Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 199

Компьютерра

11.11.2013 - 17.11.2013

Колонка

Была ли общая теория относительности подтверждена в 1919 году

Дмитрий Вибе

Опубликовано 17 ноября 2013

Начало ноября 2013 года ознаменовалось солнечным затмением, полоса которого пересекла Атлантику и ступила на африканский континент на территории Габона, незадолго перед этим пройдя к югу от островов Сан-Томе и Принсипи. В силу труднодоступности полосы для европейцев особого внимания это затмение к себе не привлекло, однако напомнило о другом, намного более интересном затмении, случившемся 29 мая 1919 года. Его полоса пересекла Южную Америку и Атлантический океан, а затем также прошла по Гвинейскому заливу и Центральной Африке. Наблюдения этого затмения в Бразилии и на острове Принсипи вошли в историю как первое экспериментальное подтверждение общей теории относительности Эйнштейна.

История началась в 1801 году, когда немецкий астроном Иоганн фон Зольднер, опираясь на корпускулярную теорию света, рассчитал, как будут двигаться в поле тяготения Солнца световые частицы, приходящие из бесконечности. Согласно ньютоновской теории гравитации, такие частицы движутся по гиперболическим орбитам. Конечный итог их пролёта у Солнца состоит в отклонении от первоначальной траектории на угол, величина которого зависит от расстояния до светила и у самой поверхности Солнца составляет 0,87 угловой секунды (сам Зольднер получил менее точное значение — 0,84"). Столетием позже, точнее, в 1915 году, Альберт Эйнштейн, опираясь на общую теорию относительности (ОТО), вывел вдвое большее значение отклонения.

Искривление световых лучей приводит к тому, что Солнце в процессе своего видимого годичного перемещения по небосводу немного искажает видимое положение звёзд. Величина искажения максимальна у самого Солнца и быстро падает с удалением от него. Измерив кажущиеся смещения звёзд, можно сделать вывод о том, кто прав — Зольднер или Эйнштейн, — тем самым проверив или опровергнув ОТО. Сдвиг у самого Солнца не так уж мал; астрометристы уже в XIX веке умели измерять значительно меньшие смещения, но только на ночном небе. Как измерить положения звёзд вплотную к Солнцу?

Такую возможность предоставляют полные солнечные затмения. Правда, у затмений есть, как минимум, пара недостатков. Во-первых, они происходят весьма редко, во-вторых, полная фаза видна с весьма ограниченной части земной поверхности. История знает множество примеров, когда кратковременная непогода или даже одно крохотное облачко сводили на нет многомесячные усилия по подготовке экспедиции в полосу полного затмения. Добавьте к этому чисто технические сложности проведения качественных наблюдений не в оборудованной обсерватории, а на малоприспособленной площадке.

Тем не менее затмение 1919 года стоило риска. Оно было очень длительным (с продолжительностью полной фазы больше 7 минут) и к тому же происходило вблизи рассеянного звёздного скопления Гиады, то есть для измерений было доступно много относительно ярких звёзд. Поэтому Великобритания решила снарядить даже не одну, а две экспедиции, хотя подготовка к ним шла в особо сложных условиях — в Европе, только что прошедшей через большую войну, к тому же для проверки теории, выдвинутой германским учёным.

Поначалу экспедиции вообще оказались под угрозой срыва, поскольку почти все нужные специалисты либо работали в военной промышленности, либо были призваны в армию. К ноябрю 1918 года в Королевской Гринвичской обсерватории не оказалось даже плотника, который мог бы упаковать экспедиционное оборудование. Но потом всё как-то устроилось. Организаторы экспедиции Ф. Дайсон и А. Эддингтон решили послать наблюдателей в город Собрал на севере Бразилии и на остров Принсипи у берегов Африки. В каждую экспедицию отправлялось по 13-дюймовому телескопу-астрографу. В Собрал, кроме того, отправили небольшой инструмент с 4-дюймовым объективом.

Телескопы в Собрале (Бразилия). Слева в круглой трубе — 13-дюймовый астрограф, справа в трубе квадратного сечения — 4-дюймовый вспомогательный телескоп. Свет Солнца направляется в неподвижно закреплённые телескопы при помощи специальных подвижных зеркал — целостатов.

Погода в Собрале не подвела, но снимки, полученные на «основном» телескопе-астрографе, оказались очень нерезкими: наблюдатели не угадали с фокусировкой — точнее, не учли, что она зависит от температуры. На острове Принсипи, где экспедицией руководил сам Эддингтон, подкачала погода: Солнце и окружающие его звёзды начали проглядывать лишь к самому концу затмения (через 10 минут после его окончания небо полностью расчистилось). Для измерений оказались пригодными лишь две пластинки с пятью звёздами на каждой. Хорошие изображения были получены только на «вспомогательном» 4-дюймовом телескопе в Собрале.

Не удивительно, что такое несчастливое стечение обстоятельств привело к довольно противоречивым результатам. Пластинки, полученные на расфокусированном астрографе в Собрале, дали отклонение 0,93 угловой секунды (величина, приведённая к краю солнечного диска), формально близко к ньютоновскому отклонению, но с неясным значением ошибки. Результат астрографа в Принсипи оказался ближе к эйнштейновскому предсказанию — 1,61" со стандартным отклонением 0,45". Наконец, маленький телескоп в Собрале отработал лучше всех, обеспечив наименьшее значение ошибки. Его результат — 1,98" плюс-минус 0,18". По совокупности обстоятельств и чисел организаторы экспедиции пришли к выводу, что результаты измерений подтверждают предсказания ОТО и не согласуются с ньютоновскими предсказаниями, о чём и доложили Королевскому обществу 6 ноября 1919 года.

Поначалу результат английских экспедиций казался триумфом и в газетах представлялся исключительно как полнейшая революция в науке. Однако со временем всё популярнее становились критические замечания в адрес Эддингтона и его коллег, причём не только со стороны записных противников ОТО. Например, С. Хокинг в книге «Краткая история времени» написал: «Результат англичан был либо чистым везением, либо тем нередким в науке случаем, когда получают то, что хотелось получить». Д. Сиама в книге «Физические принципы общей теории относительности» также намекает на то, что участники экспедиции находились под влиянием знания «правильного» результата.

Что уж говорить о менее лояльных критиках! В основном Дайсону, Эддингтону и Ко вменяют в вину три деяния. Во-первых, отбрасывание неугодных результатов с астрографа в Собрале, который, согласно анализу тех лет, дал примерно ньютоновское отклонение. Во-вторых, ограничение возможных результатов всего тремя вариантами: отклонение нулевое, ньютоновское, эйнштейновское. Поэтому результат 4-дюймового телескопа был сочтён подтверждением ОТО, хотя формально значение для ОТО (1,75") отличается от измеренного (1,98") больше чем на одно стандартное отклонение. В-третьих, Дайсон и Эддингтон якобы продуманной пиар-кампанией подготовили прессу к тому, чтобы она заурядный и не особенно убедительный результат подала как триумф.

Но что значит «отбросили неугодный результат»? Они же не разбили пластинки, чтобы скрыть их от общественности. Все обстоятельства и все измерения подробно описаны в статье Дайсона с соавторами, посвящённой результатам экспедиций. Авторы сочли результаты астрографа в Собрале недостоверными? Это их право, при условии что они не утаили эти результаты и объяснили причины их исключения из анализа. Больше того, пластинки из Собрала сохранились и в 1979 году были повторно измерены с использованием более современной техники. И что вы думаете? Для пластинок с бразильского астрографа был получен результат 1,55" плюс-минус 0,34".

О том, что возможно более трёх вариантов результата, Дайсон и др. сами пишут в уже упомянутой статье: «Наряду с возможными сюрпризами, по-видимому, есть три альтернативы». Да, они называют дополнительные варианты сюрпризами, но они ведь именно таковыми и были бы. При этом, чтобы стать сюрпризом, результат должен отличаться от предсказания как минимум на три сигмы, а не на одну.

Обвинения же в пиаре по нынешним временам и вовсе смотрятся наивно. Теперь любая мелочь часто преподносится как результат, переворачивающий основы науки.

Но в итоге-то что получается? Подтвердили английские экспедиции теорию относительности или нет? Судя по всем результатам, включая позднюю переобработку, таки да. Конечно, хотелось бы более убедительных измерений, но, к слову сказать, попытки измерить отклонение света вблизи Солнца во время затмений и в дальнейшем особого успеха не имели: не хватало звёзд, не везло с погодой… А потом и интерес поугас, так как нашлось множество других способов проверки ОТО, не связанных с подобными рисками.