102 года назад английский астроном Артур Эддингтон провёл эксперимент, который подтвердил правильность общей теории относительности Эйнштейна.
В мае 2021 года исполнилось 102 года с того дня, как была сделана знаменитая фотография солнечного затмения, которая доказала работоспособность Общей теории относительности Альберта Эйнштейна и тем самым прославила немецкого физика на весь мир.
Сто два года назад тридцатишестилетний английский астроном Артур Эддингтон и его юный помощник Эдвин Коттингемн прибыли на отдалённый от западного берега Африки остров Принсипи, чтобы запечатлеть одно из самых зрелищных явлений, происходящих на небе – полное солнечное затмение, которое должно было состояться 29 мая 1919 года.
Наблюдение за таким событием сегодня является обычным делом, но в 1919 году все было иначе: в технологическом плане мир все ещё приходил в себя после Первой мировой войны, и учёные имели в своём арсенале весьма скудное научное оборудование для астрономических исследований. Кроме того, тогда ещё не умели должным образом предсказывать погоду, и всегда существовала вероятность, что небо внезапно могут затянуть тучи.
Все эти проблемы, несомненно, вызывали беспокойство у учёного, но, как считал Эддингтон, рискнуть стоило. Астроном был настроен решительно, поскольку полагал, что его наблюдения могут повлиять на научный прогресс: доказать или опровергнуть самую революционную научную идею XX века, выдвинутую немецким физиком Альбертом Эйнштейном: общую теорию относительности (ОТО).
В теории, которая была предложена Эйнштейном в 1915 году, утверждалось, что гравитация – это не сила притяжения, действующая между телами в космосе, как ранее объяснял Исаак Ньютон, а свойство пространства-времени: гравитация возникает тогда, когда окружающее пространство-время изгибается под массой какого-либо тела.
«В поддержку своей теории Эйнштейн использовал существующие астрономические наблюдения – например, аномалии на орбите Меркурия вокруг Солнца (речь идёт об аномальном смещении перигелия Меркурия, обнаруженном в 1859 году. Это было первое в истории движение небесного тела, которое не подчинялось классической ньютоновской теории тяготения — прим. ред), – говорит Кэролин Кроуфорд из Института астрономии Кембриджа. — Но это были косвенные доказательства. Необходим был конкретный факт, чтобы здесь и сейчас на примере показать, что теория Эйнштейна верна. Майское затмение 1919 года предоставило такую возможность».
Одним из любопытных предсказаний ОТО, было то, что вблизи Солнца свет звёзд может искривляться. Как это проверить? Лишь наблюдая звезды возле диска светила, и сделать это возможно только когда солнечный свет не мешает, то есть во время полного солнечного затмения.
Эддингтон планировал получить несколько снимков определённого скопления звёзд, а затем измерить на фотографиях видимое положение светил и сравнить его с положением тех же звёзд на фотографиях, которые были сделаны за несколько месяцев до и после затмения, когда Солнце находилось в другой части неба.
Подтвердить или опровергнуть теорию Эйнштейна было очень просто: если положение звёзд на фото смещается относительно положения звёзд на ранних или поздних снимках того же участка неба, это будет означать, что масса Солнца вызывает искривление пространства и, соответственно, проходящих по нему лучей света. Если же ничего не изменится, значит, мысли Эйнштейна не верны.
Учёный был не единственным, кто 29 мая 1919 года хотел проверить правоту Эйнштейна. Вместе с ним за Солнцем наблюдала группа британских исследователей, только своё наблюдения она проводила за тысячи километров от Эддингтона – на севере Бразилии, в городе Собрал. Обе экспедиции были организованы Королевским астрономом Фрэнком Уотсоном Дайсоном, и изучали они звёздное скопление Гиады в созвездии Тельца.
Астрономы прекрасно понимали, какие трудности могут им встретиться.
“Ньютоновская физика также предсказывает, что положения звёзд может быть смещено во время затмения, но не сильно, — говорит Кроуфорд. — Теория Эйнштейна предсказывала большее отклонение”
Эддингтон столкнулся сразу с двумя проблемами. Первая: если смещение будет обнаружено, как узнать, что конкретно его вызывает – ньютоновская физика или эйнштейновская? Согласно Ньютону, величина отклонения луча света, который проходит по касательной к поверхности Солнца, должна равняться, 0,8 угловых секунды, а по Эйнштейну – примерно 1,8 угловых секунды. Учитывая, что угловая секунда составляет 1/3600 градуса, такие чрезвычайно малые различия будет очень трудно обнаружить.
Вторая: окружающая среда на Принсипи. С одной стороны, борьба с животными: Эддингтону и его помощнику постоянно приходилось отгонять обезьян, которые пытались украсть их оборудование. С другой — погода. В день затмения шёл дождь, и учёные опасались, что наблюдений провести им не удастся. К вечеру тучи рассеялись, но местами над землёй стоял туман, что несколько мешало фотосъёмке.
Эддингтону удалось сделать 16 снимков. Позже он увидел, что только на двух фотопластинках было запечатлено достаточное количество звёзд, чтобы попытаться определить смещение. Расписание парохода заставило коллег покинуть Принсипи, и учёные так и не успели изучить фотоматериал на месте.
У группы астрономов в Бразилии дела шли не лучше. Хотя условия для наблюдения за затмением и были подходящими, все 19 снимков, которые были получены при помощи телескопа и фотопластинок, оказались не в фокусе: солнечный свет вызвал нагрев материала зеркала, что привело к его тепловому расширению и в результате произошло искажение. К счастью, у учёных был запасной телескоп, немного меньше первого. С его помощью им удалось сделать восемь снимков. Все они оказались удачными.
В августе 1919 года рабочие материалы первой и второй группы были тщательно изучены. Фотопластинки из Принсипи показали величину отклонения лучей света около 1,6 угловых секунд, из Бразилии — 1,98. Другими словами, предсказанное теорией Эйнштейна было подтверждено. 6 ноября того же года учёные презентовали одну из фотографий астрономов (ей суждено было стать судьбоносной) и выступили перед научным сообществом в Лондонском королевском обществе и буквально ошеломили присутствующих: теория гравитации Ньютона, просуществовавшая 200 лет, была свергнута со своего пьедестала. На её смену пришла общая теория относительности.
Журналисты подхватили эту новость и стали выпускать статьи с “кричащими” заголовками: “Революция в науке: новая теория Вселенной”, “Идеи Ньютона о гравитации выбросили на помойку”, “Искривляя свет: теория Эйнштейна верна”.
С этого момента Эйнштейн, которого знали и уважали лишь в узких научных кругах, получил мировую известность: теперь его имя произносили во всех уголках земного шара.
Фотография солнечного затмения 1919 года, которая была представлена перед научным сообществом в Лондонском королевском обществе, положила начало так называемого “века гравитации”. Последующие наблюдения за другими солнечными затмениями также показали работоспособность теории Эйнштейна, а уже с 1990-х годов снимки, сделанные телескопом “Хаббл”, выявили ещё большее искривление света мощными гравитационными полями.
Эддингтон, Эйнштейн и Первая мировая война
Артур Эддингтон был одним из немногих, кто поддерживал и защищал Общую теорию относительности.
Впервые учёный ознакомился с ней в 1915-1916 годах. Тогда ещё шла война, и копию ОТО доставили Эддингтону контрабандой (общаться на прямую учёные не могли: Эйнштейн жил в Германии, которая воевала с Великобританией). Вместе с Королевским астрономом Фрэнком Дайсоном молодой специалист начал строить планы о проверке теории. Таким образом в самый разгар Первой мировой войны двое из числа наиболее уважаемых астрономов Великобритании тайно замышляли испытать идеи “врага” – немецкого физика. (Это было время ненависти ко всему немецкому. Даже журнал Nature говорил о немецкой науке как о неполноценной).
Планы Эддингтона и Дайсона чуть не разрушило правительство, отменив первому отсрочку от армии и призвав на военную службу – фронт требовал новых солдат. Эддингтон отказался брать оружие в руки, так как этого не позволяла его религия (он относился к протестантам-квакерам). Молодого человека ждал трибунал. Только прямое вмешательство Дайсона спасло Эддингтона. Дайсон ссылался на заслуги молодого человека в науке (работы о звёздах и строении Вселенной) и утверждал, что больше пользы своей стране тот принесёт не на фронте, а в обсерватории.
Игра света: правдивы ли исследования Эддингтона?
Некоторые учёные ставили под сомнения исследования Эддингтона и других астрономов, доказавших на практике ОТО.
“Конечно, он выбрасывал снимки, которые считал ошибочными, и, что интересно, на этих фотографиях величина отклонения лучей света была ближе к предсказаниям Ньютона, чем Эйнштейна”, — говорит Кроуфорд.
Значит, Эддингтон занимался фальсификацией? Или он просто неправильно всё рассчитал?
По словам одних исследователей, небольшой обман мог иметь место во время проверки теории ОТО, другие, наоборот, утверждают, что подделки никакой нет. Например, в своей книге «Никакой тени сомнения» Даниэль Кеннефик развенчивает подобные обвинения, а в прошлом месяце в журнале Nature физик-теоретик Питер Коулз из Университета Мейнута в Ирландии выпустил статью, в которой рассказал, что полностью повторил наблюдения Эддингтона.
“Я не нашёл никаких доказательств того, что Эддингтон обманщик и подделывал свои результаты, у меня все получилось, как и у него”, — заявил Коулз.