Как солнечное затмение помогло доказать теорию Эйнштейна
В начале XX века физика переживала кризис: классическая механика трещала по швам. Переход от понятного мира Ньютона к четырёхмерному пространству-времени Эйнштейна требовал не просто красивых формул, а железобетонных доказательств. Поворотным моментом стало солнечное затмение 29 мая 1919 года. Рассказываем, как это, казалось бы, обычное событие помогло впервые проверить смелую теорию Эйнштейна.
Что искали учёные?
В 1915 году Альберт Эйнштейн заявил, что гравитация — это не сила, а следствие искривления пространства-времени. Из этого следовало, что луч света, пролетая мимо массивного тела вроде Солнца, должен отклоняться от прямой линии. Таким образом, существовало три варианта развития событий:
- Света гравитация не касается. Луч летит прямо, отклонение — 0,00 секунды дуги согласно классической волновой теории.
- Ньютоновское отклонение. Свет имеет массу и притягивается как обычное тело. Расчётное отклонение — 0,87 угловой секунды.
- Эйнштейновское отклонение. Искривлённое пространство удваивает эффект. Предсказание — 1,75 угловой секунды.
Зафиксировать эту разницу невероятно сложно. Угол в 1,75 секунды сравним с размером пятикопеечной монеты, если смотреть на неё с расстояния в три километра. Чтобы поймать этот эффект, нужно было сфотографировать звёзды прямо рядом с Солнцем. Обычно их не видно из-за яркого света, но полное затмение даёт уникальный шанс: Луна закрывает диск Солнца и звёзды становятся видны.
Если Эйнштейн прав, их положение на снимке должно «сдвинуться» в сторону от Солнца по сравнению с ночными фотографиями того же участка неба. Ради этого в 1919 году британские астрономы провели две сложнейшие экспедиции.
Экспедиция в ад
Организацией занимался королевский астроном Фрэнк Дайсон. Он отправил две команды, чтобы подстраховаться от плохой погоды. Самая драматичная роль досталась Артуру Эддингтону — убеждённому пацифисту, который хотел через науку восстановить связи с немецкими коллегами после Первой мировой войны.
Эддингтон и его помощник Коттингем отправились на остров Принсипи в Гвинейском заливе. Условия там напоминали ад: тяжёлый тропический климат, постоянные дожди и мухи цеце, переносящие сонную болезнь. Из-за высокой влажности и жары учёным приходилось проявлять фотопластинки по ночам.
В решающий день, 29 мая, с утра разразилась гроза. Небо было затянуто тучами. Эддингтон в отчаянии готовился к съёмке, надеясь на чудо. Облака начали расходиться только к концу затмения.
Фотография из отчёта Артура Эддингтона, сделанная на острове Принсипи
В итоге команда исследователей на острове Принсипи успела сделать 16 снимков. Большинство оказались браком — на них была видна только солнечная корона, но не звёзды. Лишь на двух пластинках удалось разглядеть пять звёзд.
Несмотря на скудные данные, анализ показал смещение в 1,61 ± 0,3 угловой секунды. Это было гораздо ближе к предсказанию Эйнштейна (1,75), чем к Ньютону (0,87).
Драма в Собрале
Вторая команда — Чарльз Дэвидсон и Эндрю Кроммелин — поехала в бразильский город Собрал. С погодой им повезло больше: небо было ясным. Но их подвела техника.
Астрономы использовали большой астрографический объектив с целостатом — системой зеркал, которая направляет свет в неподвижный телескоп. Собральская жара сыграла злую шутку: зеркала неравномерно нагрелись и расширились. Из-за этого сбился фокус.
Когда снимки проявили, звёзды на них выглядели размытыми кляксами. Предварительный расчёт по этим испорченным кадрам дал результат 0,93 секунды — подозрительно близко к Ньютону.
Если бы у экспедиции был только этот инструмент, в ОТО стали бы сильно сомневаться.
Спасение пришло откуда не ждали. У команды был запасной инструмент — маленький 4-дюймовый телескоп, который они одолжили у священника, отца Алоизиуса Корти. У этого малыша зеркала меньше пострадали от жары.
Восемь пластинок, сделанных на этот телескоп, оказались безупречными. На них чётко виднелись семь звёзд.
Большой телескоп Чарльза Дэвидсона и Эндрю Кроммелина в Собрале
Измерения по чётким снимкам 4-дюймового телескопа показали отклонение в 1,98 ± 0,12 угловой секунды. Это даже больше, чем предсказывал Эйнштейн, но в пределах допустимой погрешности.
Была ли подтасовка?
Долгое время историки спорили: не подогнал ли Эддингтон решение под ответ? Скептики утверждали, что он намеренно отбросил «ньютоновский» результат с большого телескопа в Бразилии, потому что был фанатом теории Эйнштейна. Однако современный анализ, проведённый в 1979 году и позже, оправдал учёных.
- Решение исключить данные с большого астрографа принимал не Эддингтон, а Дайсон и Дэвидсон.
- Причина была чисто технической: астрономы зафиксировали расфокусировку приборов ещё до того, как получили какие-либо цифры. В науке данные с неисправного прибора считаются браком.
- Когда в 1979 году эти «плохие» пластинки перемерили современными приборами, они показали результат 1,55 ± 0,34 секунды.
То есть даже «испорченные» снимки на самом деле подтверждали правоту Эйнштейна, просто оборудование 1919 года не могло их точно считать.
Окончательный вердикт
6 ноября 1919 года результаты объявили официально: свет подчиняется законам Эйнштейна. Глава Королевского общества назвал это «самым важным событием со времён Ньютона».
Но точка была поставлена чуть позже. Скептики требовали повторения эксперимента с более высокой точностью. Это сделал директор Ликской обсерватории Уильям Кэмпбелл во время затмения 1922 года в Австралии.
Кэмпбелл был настроен скептически и хотел закрыть этот вопрос раз и навсегда. Он использовал огромную 12-метровую камеру и получил снимки более 140 звёзд.
Крест Эйнштейна — один из эффектов гравитационного линзирования, в результате которого расположенный за галактикой-линзой квазар «разделяется» на четыре объекта
Его результат оказался убедительно точным: 1,72 ± 0,11 секунды. Это практически идеально совпало с предсказанием Эйнштейна (1,75).
Кэмпбелл отправил в Лондон телеграмму: «Предсказание подтверждено. Больше экспедиций не требуется». Так абстрактные формулы обрели физическую реальность, а человечество навсегда изменило свои представления о Вселенной.
Современность
С 1970-х годов астрономы перестали ждать солнечных затмений для проверки ОТО. На смену оптическим телескопам пришла радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (VLBI).
Суть метода в том, что сеть радиотелескопов на разных континентах работает как одна гигантская антенна размером с Землю. Вместо звёзд учёные начали наблюдать за квазарами — сверхъяркими ядрами далёких галактик, которые являются идеальными точечными источниками радиоизлучения.
Солнце каждый год проходит на фоне множества квазаров. Поскольку радиотелескопы «видят» сквозь дневное небо, наблюдения можно проводить ежегодно, а не раз в десятилетия.
Точность таких измерений достигла фантастического уровня. Если в 1919 году погрешность составляла около 30%, то современные радиоизмерения подтверждают предсказание Эйнштейна с точностью до 0,01%.
Самый точный на момент публикации эксперимент был проведён не на Земле, а в космосе. В 2002 году, когда зонд NASA «Кассини» направлялся к Сатурну, он оказался на одной линии с Солнцем и Землёй. Учёные отправляли радиосигнал к аппарату и замеряли время его возвращения.
Согласно ОТО, гравитация Солнца не только искривляет траекторию сигнала, но и слегка замедляет его, — это явление называется эффектом Шапиро. Хотя это измерение времени, а не угла, физическая суть явления одна и та же. Эксперимент с «Кассини» подтвердил общую теорию относительности с рекордной точностью — отклонение от предсказаний Эйнштейна составило всего 0,002%.
Сегодня эффект отклонения света перестал быть предметом споров и превратился в рабочий инструмент. Космический телескоп Gaia, составляющий карту Млечного Пути, учитывает релятивистское искривление для миллионов звёзд по всему небу, а астрофизики используют гравитационное линзирование как «природный телескоп» для поиска экзопланет и изучения тёмной материи.
Как астрономы-любители обнаружили центр Галактики с помощью труб и палок