[Главная тема] Как теория гравитации Эйнштейна завоевала мир

История измерения отклонения луча света Солнцем, которое провёл в 1919 году Артур Эддингтон.

7 ноября 1919 года London Times вышел с кричащими заголовками «Революция в науке», «Новая теория Вселенной», «Идеи Ньютона выкинули на помойку». Этот момент можно считать официальным началом нового мира. Мира, в котором уже не было абсолютного времени и абсолютного пространства. Мира, в котором абсолютного не осталось нигде, — ни в морали, ни в философии, ни в музыке, ни в искусстве. По мнению британского историка Пола Джонсона, которое он высказал в 1983 году, «эра современности» началась не в 1900 году, и не в августе 1914 года (с началом Первой мировой), а именно с этих заголовков в ведущей британской газете.

Под заголовками скрывалась новость о громком открытии, сделанном по результатам наблюдения солнечного затмения в мае 1919 года. Именно тогда было обнаружено, что сила тяготения Солнца отклоняет лучи света от прямолинейных траекторий, причём величина этого отклонения правильно предсказывается недавно сформулированной Альбертом Эйнштейном общей теорией относительности и не согласуется с классической теорией тяготения Ньютона. Буквально за одну ночь Эйнштейн со своими необычными концепциями и неприподъёмной математикой превратился в знаменитость международного уровня.

При всём при этом точность измерения гравитационного отклонения света ещё долгое время оставалась невысокой: в разных работах заявлялось, что измеренное отклонение то на четверть меньше предсказываемого теорией Эйнштейна, то наоборот в полтора раза выше. И даже решение загадки смещения перигелия Меркурия, сформулированной ещё в 1850-х годах, не убеждало скептиков. Отсутствие других экспериментальных свидетельств в пользу теории относительности привело к плавному снижению интереса к ней в 1920-х годах.

Ренессанс общей теории относительности состоялся в 1960-е годы. Увеличение количества и точности астрономических наблюдений, а также стремительный рост интереса к космологии, привели к тому, что теория Эйнштейна стала краеугольным канем современной астрофизики. Сейчас предсказания теории относительно гравитационного отклонения света проверены с точностью до сотых долей процента. А её следствие — гравитационное линзирование — вошло в число стандартных и повсеместно используемых методов астрономии.

В этой статье я попробую рассказать о том самом первом измерении, выполненном в 1919 году.

С того самого момента, как Эйнштейн осознал эквивалентность гравитации и сил инерции, он понимал, что гравитация должна отклонять лучи света. В 1911 году он подсчитал, что величина отклонения луча света, проходящего по касательной к поверхности Солнца, должна составлять 0,875 угловых секунды. Тогда же Эйнштейн предложил измерить это отклонение во время полного солнечного затмения, когда звёзды, находящиеся вблизи Солнца, будут видны. Если их свет будет отклоняться Солнцем, то будет казаться, что звезда сдвинута относительно своего нормального положения.

Первые попытки проверить это невероятное утверждение, были предприняты уже в 1914 году. 21 августа сразу несколько экспедиция отправились к берегам Крыма. Их планам помешало начало Первой мировой войны и плохая погода. Из-за войны российские власти отправили большинство астрономов по домам, кого-то даже арестовали, а оборудование большей частью временно конфисковали. Из-за погоды же затмение все равно было недоступно для наблюдений.

В ноябре 1915 года Эйнштейн, только что окончательно сформулировавший общую теорию относительности и разобравшийся с её непростой математикой, понял, что отклонение света должно быть на самом деле в два раза больше того, что он подсчитал ранее. С современной точки зрения это удвоение является следствием того, что первоначально Эйнштейн не учёл искривления пространства вблизи Солнца, вызванного его гравитацией.

Эйнштейн в 1916 году.
© Paul Ehrenfest

Половинное значение можно получить из чисто ньютоновской теории гравитации, и собственно, Эйнштейн не был первым, кто его подсчитал. Ещё в 1784 году «ньютоновское отклонение» света было высчитано Генри Кавендишем, а в 1803 году — независимо Йоханном фон Зольднером. При этом равенство эффектов, связанных с гравитационным притяжением и искривлением пространства, является отличительной особенностью теорией относительности. В альтернативных теориях гравитации соотношение между ними может быть другим.

Как бы то ни было, новый результат означал, что эффект должен быть сильнее, чем считалось ранее, а следовательно, его должно быть легче измерить. Человеком, который взялся осуществить необходимые наблюдения, стал Артур Эддингтон.

Артур Эддингтон
© George Grantham Bain Collection

Во время Первой мировой Эддингтон был профессором в Кембридже и являлся ведущим специалистом по наблюдательной астрономии своего времени. Из-за войны научные связи между Германией, где публиковался Эйнштейн, и Великобританией, где работал Эддингтон, были прерваны, но голландскому космологу Виллему де Ситтеру удалось перенаправить в Кембридж несколько статей, в которых описывалась новая теория гравитации.

В 1917 году Артур Эддингтон подготовил детальный доклад о теории Эйнштейна и его выводах. Он представил его Лондонскому физическому обществу и начал приготовления к наблюдениям за солнечным затмением. В этом ему помогал астроном Франк Дайсон, который, по-видимому, первым понял, что затмение 29 мая 1919 года будет одной из лучших возможностей для проверки эйнштейновой теории, поскольку Солнце будет находиться на фоне сразу нескольких ярких звёзд, положение которых будет относительно просто измерить.

На экспедицию британское правительство выделило 1000 фунтов стерлингов. При этом результат войны на тот момент был ещё не ясен, и существовала опасность, что Эддингтона призовут в армию. Будучи квакером, он был освобождён от воинской повинности. Но армии требовались солдаты, и министерство обороны подало иск об отмене этого освобождения. После трёх судебных слушаний и поданной в последний момент Дайсоном апелляции, освобождение всё же было продлено до 11 июля 1918 года. Это произошло всего лишь за неделю до ключевого момента войны — второй битвы при Марне. Забавно, что мирный учёный был освобождён от военной повинности, чтобы иметь возможность проверить теорию, выдвинутую учёным из враждебной страны.

Через четыре месяца после окончания войны, 8 марта 1919 года сразу две английские экспедиции отправились в путь. Эддингтон направился к острову Принципе у берегов современной Экваториальной Гвинеи, а Эндрю Кроммелин — в город Собрал на севере Бразилии.

Расположение острова Принсипе на карте
© Google Maps

Идея эксперимента была проста. Во время затмения, когда луна полностью закрывает Солнце, проступает свет звёзд, находящихся на небосводе рядом с ним. С помощью телескопа и фотографических пластин астрономы делают снимки скрытого Луной Солнца и близко расположенных звёзд. Эти снимки затем сравниваются с отпечатками этого же участка неба, полученными через несколько месяцев до или после затмения, когда Солнце находится в совсем другой части неба. Признаком отклонения лучей света будет смещение видимого положения звёзд на снимках, сделанных во время затмения. Причём чем дальше на этом снимке звезда от Солнца, тем, очевидно, меньше должно быть смещение её видимого положения.

Картинка, поясняющая смещение кажущегося положения звезды.
© [email protected]

Главным источником ошибок являлась естественная турбулентность воздуха. Находясь в постоянном движении, атмосфера вносит неконтролируемые искажения в видимое положение звёзд. Чтобы снизить влияние этого случайного фактора, планировалось сделать несколько снимков, которые затем можно было усреднить.

Важным было также, чтобы небо было ясным. Однако в день наблюдений в районе, где расположился Эддингтон, начался шторм. К счастью, когда он уже начал терять надежду увидеть свет звёзд, погода успокоилась, а когда началось затмение, проступило и Солнце. Тем не менее из 16 сделанных фотографий только две оказались пригодными для анализа. На них были видны в общей сложности всего пять звёзд.

Одна из тех фотопластинок. Звёзды едва различимы. Для их проявления использовали специальные техники.

Этого, однако, хватило, чтобы после сравнения со снимками, сделанными заранее в Оксфордском университете, заявить, что величина отклонения лучей света составила 1,60 ± 0,31 угловых секунды или 0,91 ± 0,18 от значения, предсказанного Эйнштейном. У экспедиции в Собрале с погодой проблем не было, но зато у одного из двух телескопов, с помощью которого велись наблюдения, в последний момент сбилась фокусировка — по одному из предположений, из-за нагрева, вызванного солнечным светом. Оставшимся инструментом астрономы сделали 8 удачных снимков, на которых были отмечены положения семи звёзд. По ним измеренное отклонение составило 1,13 ± 0,07 от эйнштейновского значения.

До этого Эйнштейн был в целом малоизвестным физиком-теоретиком. Его хорошо знали и уважали в узких кругах европейского научного сообщества, но не более того. Но после того, как 6 ноября 1919 года на заседании Королевского научного общества были обнародованы результаты экспедиции Эддингтона, он проснулся мировой звездой.

Эта слава, правда, не всегда была однозначной. Так, в 1920 году Пауль Вейланд организовал публичные слушания, на которых Эйнштейн и его теории были осуждены. Тогда же нобелевский лауреат Филипп Ленард опубликовал статью Зольднера 1803 года, обвинив Эйнштейна в плагиате идей истинно арийского учёного. Эти атаки во многом были проявлением антисемитизма, и в их ходе теория относительности нередко называлась «еврейской наукой». Но к их чести большая часть немецких физиков нееврейского происхождения не разделяла этих взглядов, несмотря на нарастание нацистского влияния. Приход нацистов к власти вынудил Эйнштейна, как и многих других евреев, эмигрировать, и антирелятивистская риторика перестала быть актуальной и в целом сошла на нет.

В то же время, результаты Эддингтона вызывали вопросы. Точность измерений всё же была не слишком велика, и ряд учёных высказывал сомнение, что они действительно доказывают теорию Эйнштейна. Некоторые даже подозревали Эддингтона, который был известным пропонентом общей теории относительности, в подтасовке результатов. Однако независимый анализ представленных фотопластинок, проведённый сначала в 1923 году, затем в 1956 году, а потом ещё и в 1979 году с применением более совершенных приборов и методов, дали те же результаты, немного, однако, сократив ошибку измерений. Это позволяют современным историкам науки утверждать, что никакого обмана — ни случайного, ни тем более преднамеренного — со стороны Эддингтона не было.

И конечно, хотя измерения, проведённые Эддингтоном, навсегда остались самыми известными, они не были единственными. Следующее подходящее затмение случилось уже в 1922 году в Австралии. Его наблюдали семь различных команд, но только три из них оказались достаточно удачливыми, чтобы получить результаты — и они оказались положительным для теории Эйнштейна. В дальнейшем аналогичные наблюдения проводились в 1929, 1939, 1947, 1952 и 1973 годах. Результаты всех из них также совпали с предсказаниями общей теории относительности, хотя, справедливости ради, точность измерений практически не выросла. Даже уже хорошо развитые технологии 1970-х годов дали лишь 0,95 ± 0,11 от эйнштейновского значения.

Значительно увеличить точность удалось лишь с развитием методов радиоастрономии, и в частности, радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой — когда несколько телескопов, расположенных на противоположных концах Земли, работают совместно, тем самым значительно увеличивая точность измерений. Этот метод позволил к 2010 году установить, что отклонение радиосигнала (который так же, как и свет, является электромагнитной волной и подчиняется тем же законам) Солнцем отличается от предсказания теории Эйнштейна не более, чем на 0,02 %.

Таким образом, сейчас общая теория относительности является не только общепринятой теорией гравитации, но и имеет убедительно экспериментальное подтверждение. А явление отклонения света массивными объектами из метода проверки теории стало методом получения новых знаний. За счёт этого эффекта звёзды могут выступать своеобразными линзами для объектов, которые находятся за ними. Такое гравитационное линзирование позволяет получать изображения сверхдалёких объектов — например, квазаров и галактик, существовавших миллиарды лет назад, — или открывать вращающиеся вокруг этих звёзд экзопланеты за счёт того, что они вносят искажения в линзирование.

Принцип действия гравитационного линзирования.
© spacegid.com

 Статья подготовлена @korzhimanov специально для "Главной темы" в рамках проекта "Биржа тем" Доброго Кита.

 Не забудьте подписаться на меня! Все только начинается...