- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

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