Сто лет назад, в мае 1919 года, британский астроном Артур Эддингтон прибыл на удаленный западноафриканский остров Принсипи. Он поехал туда, чтобы засвидетельствовать одно из самых зрелищных событий, происходящих на наших небесах: полное солнечное затмение, которое прошло над небольшим экваториальным островом 29 мая 1919 года.
Эти риски, несомненно, вызывали беспокойство, но, как считал Эддингтон, они стоили того, чтобы с ними столкнуться, поскольку он полагал, что его наблюдения могут доказать или опровергнуть самую революционную научную идею, выдвинутую в современной науке: общую теорию относительности Альберта Эйнштейна.
В своей теории в 1915 году Эйнштейн утверждал, что гравитация не была силой, действующей на расстоянии между объектами, как утверждал Исаак Ньютон. Вместо этого он говорил, что это результат искривления пространства массой объекта. С этой точки зрения, тело на орбите вокруг Солнца фактически движется по прямой линии, но через пространство, искривленное его массой. Даже луч света будет изгибаться, проходя по этой части искривленного пространства.
«Эйнштейн использовал существующие астрономические наблюдения в поддержку своей теории — например, известные аномалии орбиты Меркурия вокруг Солнца», — говорит Кэролин Кроуфорд из Института астрономии в Кембридже. «Но это были, можно сказать, результаты постфактум. Необходим был конкретный предсказуемый эксперимент, чтобы показать, что его теория верна. Майское затмение 1919 года предоставило такую возможность».
Движение Меркурия вокруг Солнца невозможно описать законами классической механики.
Во время полного солнечного затмения диск Луны проходит перед Солнцем. Это стирает его ослепительно яркие лучи и позволяет астрономам изучать относительно тусклый свет фоновых звезд. Сравнивая существующие фотографии определенного скопления звезд с изображениями, снятыми во время затмения, можно выяснить, не сместилось ли положение этих звезд из-за того, что Солнце изгибает свет в пространстве рядом с собой.
И это то, что Эддингтон намеревался доказать вместе со второй группой британских астрономов, которые были отправлены в Собрал, в северную Бразилию, который также находился на траекторией затмения. Обе экспедиции были организованы британским королевским астрономом Фрэнком Уотсоном Дайсоном, и обе они изучали звезды скопления Гиады в созвездии Тельца, перед которым должно было пройти затмленное Солнце. Если бы видимые положения звезд в этом скоплении сместились по сравнению со стандартными ночными фотографиями этого звездного региона, это указало бы на то, что масса Солнца стала причиной искривления пространства.
Было одно небольшое осложнение. «Ньютоновская физика также предсказывает, что положения звезд могут быть смещены во время затмения, но не так сильно», — говорит Кроуфорд. «Теория Эйнштейна предсказала большее отклонение».
Поэтому Эддингтон столкнулся с двойной проблемой. Сможет ли он обнаружить какие-либо изменения в положениях звезд, вызванные Солнцем? Более конкретно, сможет ли он сделать это достаточно точно, чтобы определить, происходили ли они в ответ на физику Ньютона или теорию Эйнштейна? Согласно ньютоновской физике, изображения звезд будут отклоняться примерно на 0.8 угловых секунды, в то время как Эйнштейн сказал, что они будут отклоняться примерно на 1.8 секунды. Учитывая то, что угловая секунда составляет 1/3600 долю градуса, такие чрезвычайно малые различия будет очень трудно обнаружить.
Хуже того, условия на Принсипи оказались намного мрачнее, чем ожидал Эддингтон и его помощник Эдвин Коттингем. Астрономы вынуждены были работать под противомоскитными сетками и прогонять обезьян, которые постоянно пытались украсть часть их оборудования. «Затем, утром 29 мая, преодолев тысячи миль, чтобы увидеть затмение, Эддингтон и Коттингем проснулись от дождя», — пишет в своей книге Рон Коуэн.
Фотопластинка солнечного затмения 29 мая 1919 года.
Им повезло — облака медленно рассеялись, но в небе все еще были периодические сгустки тумана, когда затмение шло полным ходом. Эддингтон лихорадочно работал и сумел получить 16 фотопластин. Позже он обнаружил, что только две из них содержали достаточно звезд, чтобы определить, был ли свет от них изогнут Солнцем или нет. Наконец, расписание пароходов заставило их покинуть Принсипи в течение нескольких дней, не начав измерения положений звезд на пластинах.
Затем были наблюдения, сделанные в Собрале второй группой астрономов, которую возглавляли Эндрю Кроммелин и Чарльз Рандл Дэвидсон из Королевской Гринвичской обсерватории. Им с условиями наблюдений повезло больше. Однако, к своему ужасу, они впоследствии обнаружили, что все 19 изображений, которые они сделали с помощью своего основного телескопа, были не в фокусе — солнечное тепло заставило его зеркало неравномерно расширяться и создавать размытые изображения. К счастью, восемь других пластин, полученных с помощью меньшего резервного телескопа, дали прекрасные результаты.
Ученые из обеих групп собрались в августе и начали измерять положения звезд на своих фотопластинах. Они получили два набора результатов. Из изображений, снятых в Собрале, они получили отклонение в 1.98 угловых секунды. Из пластин из Принсипи они получили значение около 1.6.
Мощная гравитация Солнца искажает свет от звезд.
Эти результаты, хотя и были основаны на ограниченных данных, полностью соответствовали теории Эйнштейна. Это был сенсационный результат, который сделал это событие, «вероятно, самым важным затмением в истории», — пишет американский физик Дэниел Кеннефик в своей книге.
Вооружившись полученными данными и их анализом, команда, включая Дайсона, Эддингтона и Кроммелина, выступила перед Лондонским королевским обществом вечером 6 ноября и поделилась своими результатами. Аудитория была ошеломлена. Двести лет ньютоновской физики были отменены. «Это самый важный результат, связанный с теорией гравитации со времен Ньютона», — заявил президент Королевского общества, лауреат Нобелевской премии Дж.Дж. Томсон.
На журналистов всего мира это произвело не меньшее впечатление. «Революция в науке: новая теория Вселенной: ниспровергнуты ньютоновские идеи», — гласили заголовки в «Таймс» на следующий день, в то время как «Нью-Йорк Таймс» не отставал: «все огни искривляются в небесах: теория Эйнштейна торжествует». Эйнштейн во мгновение ока стал мировой знаменитостью.
Это было начало столетия гравитации — 100 лет, в течение которых ее искажающие эффекты в космосе стали доминировать в астрономии. Последующие солнечные затмения также дали результаты, полностью соответствующие теории Эйнштейна, в то время как более поздние фотографии, сделанные телескопом Хаббла, выявили еще более впечатляющие искажения пространства, производимые мощными гравитационными полями. На некоторых изображениях звездный свет вокруг массивных скоплений галактик скручен в длинные вытянутые полосы — такова сила гравитации от огромного числа звезд.
Фото черной дыры в галактике Мессье 87.
Затем, спустя полстолетия, астрономы обнаружили, что галактики вращаются с такими скоростями, что они должны разлетаться. Некоторая невидимая форма материи, названная темной, должна обеспечивать дополнительную гравитацию, чтобы удерживать их вместе. Фактически, ученые теперь полагают, что темной материи во вселенной в пять раз больше видимой, чтобы объяснить гравитационные эффекты, которые мы наблюдаем. К сожалению, ученые до сих пор не достигли успеха в непосредственном обнаружении частиц темной материи.
Еще более впечатляющим было первое обнаружение гравитационных волн, также предсказанных общей теорией относительности Эйнштейна. Они создаются, когда два особенно массивных объекта сталкиваются друг с другом, хотя сам Эйнштейн думал, что человечество не сможет обнаружить столь незначительные колебания в пространстве-времени, которые будут вызваны этими чрезвычайно отдаленными событиями.
Однако в 2016 году астрономы объявили, что они обнаружили вибрации с длинами волн, составляющими всего несколько сотен квинтиллионных долей метра (квинтиллион — это миллиард миллиардов), и пришли к выводу, что они были вызваны гравитационными волнами, испускаемыми двумя черными дырами, сталкивающимися в миллиардах световых лет от Земли.
И, наконец, астрономы в прошлом месяце показали, что они сфотографировали окончательную деформацию пространства-времени — черную дыру. Этот объект настолько плотный, что искривление пространства-времени от него не дает вырваться за горизонт событий даже свету. Снимок, сделанный Event Horizon, глобальной сетью радиотелескопов, показывает черный диск — тень черной дыры — в окружении оранжевого гало, образованного заряженными частицами, вращающимися вокруг нее.
Как писал Коуэн: «эти два эксперимента — экспедиции для наблюдения затмения 1919 года и получение фотографии черной дыры столетие спустя — создали эпоху, не похожую ни на одну другую в истории науки. Два наблюдения, проведенные командой Эддингтона и астрономами Event Horizon, идеально подходят друг другу. Один предоставляет первое дразнящее свидетельство того, как гравитация формирует пространство-время. Другой показывает, насколько драматичным может быть этот эффект».
Эддингтон, Эйнштейн и первая мировая война
Артур Стэнли Эддингтон был одним из самых невероятных защитников общей теории относительности Эйнштейна. Прямое общение между этими учеными было невозможно в течение многих лет. Эйнштейн жил в Германии, которая воевала с Великобританией, когда общая теория относительности была опубликована в 1915 году. Тем не менее, Эддингтон получил контрабандную копию и вместе с другим астрономом, Фрэнком Дайсоном, начал строить планы по ее проверке. Таким образом, в середине первой мировой войны два самых важных астронома Британии тайно планировали подтвердить противоречивые идеи немецкого физика. (Следует отметить, что это было время ненависти ко всему немецкому. Один из ведущих английских ученых объявил, что «немцы врожденно неспособны читать наши стихи», в то время как журнал Nature осуждал неполноценность всей немецкой науки.)
Эйнштейн и Эддингтон рядом с Кембриджской обсерваторией, 1930 год.
Планы Эддингтона и Дайсона чуть не были разрушены, когда первому, в то время тридцатилетнему директору Кембриджской обсерватории, было объявлено, что его освобождение от военной службы в качестве старшего академика больше не работает. В окопах отчаянно нуждались в свежих войсках. Эддингтон, благочестивый квакер (представитель протестантского христианского движения), отказался становиться солдатом и объявил, что он отказывается от военной службы по соображениям совести, что чуть не сработало против него на военном трибунале. Только прямое вмешательство Дайсона, который утверждал, что работа Эддингтона имеет ключевое значение для всей страны, спасло молодого астронома.
Уловки света: был ли Эддингтон избирательным с его данными?
В течение прошлого столетия некоторые историки науки ставили под сомнение честность Эддингтона, говоря, что он манипулировал данными, которые его команда принесла из Принсипи и Собрала. Конечно, он отбрасывал некоторые непригодные фотопластины, но, что интересно, это зачастую оказывались те изображения, где искажения света были ближе к ньютоновской физике, а не теории Эйнштейна.
Значит, Эддингтон подтасовывал результаты, игнорируя неудобные данные? Он неправильно измерил затмение? Некоторые исследователи утверждают, что это было так, хотя недавние повторные изучения измерений астронома не подтверждают этот вывод. Например, в своей книге «Без тени сомнения» Дэниел Кеннефик прилагает все усилия, чтобы развеять такие обвинения, в то время как в статье в журнале Nature в прошлом месяце физик-теоретик Питер Коулз, профессор из Мейнутского университета в Ирландии, показал, что он использовал современные статистические методы для повторного анализа данных Эддингтона. «Я сделал это и не нашел доказательств того, что Эддингтон подтасовывал результаты», — заявил он.
Так что скорее всего Эддингтон действительно проводил измерения честно, и его фотопластины о солнечном затмении 1919 года открыли новый век физики, в котором царит теория относительности Эйнштейна.
