История науки: один эксперимент, две теории и много облаков

О том, как в расчетах векового движения все решали секунды, как облака чуть не погубили прекрасный эксперимент и как западноафриканский остров помог подтвердить фундаментальную теорию, Indicator.Ru рассказывает в своей рубрике «История науки».

1915 год. Альберт Эйнштейн сформулировал и представил коллегам общую теорию относительности. Предположения ученого, уже всемирно известного и авторитетного, вызвали интерес у многих физиков-теоретиков и математиков, хотя и не были приняты сразу.

Одно из первых подтверждений ОТО Эйнштейн предложил сам. Им стало объяснение аномального смещения перигелия орбиты Меркурия, которое заметили еще в 1859 году, однако найти его причину не удавалось. В чем суть проблемы? Меркурий вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, и ее перигелий, наименее удаленная от светила точка, постепенно смещается в направлении орбитального движения. За столетие такое смещение достигает 570″. Расчеты в рамках Ньютоновской механики, проведенные в середине XIX века Урбеном Леверье, давали значение 526,7″, в то время как его же наблюдения показывали 565″.

В последующие десятилетия выдвигались различные предположения, призванные объяснить аномалию. Самым простым казалось найти небесное тело, притяжение которого влияло бы на орбиту Меркурия. И хотя сообщения об обнаружении таких тел (планет или пояса астероидов) приходили вплоть до 1970-х годов, полностью объяснить расхождения между расчетами и наблюдениями не получилось. Тогда астрономы попытались скорректировать закон всемирного тяготения. На практике это приводило к усложнению теории. Более цельное и точное решение и предложил Эйнштейн своей теорией относительности. Его расчеты были очень близки к наблюдаемым значениям.

Однако такое подтверждение, хоть и довольно сильное, оказалось недостаточно убедительным, чтобы физики и астрономы всего мира стали горячими сторонниками ОТО. Так, в 1917 и 1918 годах о наблюдениях, не подтвердивших предсказания теории, объявили две крупные обсерватории: Ликская и Маунт-Вилсон. Требовалось более веское, и по возможности наглядное, подтверждение теории. Таким experimentum crucis (решающим, или критическим, экспериментом) стало наблюдение за солнечным затмением, которое произошло 29 мая 1919 года, а наблюдения проводил астрофизик Артур Эддингтон.

К 1919 году Артур успел поучиться в Кембридже, поработать в Кавендишской лаборатории, побывать помощником королевского астронома в Гринвиче, секретарем Королевского астрономического общества и занять пост профессора астрономии и экспериментальной философии, который до него занимали Джордж Эйри, сын Чарльза Дарвина, Джордж, а после Эддингтона – Фред Хойл, автор термина «Большой взрыв» и один из создателей теории стационарной Вселенной.

Эддингтон довольно быстро оценил важность теории относительности и начал искать способы ее доказать. Один из таких способов было наблюдение отклонения света звезд при прохождении вблизи массивного объекта, такого как Солнца. В 1911 году Эйнштейн впервые предсказал это явление и рассчитал величину отклонения. Однако возможность проверить предположение представляется нечасто, только во время полных солнечных затмений.

В 1913 году Эйнштейн начал переписывать с ведущими астрономами, пытаясь заинтересовать их и подтолкнуть проверить теорию наблюдением затмения, до которого оставалось еще шесть лет. Более ранние наблюдения срывались из-за непогоды или Первой мировой войны. В 1919 году Эддингтон вместе с королевским астрономом и директором Гринвичской обсерватории Франком Дайсоном (сфера Дайсон к нему отношения не имеет, она названа в честь его однофамильца, Фримена Дайсона) организовали две экспедиции: в Бразилию и Западную Африку, на остров Принсипи. Это затмение должно было быть очень удобным для наблюдений, ведь тогда вблизи закрытого Луной Солнца оказывались Гиады — яркое звездное скопление.

Группа Эддингтона прибыла на Принсипи в конце апреля и встретила помощь и поддержку со стороны местных властей и высших кругов. Все приготовления были сделаны и оставалось лишь надеяться, что погода будет благоприятной, иначе все усилия и расходы оказались бы напрасными. День перед затмением был облачным и наутро гремели грозы. Ко времени затмения облака то закрывали Солнце, то позволяли ему посветить на напряженных наблюдателей. Как результат, честь снимков получились неплохими, но большинство — довольно низкого качества.

Результаты исследования, которые ученые опубликовали на следующий год в Philosophical Transactions of the Royal Society of London, подтверждали предсказания Эйнштейна и стали использоваться как доказательства теории относительности в целом. Этому событию газеты посвящали первые полосы. Для Эддингтона и защищаемой им теории это доказательство стало триумфом.

Позднее многие ученые оспаривали надежность результатов наблюдений и то, что на их основе вообще можно делать какие-либо заключения. Доверия к выводам не добавляло и то, что инициатором экспедиции стал Эддингтон, известный сторонник ОТО: он получил те результаты, которые хотел получить. Скептики утверждали также, что он игнорировал данные бразильской группы, которые были ближе к ньютоновской модели. Однако повторные расчеты, проведенные в 1979 году, показали, что Эддингтон все-таки был прав.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.