http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=6d2cb86d-3184-4700-b56e-009d97905e89&print=1© 2024 Российская академия наук
29 мая 1919 года, английский астрофизик Артур Эддингтон провел эксперимент, который подтвердил правильность общей теории относительности
Имя английского астрофизика Артура Эддингтона (1882–1944) вошло во все учебники астрономии и физики, он известен как человек, открывший природу звезд. Наряду с Карлом Шварцшильдом и Джеймсом Джинсом он был одним из создателей нового для первой четверти двадцатого века научного направления — теоретической астрофизики.
Эддингтон внес значительный вклад и в философию науки, а также, как ни удивительно, в идеологию масонства, разработав новую эпистемологию — «селективный субъективизм» — и детально развив символогию.
КТО ЖЕ ТРЕТИЙ?
Эддингтон был воспитан как набожный квакер, и оставался глубоко религиозным человеком до конца жизни. В 1912 году, в возрасте всего тридцати лет, он стал профессором астрономии и экспериментальной философии в Кембриджском университете, на самой престижной кафедре астрономии в Великобритании, а два года спустя занял должность директора Кембриджской обсерватории.
Но широкую известность Артур Эддингтон получил как один из первых энтузиастов и популяризаторов общей и специальной теории относительности Эйнштейна, которые многим современникам знаменитого ученого казалась лишь смелой идеей, не имеющей никакого отношения к реальности.
В 1916 году, в разгар Первой мировой войны, Эддингтон получил копию статьи Эйнштейна (пренебрегая тем, что это ученый из вражеской Германии), одним из первых осознал важность новых идей и занялся их распространением на Британских островах. Более того, Эддингтон стал известен своим умением объяснять теорию относительности на понятном для более широкого круга ученых языке. Рассказывают, что, когда на заседании Королевского общества в ноябре 1919 года Эддингтон в очередной раз рассказывал о новой теории, после выступления к нему подошел физик Людвиг Зильберштайн, считавший себя большим специалистом по идеям Эйнштейна. «Похоже, на свете есть всего три человека, понимающих теорию относительности», — с сочувствием заметил Зильберштайн. Эддингтон промолчал. «И один из них вы», — воскликнул Зильберштайн. «Я знаю. Я просто никак не могу вспомнить, кто же третий», — ответил Эддингтон.
Далеко не все ученые приняли ОТО с таким же энтузиазмом. Скептики требовали экспериментальных подтверждений. И конечно, они были правы. Одно из первых подтверждений правильности ОТО Эйнштейн предложил сам — это было объяснение аномального смещения перигелия орбиты Меркурия, которое заметили еще в 1859 году, однако найти его причину не удавалось.
В последующие десятилетия выдвигались различные предположения, призванные объяснить аномалию. Самым простым казалось найти небесное тело, притяжение которого влияло бы на орбиту Меркурия. Но таковых обнаружено не было. А расчеты, которые Эйнштейн провел в соответствии со своей теорией, были очень близки к наблюдаемым значениям.
Но этого не хватало, чтобы скептики поверили в ОТО. Требовалось более весомое и наглядное подтверждение новой теории. Таковым могла стать экспериментальная проверка отклонения световых лучей, проходящих вблизи Солнца, также предсказанного Эйнштейном. Например, луч света от далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, должен отклоняться на небольшой угол, и наблюдатель, находящийся на Земле, увидит эту звезду на небе не там, где она обычно находится. В нормальных условиях этот эффект очень труден для наблюдения, так как яркий солнечный свет не позволяет видеть звезды днем. Но такая возможность появляется во время солнечных затмений.
И главный вклад Эддингтона в развитие теории относительности состоял в том, что он организовал эксперимент, подтвердивший предсказания Эйнштейна.
Схема эксперимента по отклонению луча в поле Солнца.
Под влиянием силы гравитации Солнца луч от звезды искривляется, и мы видим звезду, когда на самом деле, она уже спряталась за Солнцем. Положение, которое должная занимать звезда, определяется заранее, когда нет солнца
«В ЭТУ ЗИМУ БУДУ СИЛЬНО ДРОЖАТЬ»
В 1918 году Эддингтон и британский астроном Фрэнк Дайсон отправили экспедицию на остров Принсипи, находящийся почти на экваторе, возле атлантического побережья Африки, чтобы лучше подготовиться к наблюдению за полным солнечным затмением 29 мая 1919 года (на экваторе были лучшие условия для такого наблюдения).
Затмение 1919 года предоставляло особенно удобную возможность для проверки предсказаний Эйнштейна, так как Солнце располагалось на фоне яркого звездного скопления Гиады. Эддингтон успел сделать 16 фотографий, в основном не слишком удачных из-за то начинавшегося, то прекращавшегося дождя. Однако с помощью специальных расчетов удалось показать, что отклонение положения звезд достаточно близко к тому, что предсказывала общая теория относительности, и далеко от предполагаемого классической механикой.
Ход эксперимента сам Эддингтон описал так: «Дождь окончился около полудня, и примерно в 1:30 мы увидели Солнце. Мы приготовили фотоаппараты, надеясь на случай. Я не видел самого затмения, поскольку был очень занят, меняя фотопластинки. Бросил лишь один взгляда, чтобы удостовериться, что затмение началось, и полувзгляд — чтобы оценить количество облаков. На 16 снимках Солнце получилось со всеми деталями, но облака закрывали звезды. На последних нескольких снимках было несколько изображений звезд, которые дали нам то, что было нужно».
Близкие результаты были получены второй экспедицией, направленной Эддингтоном в город Собрал в бразильских джунглях Амазонки.
Эйнштейн знал об эксперименте, но на людях делал вид, что не особенно волнуется о его результатах. Впрочем, 5 сентября 1919 года он написал матери: «В эту зиму буду сильно дрожать. До сих пор нет новостей о затмении». Долгожданные вести пришли только 22 сентября, когда Лоренц телеграфировал Эйнштейну результаты эксперимента Эддингтона. Некоторое время спустя, проводя занятие с аспиранткой Ильзой Шнайдер, Эйнштейн показал ей телеграмму Лоренца. Шнайдер пришла в восторг, но сам ученый был совершенно спокоен: «Я знал, что теория правильна», — сказал он. «Но что, если бы эксперименты ее не подтвердили?» — воскликнула аспирантка. На это Эйнштейн ответил: «Тогда мне было бы жаль Господа Бога”.
Совпадение результатов наблюдений с теоретически предсказанными на основе общей теории относительности, несомненно, способствовало ее триумфу. А вдохновленный этим Эддингтон написал одну из первых монографий об этой новой области физики «Математическая теория относительности», отличавшуюся ясностью и полнотой изложения и переведенную вскоре после издания на многие языки мира, включая русский. В последующие годы Эддингтон издал еще несколько монографий, посвященных теории относительности, теории звезд и астрофизике.
Еще в 1920 году, задолго до создания ядерной физики, Эддингтон указал на реакцию превращения водорода в гелий как на возможный источник энергии звезд. Обсуждая проблему источников этой энергии, он понял, что энергия в звезде генерируется со скоростью, зависящей от температуры и плотности, и процесс должен саморегулироваться, иначе невозможно устойчивое состояние, то есть звезды просто не будет. А возможно это лишь в случае реакций термоядерного синтеза. И хотя их теория была создана гораздо позднее, в основном Эддингтон оказался прав. А критикам, которые указывали на недостаточную температуру в недрах звезд для реакций синтеза, он советовал пойти «поискать место погорячее», что на английском языке означает просто послать к черту.
Хотя эксперимент Эддингтона был во многом несовершенен его, все же оказалось достаточно, чтобы убедить научное сообщество в обоснованности ОТО.
Однако и позже общая теории относительности неоднократно проверялась в различных экспериментах. Важнейшими из них стало обнаружение гравитационных волн, предсказанных ОТО, 14 сентября 2015 года.
А в 2018 году международная группа астрофизиков, наблюдая за прохождением звезды S2 рядом со сверхмассивной черной дырой Стрелец A* в центре Млечного Пути обнаружила предсказанное ОТО гравитационное красное смещение.