Как затмение Солнца сделало Эйнштейна мировой звездой

Артём Коржиманов

Артём Коржиманов

7 ноября 1919 года лондонская Times вышла 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.

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 прямолинейной траектории, причем 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 неподъемной математикой превратился в знаменитость международного уровня.

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

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

Как только Эйнштейн осознал эквивалентность гравитации и сил инерции, он понял, 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 близкие к Солнцу звезды будут видны. Если их свет будет отклоняться Солнцем, то покажется, что звезда сдвинута относительно своего нормального положения.

Фотографическая пластина. Затмение 29 мая 1919 года, Бразилия. Из отчета А. Эддингтона

Фотографическая пластина. Затмение 29 мая 1919 года, Бразилия. Из отчета А. Эддингтона

Первые попытки проверить это утверждение были предприняты уже в 1914 году. 21 августа сразу несколько экспедиций 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 всё равно было недоступно для наблюдения.

В ноябре 1915 года Эйнштейн, только что окончательно сформулировавший общую теорию относительности и разобравшийся с ее 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 учел искривления пространства вблизи от Солнца, вызванного его гравитацией. Половинное значение можно получить из чисто ньютоновской теории гравитации, и, собственно, Эйнштейн не был первым, кто его подсчитал. Еще в 1784 году «ньютоновское отклонение» света вычислил Генри Кавендиш, а в 1803 году — независимо от него Иоганн фон Зольднер.

Артур Эддингтон (1882–1944)

Артур Эддингтон (1882–1944)

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

Во время Первой мировой Эддингтон был профессором в Кембридже и 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 (Willem de Sitter) 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 доклад Лондонскому физическому обществу и начал приготовления к наблюдениям за солнечным затмением. В этом Эддингтону помогал астроном Франк Дайсон (Frank W. Dyson), который, по-видимому, первым понял, что затмение 29 мая 1919 года станет одной из лучших возможностей для проверки эйнштейновской теории, поскольку Солнце будет находиться на фоне сразу нескольких ярких звезд, положение которых будет относительно просто измерить.

На экспедицию британское правительство выделило 1000 фунтов стерлингов. Исход войны на тот момент был еще неясен, и существовала опасность, что Эддингтона призовут в армию. Будучи квакером, он был освобожден от воинской повинности. Но армии требовались солдаты, и министерство обороны подало иск об отмене этого освобождения. После трех 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 ученый был освобожден от воинской повинности, чтобы иметь возможность проверить теорию, выдвинутую ученым из враждебной страны.

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

Идея эксперимента была проста. Во время затмения, когда Луна полностью закрывает Солнце, проступает свет звезд, находящихся на небосводе рядом с ним. С помощью телескопа и фотографических пластин астрономы делают снимки скрытого Луной Солнца и близко расположенных звезд. 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 звезд, расположенных вблизи от Солнца, на снимках, сделанных во время затмения, относительно звезд, расположенных далеко от него.

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

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

Альберт Эйнштейн, 1920 год (Википедия)

Альберт Эйнштейн, 1920 год (Википедия)

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 которых велись наблюдения, в последний момент сбилась фокусировка — предположительно, из-за нагрева, вызванного солнечным светом. Оставшимся инструментом астрономы сделали восемь удачных снимков, на которых были отмечены положения семи звезд. По ним измеренное отклонение составило 1,98±0,12 угловых секунды, или 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 и не более. 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 (Philipp Lenard) опубликовал статью Зольднера 1803 года, обвинив Эйнштейна в плагиате идей истинно арийского ученого. Эти атаки во многом были проявлением антисемитизма; тогда теорию относительности нередко называли «еврейской наукой». Но к их чести большая часть немецких физиков нееврейского происхождения не разделяла этих взглядов, несмотря на рост 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 ученых выразил сомнение, что они являются надежным доказательством теории Эйнштейна. Некоторые даже подозревали Эддингтона, который был известным пропонентом общей теории относительности, в подтасовке данных. Однако независимый анализ представленных фотопластинок, проведенный сначала в 1923, затем в 1956, а потом еще и в 1979 году [1] с применением более совершенных приборов и методов, дали те же результаты при меньшей ошибке в измерениях. Это позволяет современным историкам науки утверждать, что никакого обмана — ни случайного, ни тем более преднамеренного — со стороны Эддингтона не было [2].

И конечно, Эддингтон был не единственным, кто проводил измерения, хотя его эксперимент стал самым известным. 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 те оказались положительными для теории Эйнштейна.

В дальнейшем аналогичные наблюдения проводились в 1929, 1939, 1947, 1952 и 1973 годах. Каждый раз результаты совпадали 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 [3, 4].

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% [5].

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

Артём Коржиманов,
канд. физ. -мат. наук, сотрудник Института прикладной
физики РАН, автор научно-популярного блога physh.ru

При подготовке заметки была использована статья [6], в которой можно найти больше ссылок на оригинальные работы.

1. Harvey G. M. Gravitational deflection of light // The Observatory. 1979. Vol. 99, P. 195–198.

2. Kennefick D. Testing relativity from the 1919 eclipse-a question of bias // Physics Today. 2009. Vol. 62, № 3, P. 37–42.

3. Brune R. A. Jr., Cobb C. L., Dewitt B. S. et al. Gravitational deflection of light: solar eclipse of 30 June 1973 I. Description of procedures and final result // Astronomical Journal. 1976. Vol. 81, P. 452–454.

4. Jones B. F. Gravitational deflection of light: solar eclipse of 30 June 1973 II. Plate reductions // Astronomical Journal. 1976. Vol. 81, P. 455–463.

5. Lambert S. B., Le Poncin-Lafitte C. Determining the relativistic parameter γ using very long baseline interferometry // Astronomy & Astrophysics. 2009. Vol. 499, P. 331–335. arxiv:0903.1615

6. Will C. M. The 1919 measurement of the deflection of light // Classical and Quantum Gravity. 2015. Vol. 32, Art. no 124001. arxiv:1409.7812.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

7 комментариев

  • Vit Mats:

    Отличная статья. Спасибо. Могу лишь добавить, как эту историю излагал Чандрасекар со слов самого Эддингтона.

    Однажды я выразил Эддингтону своё восхищение его научной смелостью при планировании экспедиции в столь сложных условиях. К моему удивлению, тот не видел в этом никакой своей заслуги. Если бы всё зависело только от него, то он вообще не организовывал бы никакой экспедиции, потому как нисколько не сомневался в справедливости общей теории относительности. И далее он рассказал следующую историю.

    В 1917 году, через два года после начала войны, в Англии был принят закон о всеобщей воинской обязанности, и Эддингтон, которому тогда исполнилось 34 года, подпадал под призыв. Но он был квакером, и религия запрещала ему держать оружие. Все об этом знали и ожидали, что по этой причине он откажется быть призванным. В то время к отказникам относились очень плохо, общество клеймило и презирало их. Поэтому тогдашние столпы Кембриджа, в том числе Лармор, попытались уговорить министерство внутренних дел освободить Эддингтона от призыва как одного из крупнейших английских учёных, который принесёт стране гораздо больше пользы в кабинете, чем на поле брани. Все тогда хорошо помнили о гибели на фронте Мозли. Лармору с коллегами удалось убедить министерство, которое направило Эддингтону форму, извещавшую его об освобождении от призыва, и тому следовало лишь подписать и отправить её обратно. Он подписал её, но сделал приписку, где сообщал, что если бы его не освободили от призыва по указанной причине, он всё равно отказался бы служить из-за своих религиозных убеждений. Естественно, министерство было поставлено в дурацкое положение, потому как отказников полагалось отправлять в лагерь, да и Лармор с коллегами очень разозлились на Эддингтона, который так их подставил. Сам же Эддингтон не видел, за что было на него злиться. Раз уж многие его братья квакеры оказались в лагере и чистили там картошку, то почему бы и ему не быть с ними. Как бы то ни было, но, видимо, при участии Дайсона, который как Королевский астроном имел тесные контакты с Адмиралтейством, Эддингтона всё-таки освободили от призыва, при том, однако, явно прописанном условии, что если война закончится к маю 1919 года, он будет обязан организовать экспедицию для проверки предсказаний теории Эйнштейна!

    Цитируется по книге S. Chandrasekhar, «Eddington, The most distinguished astrophysicist of his time», Cambridge University Press, 1983.

  • Владимир Копелио:

    Интересная и толковая статья, спасибо. Особенно интересно, что

    « Половинное значение можно получить из чисто ньютоновской теории гравитации, и, собственно, Эйнштейн не был первым, кто его подсчитал. Еще в 1784 году «ньютоновское отклонение» света вычислил Генри Кавендиш, а в 1803 году — независимо от него Иоганн фон Зольднер.»

    И поначалу Эйнштейн получал столько же ! пока не нашёл ошибку в своих расчётах. А если бы не нашёл?

  • Олег Махоткин:

    Почему автор называет Энштейна в 1919 малоизвестным ученым ? Wikipedia сообщает, что уже в 1910 году он выдвигался на Нобелевскую

    премию, был автором специальной теории относительности и квантовой теории фотоэффекта.

  • Интересно, что было бы, если бы измерения Эддингтона (из-за разных помех) НЕ подтвердили бы расчёты Эйнштейна. Сделали бы вывод, что ОТО неверна или что результат измерений ошибочен?

    • Сложно сказать однозначно. ОТО в целом не была чем-то существенно необходимым на тот момент. Да, красиво, но принципиальных проблем, которые требовали бы новой теории гравитации, было немного. Так что, скорее всего, ситуация бы просто подвисла бы до появления более точных измерений.

  • Ньютоновская теория гравитации даёт большее отклонение света чем ОТО. Если представить фотон шариком с некоторой массой. Почему упорно считается, что оно даёт меньшее отклонения я никак не пойму.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com