебания в сигналы, которые можно измерить. Первый детектор на основе резонансного цилиндра был сконструирован в конце 1950-х гг. Джозефом Вебером, о котором мы уже говорили, когда обсуждали мазер. Вебер изготовил алюминиевый цилиндр весом несколько тонн, который резонировал на частоте около 1 кГц. Он объявил, что получил положительные результаты, но никто не подтвердил их. Затем другие детекторы подобного типа были построены в ряде институтов во всем мире. Лучшие из этих устройств способны зафиксировать смещение на уровне 1012. Но это все же оказалось недостаточным, чтобы обнаружить гравитационные волны, если только они не возникают достаточно близко и в результате крайне сильных астрономических событий.
Альтернативный СЃРїРѕСЃРѕР± детектировать гравитационные волны заключается РІ измерении времени, которое требуется свету для прохождения между РґРІСѓРјСЏ зеркалами, которые располагаются РЅР° РґРІСѓС… тяжелых маятниках. РћРЅРё РјРѕРіСѓС‚ колебаться РїРѕРґ действием гравитационной волны. Ртот метод включает сравнение времен прохождения РґРІСѓС… лазерных пучков, которые распространяются РїРѕРґ прямыми углами РІ интерферометре Майкельсона (РїРѕРґРѕР±РЅРѕ тому, как РѕРЅ использовался для измерений скорости света РІ РґРІСѓС…, взаимно перпендикулярных направлениях). Гравитационная волна должна сжимать РѕРґРёРЅ путь, делая его короче Рё растягивать РґСЂСѓРіРѕР№, делая его длиннее. Р РёСЃ. 66 показывает возможную схему. Рксперименты начались РІ 1970-С… РіРі. Если интерферометр имеет длину плеча 4 РєРј, типичная гравитационная волна изменит его длину, менее чем РЅР° 1014 часть, что составляет РѕРґРЅСѓ тысячную размера атомного СЏРґСЂР°. Р’ интерферометре свет РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ РјРЅРѕРіРѕ раз между неподвижным зеркалом Рё зеркалом, подверженном смещению. Р’ результате разница РІ длинах суммируется многократно.