65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Теперь возьмем угол в один градус и разделим его на 60 равных частей. Тогда одна такая часть будет равна одной угловой минуте. А чтобы получить одну угловую секунду, нужно будет одну угловую минуту (и так уже очень маленький угол) разделить еще на 60 равных частей. Т. е. это будет очень-очень маленький угол, изобразить который на страницах данной книги практически невозможно. Тем не менее в космических масштабах даже такие небольшие углы могут быть вполне заметны, и астрономы научились их измерять.
Так вот, смещение перигелия Меркурия оказалось порядка 570 угловых секунд за 100 земных лет. Это означало, что перигелий возвращается в исходную точку только через 260 тысяч лет. Чтобы объяснить это явление, Леверье попытался учесть влияние остальных планет Солнечной системы, которые своим гравитационным полем также немного воздействуют на Меркурий. Но даже с учетом всех этих воздействий расчеты давали значение, которое отличалось от наблюдаемых данных на 43 угловые секунды. Из-за чего возникает это дополнительное отклонение? Либо (самое простое объяснение) в Солнечной системе внутри орбиты Меркурия существует еще одна неоткрытая планета[94] (или даже несколько планет), которая своим гравитационным полем влияет на движение Меркурия. Либо нужно признать, что существующая ньютоновская теория гравитации неверна и нужно ее как-то модифицировать.
Сам Леверье убежденно верил в существование еще одной планеты и до конца жизни пытался ее найти. Настолько велика была вера в силу и незыблемость закона всемирного тяготения! Возможно, на этот выбор повлияло открытие восьмой планеты Солнечной системы – Нептуна, которую в 1846 году обнаружил немецкий астроном Иоганн Галле (1812–1910), руководствуясь расчетами, выполненными Леверье как раз на основе уравнений классической механики.
Однако история развития физики показала, что все-таки придется отказаться от классических представлений о гравитации в пользу абсолютно новой теории – общей теории относительности. Когда Эйнштейн в ноябре 1915 года при помощи уравнений ОТО подсчитал величину отклонения перигелия Меркурия и получил те самые 43 угловые секунды за столетие, то по его собственным словам он был еще два дня вне себя от радости. Ведь это было первым и абсолютно бесспорным подтверждением правильности его теории.
После этого ученые также проверили смещение перигелия других планет и астероидов – все наблюдения подтверждали расчеты, сделанные на основе ОТО. Более того, астрономы наблюдали аналогичное смещение в двойных звездных системах, когда две примерно одинаковые по массе звезды вращаются вокруг их общего центра масс. Результаты всех наблюдений опять в точности соответствовали расчетам на основе ОТО. Кстати, за открытие одной такой звездной системы, получившей обозначение PSR B1913+16, двум американским ученым, Расселу Халсу и Джозефу Тейлору, в 1993 году присудили Нобелевскую премию по физике с формулировкой «За открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации».
Но хотя смещение перигелия Меркурия и доказывало правильность ОТО, все же требовалось какое-то более наглядное и убедительное экспериментальное подтверждение. Поэтому буквально через несколько лет, в 1919 году, один из самых первых и ярых сторонников ОТО английский астрофизик Артур Эддингтон[95] (1882–1944) совместно со своим коллегой Фрэнком Дайсоном (1868–1939) решили проверить, действительно ли пространство может искривляться. И поскольку этот эффект чрезвычайно мал и зависит от массы тела, искривляющего пространство, то для наблюдений нужно было найти какое-то очень массивное тело. А какое самое тяжелое тело есть у нас поблизости? Конечно же, наше Солнце. Поэтому было решено наблюдать отклонение луча света звезд, проходящего вблизи поверхности Солнца. Но как это сделать, ведь Солнце светит так ярко, что затмевает собой свет любых других звезд? Значит, нужно провести наблюдение в момент солнечного затмения, когда Луна закроет собой Солнце и станут видны звезды, свет которых проходит даже вблизи его поверхности.
Именно поэтому эксперимента пришлось ждать несколько лет, ведь солнечные затмения происходят не так часто. Эйнштейн начиная с 1913 года вел активную переписку с ведущими астрономами своего времени, предлагая им провести такое наблюдение. К сожалению, более ранним наблюдениям помешали события Первой мировой войны. И только после ее окончания наконец-то удалось организовать специальную экспедицию. Эддингтону пришлось плыть аж в Западную Африку, на остров Принсипи, а Дайсону – в Бразилию, поскольку именно там 29 мая 1919 года можно было наблюдать полное солнечное затмение.
Было решено наблюдать за ярким звездным скоплением под названием Гиады в созвездии Тельца, оно должно было находиться максимально близко к диску Солнца в момент затмения, а потому свет от скопления должен был тоже достаточно сильно отклоняться. В день наблюдения на острове Принсипи было очень пасмурно, разразилась гроза – так что ни о каких наблюдениях не могло быть и речи. Но ко времени начала затмения небо немного расчистилось, и Эддингтону все-таки удалось сделать несколько снимков звездного неба вблизи Солнца. После чего начался длительный этап обработки полученных данных. Эддингтон с помощью довольно сложных расчетов смог показать, что наблюдаемое на снимках отклонение звезд практически совпадает с предсказаниями ОТО. Аналогичные результаты получила экспедиция Дайсона.
Это был настоящий триумф теории относительности! После публикации результатов Эддингтона и Дайсона новость разлетелась по всему миру, ее перепечатывали на первых страницах ведущие газеты, а The Times назвала это «революцией в науке» и «наиболее значимым научным достижением с момента открытия Нептуна».
Рис. Газета Illustrated London News 22 ноября 1919 г. с описанием эксперимента Эддингтона
И если к результатам Эддингтона, горячего сторонника ОТО, еще можно было отнестись с известной долей скепсиса (ведь он получил то, что и хотел получить), то следующее наблюдение, проведенное уже через три года, должно было дать более убедительные аргументы. А все потому, что его проводил директор Ликской обсерватории (штат Калифорния, США) Уильям Кэмпбелл (1862–1938), который был скорее противником ОТО. Сам Кэмпбелл впоследствии признавался, что изначально надеялся, что ему удастся доказать ошибочность наблюдений Эддингтона, что Солнце на самом деле не искривляет пространство и что нет нужды создавать новую теорию гравитации, поскольку прежняя прекрасно работает. Однако его же собственные данные подтвердили правильность выводов ОТО. После этого даже самые убежденные скептики стали понимать, что теория относительности все-таки имеет отношение к реальности и может ее описывать более точно, чем
