Затмение Исаака Ньютона

В 1919 году [Эддингтон] возглавил экспедицию на остров Принсипи (Западная Африка). Именно во время этой экспедиции и было получено первое подтверждение теории Эйнштейна, согласно которой гравитация изгибает луч света, когда он проходит вблизи массивной звезды. Во время полного затмения Солнца было обнаружено, что положение звезд, видимых из-за солнечного диска во время его затмения, было, как и предсказывала общая теория, несколько смещено.

Энциклопедия «Британника» (1992)

Экспедиции в Бразилию и на остров Принсипи по случаю солнечного затмения, произошедшего 29 мая 1919 года, обнаружили, что эффект, предсказанный Эйнштейном, на самом деле существует, причем в количественном отношении соответствие получилось достаточно хорошим.

В. Паули. Теория относительности (1958)

Представьте себе, что однажды вы, пользуясь сверхмощным телескопом, точно определили расстояния между звездами в созвездии, а потом решили повторить эксперимент — на следующую ночь. И случится так, что свет, направляясь к вам, пройдет очень близко от какой-нибудь звезды или черной дыры, что, к своему удивлению, вы обнаружите, что звезда поменяла положение по отношению к соседкам — звездам в созвездии. Однако, повторив эксперимент в третий раз, во время которого, как и в первом случае, свет не будет проходить рядом с какими-нибудь звездами или черными дырами, вы увидите «странствующую» звезду снова на ее законном месте. Причиной такой странной миграции неподвижных звезд является то, что гравитационные поля обладают способностью деформировать пространство-время и тем самым менять направление движения светового луча. Степень искажения зависит от массы, генерирующей гравитационное поле, и тем, насколько близко от нее проходит световой луч. Ни наш мозг, ни наши камеры не умеют учитывать такие гравитационные эффекты. Более того, когда свет звезды доходит до нас, предварительно пройдя рядом с массивным небесным телом, мы инстинктивно располагаем источник света так, словно луч шел к нам по прямой линии. Из-за этого мы неверно определяем местоположение звезды.

Каким бы странным ни казалось нам искривление светового луча в гравитационном поле, науке это явление было известно давно. Идея о том, что луч света — это поток частиц, имела своих сторонников в течение тысячелетий. После признания ньютоновской теории гравитации оказалось, что она приложима и к этим гипотетическим единицам света. Логично было считать, что каждая такая единица обладает определенной массой, хотя и невообразимо малой, а раз так, то на свет, как и на остальные объекты во Вселенной, будет действовать гравитация. В 1901 году баварский ученый Иоганн фон Зольднер рассчитал с ньютоновских позиций, какое отклонение луча можно ожидать. Представим себе, что свет стремится к нам через воображаемую трубу. При наблюдении с Земли эта труба будет иметь три координаты, с помощью которых можно определить местоположение любой частицы света: две пространственные координаты (вправо/влево, вверх/вниз) и время. Таким образом, по мере движения частицы света по этой воображаемой трубе можно учесть воздействие на нее ближайших звезд и планет и с большой точностью рассчитать ее пространственно-временные координаты.

По крайней мере, так казалось до второго десятилетия XX века. А потом Альберт Эйнштейн опубликовал свои работы по теории относительности и фундаментальным образом подверг сомнению простоту этой картинки. По Эйнштейну, гравитация влияет не на частицы света, а на сами пространственно-временные координаты, которые до того принимались как некий абсолют, позволяющий рассчитывать путь световых частиц. Нашу воображаемую трубу больше нельзя было рассматривать как имеющую стандартные единицы пространства и времени по всей ее длине. Продолжать думать иначе — все равно что считать, будто топографическая сетка на карте не является привнесенной, а составляет часть пейзажа. Как и пейзаж, она подвергается воздействию великих сил природы. Это происходит потому, утверждал Эйнштейн, что огромные гравитационные поля искривляют пространственно-временной континуум и меняют путь проходящего через них света.

Даже зная, что сегодня вряд ли найдется хоть один физик, который не верит в общую теорию относительности, понять эти идеи довольно трудно, а в первое десятилетие XX века у общей теории относительности был статус изящного рассуждения, основанного на ряде сомнительных наблюдений. Сторонники Эйнштейна сталкивались с невероятными трудностями. Несмотря на то что его теория была во многом спекулятивна, история человеческой мысли редко знавала такие изящные и не поддающиеся здравому смыслу концепции. Вскоре физики по обе стороны баррикад, казалось, использовали все, чтобы разработать методы проверки общей теории относительности. В 1916 году Эйнштейн сам рассчитал, что степень искривления света в соответствии с общей теорией относительности будет в три раза больше, чем предсказывала ньютоновская механика. И вот наконец в 1919 году появилась потрясающая возможность экспериментально подтвердить теорию Эйнштейна.

В том 1919 году случилось солнечное затмение. Сторонникам Эйнштейна нужно было с достаточной точностью показать разницу между прогнозами Эйнштейна и оценками Ньютона. Когда свет от звезды проходит рядом с Солнцем, он становится совершенно невидимым из-за огромной яркости самого Солнца. Во время солнечного затмения такая проблема перестает существовать: Луна временно затмевает Солнце, и можно некоторое время наблюдать лучи света, идущие от звезд, источников этого света. И вот в 1918 году две отдельные британские научные экспедиции отправились в тропики. Планировалось провести наблюдения удобных для этой цели звезд во время затмения, которое должно было произойти 20 мая 1919 года, а потом повторить эксперимент в ночном небе. Экспедиции получили хорошую прессу, и научное сообщество с нетерпением ожидало объявления результатов. В конце 1919 года на заседании Королевского научного общества в Лондоне огромное множество присутствующих узнало, что предсказания Альберта Эйнштейна полностью подтвердились. Его восхождение на научный Олимп состоялось, и физике уже не суждено было оставаться прежней.

В последующие годы никто не сомневался в том, что эти два исследования солнечного затмения полностью подтверждают общую теорию относительности. Иногда раздавались некоторые сомнения, но их удавалось быстро загасить. Теперь, по прошествии более 80 лет, можно сказать, что 1919 год для физиков имел то же значение, что и год 1859 (год опубликования дарвиновского труда «О происхождении видов») для биологов. Так, британский физик Пол Дэвис писал в 1977 году в своей книге «Пространство и Время в современной Вселенной»:

Искривление световых лучей гравитационным полем явилось основным предсказанием теории Эйнштейна. И оно было триумфально подтверждено наблюдениями сэра Артура Эддингтона (британский физик, 1892–1944), проведенными во время солнечного затмения 1919 года. Тогда было обнаружено искривление звездного света Солнцем, а измерения этого искривления показали их полное соответствие теоретической величине, рассчитанной Эйнштейном.

Без сомнений, эти экспедиции сыграли огромную роль для развития науки: они показали мощь истинно научного метода. Во-первых, была создана новая теория, которая поставила под вопрос существовавшую ранее. Во-вторых, случилось событие, в отношении которого конкурирующие теории дали свои предсказания. В-третьих, были собраны точные данные, и одна из теорий по праву одержала победу над другой. Помимо этого, история Эддингтона выглядит еще более привлекательно потому, что ему удалось организовать «дуэль на солнце» и свести очень сложную физику к простому углу отклонения. Если добавить экзотические места проведения экспериментов и вспомнить в качестве контрапункта о жестокостях Первой мировой войны, вы получите великолепную научную одиссею.

Однако если копнуть глубже, то окажется, что экспедиции 1918–1919 годов по изучению солнечного затмения были не более успешными, чем тысячи менее масштабных экспериментов и прошлого и настоящего. Главной причиной столь большой известности этих исследований является окончательный триумф идей Эйнштейна. Возвращаясь к экспедициям, нужно сказать: сегодня мы верим, что данные, полученные этими экспедициями в 1919 году, были точными и убедительными. Однако, как мы уже убедились в первых двух главах, это может быть не совсем так. Ученые, участвовавшие в эксперименте, очень хотели, чтобы потомки воспринимали их как первых исследователей, доказавших правоту теории относительности. Но, как показали историки науки Джон Иэрман и Кларк Глаймур, приведенные тогда свидетельства правоты Эйнштейна были совершенно недостаточными. И тут сразу возникает вопрос: почему научное сообщество с такой готовностью приняло экспериментальные «доказательства», которые таковыми по сути не являлись?