Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Ученый почувствовал невероятное облегчение, когда применил свою теорию для расчета прецессии перигелия Меркурия и она наконец объяснила то малюсенькое несоответствие расчетных данных и наблюдений, которое так долго никто не мог понять. Из-за углубления, образованного Солнцем на огромной простыне пространства-времени, длина окружности орбиты Меркурия казалась короче. Эллиптическая орбита Меркурия прецессировала немного быстрее, чем ожидалось ранее. Эйнштейн “несколько дней был вне себя от радости”. Его сердце колотилось, как отбойный молоток. Ньютон потерпел поражение, хотя еще и не окончательное [54].
Для того чтобы новая теория стала общепризнанной, ей совершенно недостаточно быть внутренне непротиворечивой и казаться логичной. Каждая теория должна подтверждаться экспериментами и реальной жизнью. Это немного похоже на возведение в чин святых католической церковью: после своей смерти кандидат в святые должен совершить два загробных чуда. Одного чуда достаточно лишь для причисления к лику блаженных.
Первым чудом, которое привело к победе теории, было то, что Эйнштейн нашел объяснение странной прецессии перигелия Меркурия. Но триумф теории был еще впереди. Следующее чудо, совершенное Эйнштейном, тоже оказалось связано со свойствами света.
Экспедиция во тьму
Зрение имеет для нас, людей, фундаментальное значение: оно позволяет нам сориентироваться и увидеть своими глазами, что данный факт действительно имеет (или не имеет) место. Особенно важно зрение для астрономов: оно дает возможность обнаруживать и воочию наблюдать объекты, от нас далекие. Большинству людей нужно сначала увидеть тот или иной предмет – только тогда они поверят, что этот предмет существует. Как говорится, “пока не увижу – не поверю”, и это справедливо.
Увидеть невозможно без света. Но иногда, чтобы лучше разглядеть суть вещей, нам, напротив, требуется темнота. Это и было продемонстрировано в ходе экспедиции для наблюдения затмения – вероятно, самого известного солнечного затмения в истории современной физики, – случившегося 29 мая 1919 года. Во время научной командировки физик Артур Эддингтон, желая проверить общую теорию относительности Эйнштейна [55], решил показать, что свет звезд отклоняется Солнцем. Здесь особенно стоит отметить, что Эддингтон был британцем, а его эксперимент помог бы прославиться выходцу из Германии Альберту Эйнштейну. Незаурядный поступок, если учесть многолетнюю вражду между державами Антанты и Германским рейхом и то, что Первая мировая война закончилась всего несколько месяцев назад. Эта экспедиция потребовала необычайного мужества, и она воистину достойна занять важное место в истории физики.
Согласно общей теории относительности массивное Солнце искривляет окружающее его пространство-время [56], а это означает, что Солнце отклоняет лучи света, идущие от небесных тел, находящихся позади него. Это может показаться странным, но звезды, которые расположены близко к Солнцу, если смотреть на них с Земли, будут выглядеть так, словно они смещены немного в сторону. Все гадали: выдержит ли безупречная с математической точки зрения теория Эйнштейна проверку в ходе эксперимента? Чтобы найти ответ, астрономам понадобилось ждать полного солнечного затмения, так как днем, когда светит Солнце, мы не видим звезд, а ночью, наоборот, не видим Солнца.
Эддингтон сел на корабль в 1919 году. Он планировал измерить отклонение света, предсказанное теорией Эйнштейна, на вулканическом острове Принсипи, расположенном вблизи западноафриканского побережья. Британский королевский астроном Фрэнк Уотсон Дайсон, готовивший экспедицию вместе с Эддингтоном, отправил вторую группу в Бразилию. В мае Солнце находилось рядом со звездным скоплением Гиады и условия наблюдения света от них были почти идеальными. Эддингтон, сам блестящий математик, к этому времени уже ставший сторонником общей теории относительности Эйнштейна, в нетерпении потирал руки.
 
Луна должна была закрыть Солнце более чем на пять минут. Но утром важнейшего для Эддингтона дня пошел дождь, и он занервничал. Находитесь ли вы в море или наблюдаете звезды в телескоп, вы в руках Божьих, по крайней мере, когда дело касается погоды. Однако как раз перед началом солнечного затмения небо расчистилось! Тень Луны накрыла наблюдателей, и все погрузилось во тьму. Сейчас или никогда! Они лихорадочно отсняли шестнадцать фотопластинок, из которых, как оказалось впоследствии, только две содержали пригодные для использования данные. Перед поездкой ученые уже получили контрольное изображение неба без Солнца. Тем временем металлический корпус телескопа их коллег в Бразилии деформировался под действием яркого солнечного света.
Вернувшись домой, ученые несколько месяцев занимались анализом данных. И вот наконец долгожданный прорыв: они обнаружили, что звезды на фотопластинке действительно сместились – ровно на две сотые миллиметра. В пределах ошибки измерения это значение полностью соответствовало теоретическому предсказанию Эйнштейна. Исследователи получили доказательства искривления света!
“ВСЕ СВЕТОВЫЕ ЛУЧИ В НЕБЕ ИСКАЖЕНЫ – триумф теории Эйнштейна”, – гласил заголовок статьи в “Нью-Йорк Таймс”. Эти измерения, ставшие вторым чудом, совершенным великой теорией Эйнштейна, в одночасье сделали его научной суперзвездой. И та двойная экспедиция до сих пор служит хрестоматийным образцом идеального взаимодействия теории и практики. Пример сотрудничества, не признающего национальных рамок, стал не просто четким сигналом, посланным международному научному сообществу после Первой мировой войны, – это был момент объединяющей радости и гордости, который, невзирая на ужасы недавнего кровопролития, смогли разделить в равной мере и друзья, и враги.
Как ни странно, сам королевский астроном Дайсон уже сфотографировал аналогичное солнечное затмение в 1900 году, и эти звезды можно увидеть на его фотопластинках. Однако в то время астрономы при анализе данных искали таинственную планету Вулкан, и потому никто не обратил внимания на слегка сдвинувшиеся звезды. В итоге ответ на ключевой вопрос долгие годы лежал в архиве. А ведь эти снимки были получены еще до того, как Эйнштейн начал формулировать специальную и общую теории относительности! История с Дайсоном показывает, насколько это важно – построить убедительную теорию и задать правильные вопросы!
Экспедиция стала успешной для Эддингтона и триумфальной для Эйнштейна. Когда в ноябре 1919 года Эддингтон презентовал свои открытия в Лондоне, у общей теории относительности было еще не так много сторонников. Физики постарше давно уже относились к выскочке Эйнштейну с подозрением, а некоторые из них вообще были не в состоянии понять его идеи. Эддингтон был одним из немногих, кто сумел в них разобраться. Говорят, что когда его спросили, правда ли, что только три человека в мире поняли теорию Эйнштейна, он ответил вопросом: “А кто третий?”
Астрономические наблюдения придали теории Эйнштейна солидности, и мы до сих пор пользуемся ее результатами в нашей повседневной жизни. Эта теория предсказала еще и изменение времени в результате искривления пространства-времени. Говоря попросту, если свет распространяется в искривленном пространстве, то он, естественно, должен пройти большее расстояние. Но если скорость света остается постоянной, то время должно увеличиться. Световые волны растянутся, и период их колебаний станет больше. На Земле время течет медленнее, чем в космосе.
Когда в 1977 году в космос были запущены первые американские спутники Глобальной системы позиционирования (GPS), предполагалось, что они произведут революцию в навигации на Земле. В них помещались очень точные часы, сигналы времени от которых передавались на поверхность Земли по радио. Планируя проекты, физики указали разработчикам, что, согласно теории Эйнштейна, часы в космосе будут идти быстрее, потому что Земля искривляет пространство-время.