Астрономия

История науки: один эксперимент, две теории и много облаков

98 лет назад было получено доказательство теории относительности
История науки: один эксперимент, две теории и много облаков

Wikimedia Commons

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″.

Схема движения Меркурия относительно Солнца

Схема движения Меркурия относительно Солнца

WillowW/Wikimedia Commons

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.

Снимок полного солнечного затмения, 29 мая 1919 года

Снимок полного солнечного затмения, 29 мая 1919 года

F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson

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.