Знакомство с научными группами

 

Обе экспедиции по изучению солнечного затмения состояли из английских физиков. Первую группу, которая наблюдала затмение из бразильского городка Собраль, возглавляли Эндрю Кроммелин и Чарльз Дэвидсон. Во главе второй группы были Артур Эддингтон и его помощник Э. Коттингэм, они проводили исследования на острове Принсипи, расположенном у берегов Западной Африки. Эддингтон, рожденный в английском Озерном крае, к тому времени уже был известным физиком и работал в Кембридже. Именно его интерпретация данных, полученных обеими группами, должна была стать доказательством правоты Эйнштейна. В связи с этим стоит упомянуть, что еще до отъезда на остров Принсипи он проявлял всяческие симпатии к Эйнштейну. Будучи самым активным сторонником общей теории относительности, он не скрывал, что отправляется на Принсипи, твердо надеясь доказать, что интуиция его не подводит.

Чтобы понять трудности, с которыми столкнулись ученые, сначала необходимо рассмотреть, каким оборудованием они пользовались. Группа, работавшая в Собрале, взяла с собой «астрографический телескоп» и четырехдюймовый телескоп. Группа Эддингтона имела всего лишь астрографический инструмент. Планы у обеих групп были одинаковыми: сфотографировать пучки звездного света как можно ближе к краю затмения, а затем сфотографировать те же звезды несколько позднее в других частях неба. Кроммелин должен был остаться в Бразилии, чтобы проделать эту работу, тогда как Эддингтону нужно было вернуться в Англию и продолжить исследования на экспериментальной базе Оксфордского университета.

У групп были с собой аналогичные предварительные расчеты. В зависимости от того, насколько велико будет отклонение, будет доказана правота либо Ньютона, либо Эйнштейна. Они были готовы присудить победу Ньютону, если угол отклонения составит порядка 0,8 угловой секунды, или Эйнштейну, если значение будет близко к 1,7 угловой секунды. Эта разница настолько мала, что ее можно сравнить с измерением ширины одного пенса на расстоянии одной мили. То была нелегкая задача. Если же случится так, что на момент затмения звезд, расположенных близко к краю солнечного диска, не окажется, ученым придется выбирать звезды, расположенные дальше, а это означает, что проводить измерения будет значительно сложнее, поскольку влияние Солнца на свет от таких звезд существенно меньше. Нетрудно понять, почему исключительно сдержанный Эддингтон, получив результаты измерений, близкие к тем, что предсказывал Эйнштейн, написал: «Это было самым волнующим событием на моей памяти… связанным с астрономией».

 

ПРОБЛЕМЫ

 

Помимо того, что нужно было измерить невероятно малые величины, обе группы столкнулись с огромным количеством и совершенно иных проблем. Самой большой из них оказалось сравнение видимого положения звезд, сфотографированных в разных участках неба и в разное время года, при разной температуре, а разница в фокусном расстоянии холодного и теплого телескопа легко могла внести искажение, сопоставимое с измеряемыми величинами. Кроме того, фотографирование солнечного затмения нужно было проводить днем, а остальное фотографирование — ночью. Помимо температуры окружающей среды на точность измерений влияла также «атмосферная турбулентность». (В результате происходило искажение фоновых изображений, в основном возникавших как следствие конвекционных потоков, которые видны невооруженным глазом, например, над жаровней для барбекю. В условиях тропиков турбулентность атмосферы представляет собой особо сложную проблему.) Вдобавок обе группы столкнулись с неблагоприятными погодными условиями, мешала частичная облачность.

Не следует забывать и о том, что транспортировка из Англии на такое большое расстояние не могла не сказаться на состоянии телескопов, тогда как малейшее воздействие, изменяющее угол фотографической пластины, способно привести к непоправимым последствиям. В дополнение ко всему солнечное затмение нужно было наблюдать в отдаленных районах, и доставка любого современного оборудования была делом нелегким. Обеим группам приходилось довольствоваться небольшими инструментами, значительно увеличивавшими время экспонирования. Все телескопы нужно было вращать в сторону, противоположную вращению Земли, чтобы они оставались нацеленными на одну и ту же точку неба. Механизмы вращения, разработанные инженерами обеих групп, явились еще одним источником погрешности.

Некоторые из этих трудностей можно было учесть и принять во внимание при проведении расчетов. Обычно это касается той части смещения звезд, которая связана с механикой телескопов и фотографического оборудования. После получения количественной оценки этого воздействия, легче выделить поведение светового луча, идущего от интересующей нас звезды. Введение соответствующей коррекции требует как минимум шесть не меняющих своего положения звезд на каждом фотоснимке. В противном случае данных для проведения статистических расчетов будет не хватать. Ни одна из групп — ни та, что была в Бразилии, ни та, что была на острове Принсипи, — не могла отрицать, что их экспериментальный метод не свободен от ошибок, которые не удалось заранее определить, поэтому они так и останутся нераспознанными.

Чтобы дать представление о том, насколько серьезными были все эти проблемы, следует упомянуть, что в 1962 году намного лучше оснащенная группа британских ученых попыталась воспроизвести результаты, полученные Эддингтоном. После неудачной попытки они заявили, что этот метод слишком сложен. В свете трудностей, рассмотренных выше, такой вывод нельзя назвать неожиданным. Нобелевский лауреат Субраманьян Чандрасекар, с которым у Эддингтона был продолжительный и во многом личный научный спор, позднее заявил, что экспедиции 1918–1919 годов лишь отчасти были вызваны научным интересом. Он высказал предположение, что Эддингтон влез в это довольно бесперспективное дело, дабы избежать воинской службы в годы Первой мировой войны. До сих пор это заявление Чандрасекара никто не опроверг.

 

ВРЕМЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

 

В долгожданные часы затмения группа, прибывшая в Собраль, смогла получить 19 фотографий с помощью своего астрографического телескопа и 8 фотографий — с помощью четырехдюймового телескопа. Группе Эддингтона на Принсипи помешала облачность — удалось получить только 16 снимков, из которых лишь два были пригодны для анализа. Группа в Собрале сумела получить очень четкие снимки с помощью четырехдюймового телескопа. Они позволили определить, что отклонение луча Солнцем происходит в диапазоне от 1,86 до 2,1 угловой секунды при среднем значении 1,98 угловой секунды. (Отметим, что Эйнштейн предсказывал величину порядка 1,7 угловой секунды.) Фотографии же, полученные с астрографа, были хуже, но 18 из них были использованы для расчета среднего угла отклонения, который получился равным 0,86 угловой секунды. Другими словами, один комплект фотографий дал результаты, близкие к расчетам Эйнштейна, а другой — величину, очень близкую к значению 0,8, которую дает теория Ньютона. К сожалению, одни значения оказались слишком большими, чтобы строго соответствовать общей теории относительности, а другие основывались на фотографиях плохого качества. Кроме того, каждый комплект фотографий содержал очень большую стандартную погрешность.

На основе фотографий приемлемого качества, полученных на острове Принсипи, Эддингтон рассчитал смещение луча, лежавшее в пределах от 1,31 до 1,91 угловой секунды. Однако качество этих фотографий оставляло желать лучшего, а математическая формула, которую он использовал для расчетов, сама по себе была не совсем корректна. Но как бы там ни было, две фотографии плохого качества, полученные группой Эддингтона, дали среднее значение 1,62 угловой секунды, что недопустимо меньше расчетной величины Эйнштейна.

Совершенно очевидно, что такое ненадежное и противоречивое доказательство не могло разрешить спор между двумя теориями. Достаточно вспомнить о турбулентности атмосферы. В условиях жаркого климата, в котором работали обе группы, имевшаяся турбулентность позволила бы зафиксировать только очень большое смещение света. Если бы обе группы измеряли отклонение лучей, проходящих по краю солнечного диска, то отклонение было бы достаточным для того, чтобы выделить воздействие турбулентности. Однако в 1919 году ближайшие к солнечному диску лучи не могли быть видны из-за солнечной короны, а видимые лучи должны были несколько отстоять от края солнечного диска. Следовательно, смещение света было столь незначительным, что наблюдаемое явление можно было бы смело отнести к воздействию турбулентности атмосферы. В какой-то мере обе группы это хорошо понимали. Поэтому в дискуссии, которая проходила после объявления результатов, полученных во время солнечного затмения, Эддингтон и его помощники признавались, что расчеты были ненадежными. Однако прошло всего несколько месяцев, и с кафедры королевского астронома было объявлено: теория Эйнштейна победила.

 

ВРЕМЯ ИНТЕРПРЕТАЦИИ

 

Экспедиции в Собраль и на Принсипи получили результаты, которые не могли однозначно подтвердить ни теорию Ньютона, ни теорию Эйнштейна. В своей книге «Физические основания общей теории относительности» (1972) британский астроном Деннис Скьяма объяснял, что пресловутые исследования солнечного затмения «очень трудно оценить… поскольку другие астрономы получали совершенно различные результаты при повторном рассмотрении одного и того же материала». В этом случае можно, не сомневаясь, объявлять победителем обе теории, хотя группе, работавшей в Собрале, могло показаться, что справедливее было бы объявить ничью. Однако произошло нечто совсем иное. Усилиями Эддингтона результаты, полученные во время солнечного затмения, были подвергнуты косметической операции таким образом, чтобы полностью соответствовать расчетам Эйнштейна. Без такой обработки результатов правоту Эйнштейна в 1919 году доказать бы не удалось.

Эддингтон начал с того, что подверг сомнению результаты, полученные в Собрале. Он заявил, что величины, измеренные с помощью астрографа, не дают, как это должно быть, случайного распределения вокруг некоторой точки. Вместо этого они находились ниже этой точки, что позволяло говорить о «систематической погрешности», позволившей искусственно занизить и само среднее значение. Без такой погрешности, размышлял он далее, результаты измерений собральской группы тоже находились бы у верхней границы значений, полученных Эйнштейном. Аргумент был убедителен, но беда Эддингтона заключалась в том, что он не доказал отсутствия такой ошибки в других данных. Отвечая на неприятные для себя вопросы, он ни разу не привел убедительных доказательств в пользу того, что в принятые им измерения не вкралась та же ошибка. Более того, Эддингтон для своего удобства полностью игнорировал тот факт, что фотографии, полученные собральской группой, были визуально намного безупречней его двух размытых изображений. Сомнения в надежности результатов, Кроммелина и Дэвидсона, могли быть вполне обоснованны, но при этом следует помнить, что качество фотографий, полученных самим Эддингтоном, было намного хуже. Как в 1923 году писал американский публицист У. Кэмпбелл:

 

Профессор Эддингтон намеренно придавал большее значение африканским снимкам, но поскольку изображения на его астрографических пластинах были худшего качества, чем те, что были получены в Бразилии, а последним практически не придавалось никакого значения, то логику всего происходившего понять невозможно.

 

Это весьма критическое отношение к предмету гордости любого британца. Отметим также, что две фотопластины Эддингтона содержали недостаточное количество изображений несмещающихся звезд, по отношению к которым рассчитывалась погрешность (таких звезд было пять вместо шести). Добавьте к этому большое среднеквадратичное отклонение в принятых им результатах (из-за чего все результаты были либо слишком большими, либо слишком маленькими), и вы поймете, почему Иэрман и Глаймур в своей опубликованной в 1980 году статье писали, что «изучавшие затмение экспедиции смогли бы подтвердить теорию [Эйнштейна] только в том случае, если бы исключили часть полученных результатов и игнорировали бы расхождения в оставшихся». Другими словами, теория Эйнштейна подтверждена не была.

Основной принцип стандартной модели научного метода звучит так: что теоретические расчеты не должны влиять на то, какие экспериментальные результаты следует использовать и какие нужно игнорировать. Но и в подходе Эддингтона, и в случаях с Луи Пастером и Робертом Милликеном теоретические и экспериментальные результаты становились взаимоподтверждающими. Эддингтон оценивал свои результаты по тому, насколько они соответствовали нравившимся ему теоретическим выкладкам. С одной стороны, особая значимость придавалась фотографиям, аппроксимация которых давала предсказанную Эйнштейном величину в 1,7 угловой секунды, а с другой — изобретались всякие надуманные причины, чтобы не рассматривать результаты, которые не укладывались в его теоретические представления. «Выкладки Эйнштейна не получили такого неопровержимого подтверждения, как представлялось ранее», — деликатно писал Скьяма в 1972 году. В отношении экспедиций по изучению солнечного затмения он заметил следующее: «Нельзя отделаться от впечатления, что, если бы участники экспедиции не знали, какие результаты следует ожидать, то их реальные результаты варьировались бы в более широком диапазоне». Или, как на заседании Королевского астрономического общества в 1919 году сказал американский физик польского происхождения Людвик Зильберштейн, «если бы нам не была известна теория Эйнштейна, то мы бы не могли сказать, что полученные данные свидетельствуют о справедливости закона отклонения света». Манипуляции с данными, допущенные Эддингтоном, столь серьезны, что трудно избавиться от такой крамольной мысли: если бы теории предсказывали противоположные значения — ньютоновская теория давала бы большие значения, а теория Эйнштейна маленькие, то Эддингтон отказался бы от своих фотографий как от слишком расплывчатых и с удовольствием бы воспользовался астрографическими снимками, полученными в Собрале.

Большинство современников Эддингтона оказались менее критичными или менее циничными, чем Зильберштейн и Скьяма. В результате после тщательного отбора множество данных, обработанных Эддингтоном, были представлены как убедительно доказывающие правоту теоретических построений «своего» ученого. Полностью проигнорировав 18 фотопластин по весьма сомнительным причинам, он приступил к написанию официального отчета об экспедиции. В нем он рутинно упоминал только два множества точек: четыре фотографии, полученные с помощью четырехдюймового телескопа группой в Собрале, и две свои фотографии очень низкого качества. Поскольку эти два множества дали средние значения отклонения 1,98 и 1,671 соответственно, то подготовленному читателю остается только сделать вывод, что Ньютон потерпел полное поражение: гигант последних двух столетий наконец-то повержен.

Поскольку 18 астрографических фотопластин были исключены из рассмотрения и забыты, то и озабоченность низким качеством фотографий, полученных на Принсипи, тоже быстро развеялась. Сложности эксперимента были забыты, и спор между сторонниками Эйнштейна и Ньютона разрешился. По крайней мере, такой вывод можно сделать, прочтя отчет об экспедициях по изучению солнечного затмения, изложенный в популярной книге А. Коулмана «Теория относительности для непосвященных» (1969):

 

Собральская группа пришла к выводу, что их звезды сместились на 1,98 угловой секунды, а у группы на острове Принсипи звезды сместились на 1,6 угловой секунды. Близость к значению 1,74, предсказанному Эйнштейном, оказалась достаточной, чтобы подтвердить его теорию.

 

Коулман и другие научные комментаторы не обращали внимания на тот факт, что среди астрономов, однако, отчет Эддингтона не получил быстрого признания. Еще в 1918 году американская экспедиция отправилась в штат Вашингтон, чтобы наблюдать солнечное затмение. Она доложила, что отклонения света на 1,7 угловой секунды «не существует». Между 1922 и 1952 годами наблюдалось еще 10 затмений и только для одного из них были получены, как казалось, высококачественные данные, которые дали отклонение луча в 2,224 угловой секунды — значительно большее, чем предсказывал Эйнштейн. По сути, почти каждое наблюдение затмения давало либо ненадежные, либо, как это было в большинстве случаев, и ненадежные и не совпадающие с расчетами Эйнштейна данные. В свете этих результатов многие ученые, находящиеся на переднем крае исследований в области общей теории относительности, совершенно разумно воздерживались от окончательных высказываний, а некоторые физики поддержали общую теорию относительности только после того, как появились ее подтверждения совершенно иного рода.

 

СТАТУС И ДОВЕРИЕ

 

В борьбе со своими критиками Эддингтон активно использовал Королевское лондонское научное общество. Эта организация была создана в конце XVII века в стране, не успевшей забыть убийство короля и гражданскую войну. На таком фоне мирное и чинное разрешение споров, и в науке тоже, значило очень много. Работа Королевского общества проходила в большом актовом зале — там могли собираться самые видные ученые, чтобы своими глазами видеть, как ставятся эксперименты. Идея заключалась в том, чтобы члены общества воздерживались от высказывания своего мнения по определенному вопросу до тех пор, пока перед ними не будут поставлены соответствующие эксперименты. Только тогда научное сообщество может, используя демократическую процедуру, прийти к консенсусу и таким образом избежать продолжительных конфликтов. Во многих отношениях, такие же принципы решения научных споров дожили до нынешних времен. Однако сегодня не обязательно собирать ученых в одном зале — достаточно в журнальных статьях подробно описывать приборы и методики экспериментов, чтобы другие ученые смогли провести аналогичные опыты в своих лабораториях.

Правда, когда дело доходит до определения того, что удалось доказать экспериментом, а что не удалось, часто возникают проблемы. Более того, как показали английский социолог Гарри Коллинз и его американский коллега Тревор Пинч, некоторые эксперименты требуют специальной подготовки, особенных знаний и технического опыта. Это означает, что ученые иногда должны верить своим коллегам на слово. В случае с экспедициями в Собраль и на Принсипи, помимо трудностей с пониманием общей теории относительности и выполнением соответствующих расчетов, сами эксперименты были очень сложны для выполнения, невероятно дороги и полностью зависели от солнечного затмения. Таким образом, лишь редкие астрономы решались воспроизвести эксперимент Эддингтона. При таких обстоятельствах большинство было готово принять его интерпретацию без всяких возражений. Как бы там ни было, но этот случай явился убедительной демонстрацией роли доверия в развитии науки.

Чтобы понять, почему рядовые ученые так доверяли Эддингтону, нужно сначала осознать то, что для многих из них Эйнштейн был самым выдающимся физиком современности. А Эддингтон был очень известным астрономом. В 1919 году он пользовался неограниченным доверием еще и потому, что был известен как комментатор общей теории относительности. Он говорил о ней с такой страстью, с такой верой, что его соратник физик Людвик Зильберштейн однажды заметил: «Профессор Эддингтон, вы, пожалуй, один из трех человек в целом мире, кто понимает общую теорию относительности». После возникшей паузы он добавил: «Не скромничайте, Эддингтон». На что последний ответил: «Наоборот, я пытаюсь понять, кого третьего вы имели в виду?» Эта история, конечно, вымышлена, но весьма любопытна и показательна.

Вера в то, что Артуру Эддингтону удалось доказать правоту Эйнштейна, быстро крепла благодаря прочным позициям в науке новых сторонников теории относительности. 6 ноября 1919 года сэр Джозеф Дж. Томсон, президент Королевского научного общества, заявил представителям английской научной элиты: «Присутствующим трудно оценить значение цифр, которые были представлены нам, однако королевский астроном и профессор Эддингтон тщательно изучили материал и считают, что доказательств большего угла отклонения света было получено вполне достаточно». Имея на своей стороне такие лица, как президент Королевского научного общества и королевский астроном, Эддингтон вряд ли удивился, прочтя на следующее утро в газете «Таймс» следующие заголовки:

 

Революция в науке

 

 

Новая теория Вселенной

 

 

Идеи Ньютона опровергнуты

 

«По общему убеждению, — писала газета, — наблюдения [затмения] убедительно доказали правильность предсказаний великого физика Эйнштейна». В течение нескольких последующих недель «Таймс» публиковала письма уважаемых ученых в поддержку теории относительности, при этом одно письмо пришло 28 ноября от самого Эйнштейна. К противоположному мнению пресса относилась весьма неуважительно. Действительно, если мы еще раз вернемся к заявлению Дж. Дж. Томсона, то убедимся, что он заранее был готов ошарашить научное сообщество так же, как это впоследствии сделала «Таймс» по отношению к своему читателю. В его заключительных замечаниях он не зря произнес: «Присутствующим трудно оценить значение цифр, которые были представлены нам». Это можно понять и так: собравшиеся не способны разобраться в этом вопросе, поэтому им придется верить на слово. Таким образом, если бы среди присутствующих нашелся человек, решившийся возразить Эддингтону, ему пришлось бы опровергать не только представленные данные, но и авторитет научной троицы в лице королевского астронома, президента Королевского научного общества и самого Эддингтона. Дело бесперспективное…

Поскольку Томсон огласил свое решение, научное сообщество решительно перешло на сторону руководства. По большей части ученые делали это, не имея представления о данных, полученных экспедициями. Более того, они сохранили свою позицию, несмотря на последующие критические публикации. Совершенно непонятно, почему оказалось так трудно поколебать всеобщее мнение после 1919 года. Только самые передовые исследователи были готовы оспорить данные Эддингтона, однако, несмотря на то что их статьи публиковались, у них не хватило сил опровергнуть интерпретацию, прозвучавшую 6 ноября 1919 года. После этого им приходилось иметь дело с тем, что можно назвать словами «культурный консенсус». Те ученые, чьи астрономические знания были достаточно ограниченны, решили поддержать более знающих и уважаемых коллег. Получается, что хотя бы на короткое время научная правда — это правда научного большинства.