Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас Страница 12

Когда на следующий день лондонская газета «Таймс» подробно рассказала об этом под заголовком «Революция в науке», Эйнштейн мгновенно стал звездой. То же произошло и по другую сторону Атлантического океана, когда 10 ноября газета «Нью-Йорк Таймс» по недоразумению объявила: «В небе все лучи летят криво». Германии потребовалось больше времени для признания его заслуг.

Но 14 декабря Берлинская иллюстрированная газета[56] опубликовала большой портрет Эйнштейна и статью, где ученого назвали «новой величиной в мировой истории» и сравнивали с Коперником, Кеплером и Ньютоном. Известность Эйнштейна быстро росла, скоро он уже не мог прочесть всю направляемую ему корреспонденцию, и год спустя написал Марселю Гроссману:

Правда, погрешности измерений Эддингтона все еще были велики, но постепенно данные становились все лучше и лучше. Так как положение далеких радиогалактик стало точно известно, отклонение света было определено с точностью 0,1 процента. Радиотелескопы всего мира, работая сообща, могут измерять даже угол отклонения, составляющий всего 0,004 угловых секунды, они подтвердили предсказания общей теории относительности с точностью до 0,002 процента с помощью более чем 500 радиоисточников. Астрометрические спутники, которые точно определяют положение звезд, тоже пригодились: в 1997 году оценка данных европейского спутника Hipparcos[57] показала совпадение с погрешностью всего 0,3 процента. А новый телескоп «Гайя»[58], запущенный в 2013 году, вскоре улучшил этот результат еще в сотню раз.

Как установил радиоастроном Ирвин Шапиро[59]в 1964 году, существует эффект отклонения электромагнитного излучения, передающегося между Землей и целью, расположенной за Солнцем, недалеко от его края. С излучением происходит то же самое, что и с лучами звезд. Например, с радиолокационным эхом от Меркурия или Венеры, а также при радиосвязи между Землей и зондами, улетевшими далеко от нее.

Поскольку эти радиоволны искривляет гравитационное поле Солнца, они движутся немного дольше, чем если бы искривления пространства-времени не было. Измерения этой временной задержки (эффекта Шапиро) были сделаны с помощью зонда «Кассини»[60] в 2002 и 2003 годах, когда зонд был на пути к Сатурну и находился на связи с Землей. Его сигналы проходили на расстоянии всего 1,6 радиуса от Солнца. Полученные данные подтвердили теорию относительности с погрешностью до 0,01 процента.

Свет, проходя через искривленное пространство-время, не только отклоняется, но и расщепляется, а иногда даже отражается (в окрестностях черных дыр). Это явление называется «гравитационной линзой», оно создает в небе «призрачные» изображения. Ближняя к наблюдателю галактика влияет на распределение света далекой и древней галактики, которая находится позади нее, так, что дальняя галактика не только кажется ярче, но и иногда зрительно увеличивается вдвое или вчетверо или выглядит как в кривом зеркале.

Радиосигналы могут проникать в гравитационную яму Солнца, когда они проходят близко от его края. Тогда они движутся немного медленнее, чем в неискривленном пространстве-времени.

Массивные объекты, например черная дыра, галактика или скопления галактик, работают как гравитационные линзы: они могут так искривить лучи света звезд или галактик на заднем плане, что в телескоп будет видно множество изображений или даже кольца.

Эддингтон впервые описал эффект гравитационного линзирования в 1920 году. Но Эйнштейн предсказал его еще в 1912-м, до того как закончил работу над общей теорией относительности. В 1936 году он написал статью о принципиальной возможности существования колец, позволяющей наблюдателю увидеть объекты, находящиеся позади других объектов. Но он не верил, что эти призрачные изображения когда-то в самом деле можно будет наблюдать.

Но с 1979 года их даже удалось сфотографировать несколько сотен раз. Астрономы теперь могут использовать этот эффект для определения космических расстояний. В 2014 году с помощью гравитационного линзирования были получены изображения сверхновой звезды, которая находится на расстоянии около 9,3 миллиарда световых лет! Были найдены и так называемые «кольца Эйнштейна», похожие на космические миражи, когда изображение дальней галактики окружает более близкую галактику, «работающую» как рассеивающая линза.

Эффект гравитационной линзы помогает перепроверить общую теорию относительности и получить новые знания. Анализ распределения звезд по скоростям в галактике помогает рассчитать их массу, которые можно сравнить с результатами, полученными с использованием эффекта гравитационного линзирования. Этот метод был впервые использован в 2006 году для исследования 15 эллиптических галактик, и данные подтвердили предсказания теории. Правда, погрешность составила около 10% – такая же была у Эддингтона во время солнечного затмения 1919 года. Но гипотеза Эйнштейна об искривлении пути света под действием гравитации прошла первую проверку в галактических масштабах.

Свободное падение, лазер на Луну и перемешивание меда

Многие другие эксперименты подтвердили предсказания общей теории относительности с впечатляющей точностью.

Особенно это касалось его «самой счастливой мысли» о равенстве гравитационной и инертной массы. Этот принцип не только указал путь к общей теории относительности, но и оказался неожиданно сложным. Существовало три варианта.

Слабый принцип эквивалентности[61] означает универсальность свободного падения: тела падают в гравитационном поле с одинаковым ускорением независимо от их массы, состава и внутренней структуры, если пренебречь электромагнитными воздействиями и приливными эффектами. Физик Лоранд Этвеш[62] смог подтвердить это с точностью лучшей, чем 1 на 100 миллионов еще в 1890 году, но Эйнштейн узнал об этом только в 1912 году, через пять лет после того, как сформулировал принцип эквивалентности. Затем последовали другие эксперименты, которые подтверждали этот принцип, со все большей степенью точности. Например, измерения расстояния между Землей и Луной подтвердили его с погрешностью одна триллионная. В ходе так называемых «экспериментов с лунным лазерным дальномером» лучи лазера направлялись с Земли на отражатели, установленные астронавтами миссий «Аполлон» 11, 14 и 15 на Луне (а также – на два зеркала аппаратов «Луноход»), и отражались от них. При этом расстояние до Луны можно было измерить с точностью до миллиметра (ежегодно среднее расстояние увеличивается примерно на 3,8 сантиметра из-за приливного взаимодействия). Без теории относительности эти данные невозможно объяснить. Эксперименты по падению на Землю, проведенные группой «Эт-Ваш» под руководством Эрика Адельбергера из Вашингтонского университета в Сиэтле, были еще более точны. Группа названа в честь барона фон Этвеша, ставившего первые подобные эксперименты в начале XX