Эйнштейн

Математические уравнения рассчитаны. Остается проверить их опытным путем. От ограниченной относительности к общей: скачок вперед, который поможет осуществить только изучение Вселенной.

Большой скачок: выстроить теорию гравитации, применимую также и к свету. Доказать, что сила притяжения воздействует на распространение светового излучения. Воздействие гравитационного поля на свет выражается в отклонении траектории светового излучения в связи с присутствием некой массы. Отклонение светового луча под воздействием гравитационного поля, создаваемого небесным телом, — вот что утверждал Эйнштейн.

Гравитационное поле воздействует на инертные тела. Сила тяжести, притягивающая человека к Земле, воздействует на движущиеся тела. Ньютон это доказал. Но, по Ньютону, сила тяжести никак не действует на световое излучение. Эйнштейн хотел доказать, что некая масса, отстоящая на несколько тысяч километров, может отклонить световой луч — корпускулярную волну, распространяющуюся со скоростью 300 тысяч км/с. Его предположение означало, что положение видимых небесных тел не «абсолютно»: оно складывается из местонахождения тела в определенный момент его движения и воздействия гравитационного поля. Это воздействие изменяет траекторию светового луча и «искажает» наше зрительное восприятие и определение нами положения небесного тела. Во Вселенной тоже нет ничего абсолютного. По Эйнштейну, небесные тела, наблюдаемые в телескоп, движение планет — всё это оптический «обман», ни в коей мере не соответствующий реальному движению звезды или ее положению.

Короче говоря, если обобщение релятивистской теории истинно, тогда некая гигантская масса излучает поле, воздействующее на движущееся тело. Проблема в том, чтобы понять, каким образом масса излучает поле, какого рода волнами она отклоняет свет. Выражается ли гравитационное поле в «гравитационных волнах»? Существуют ли волны, излучаемые солнечной массой, которые искажают траекторию света звезд? Если теория Эйнштейна верна, они существуют. Они «излучаются» всеми телами в мире. Значит, их можно улавливать. Но если они оказывают ничтожно малое воздействие (в доли секунды) на огромные скорости, значит, они одновременно малочисленны и трудно улавливаемы. Этот вопрос, поставленный позже открытием Эйнштейна, и сегодня бросает вызов современной науке. Как уловить «гравитационные волны»? В Италии построили огромные одномерные датчики для их измерения. Ничего не удалось записать до сих пор. И всё же эти волны существуют [51] . Европейское космическое агентство собирается запустить в космос огромный датчик с единственной целью: сделать запись хотя бы одной гравитационной волны [52] . Альберт по-прежнему держит в напряжении умы…

51

Впервые косвенные свидетельства существования гравитационных волн были обнаружены учеными из Принстонского университета Расселом Халсом и Джозефом Тейлором при наблюдении двойного пульсара PSR В1913+16. За данное исследование Халс и Тейлор получили в 1993 году Нобелевскую премию по физике. Однако прямых свидетельств существования гравитационных волн пока не получено.

52

В 2001 году Европейское космическое агентство вместе с НАСА начало разработку космической системы LISA для поиска гравитационных волн. Однако в 2011 году НАСА объявило о своем выходе из программы, после чего постройка и запуск LISA были отложены на неопределенный срок.

В 1910-х годах Эйнштейн хотел просто подтвердить свою общую теорию. Отклонение солнечного луча, пришедшего из космоса, под воздействием некой массы. Воздействие силы притяжения на свет.

В процессе поисков будет разрешена загадка, не дававшая покоя физикам со времен Кеплера. Эта тайна занимала Ньютона всю его жизнь: секрет, заключенный в орбите Меркурия. Вопрос о смещении перигелия [53] этой планеты.

В начале XVII века великий физик Кеплер описал орбиту Меркурия как эллипс. Но вот необъяснимая странность: орбита не вполне эллиптическая. В конце каждого оборота планета не возвращается в «исходную» точку. При каждом обороте точка перигелия смещается.

53

Перигелий — точка на эллиптической орбите, в которой планета ближе всего к Солнцу.

И Ньютон исследовал движение Меркурия, смещение перигелия.

Астрономы измерили «опережение» в 1,38 дуговой секунды при каждом обращении.

Чтобы объяснить это смещение, Ньютон опирался на собственную теорию гравитации. Она основывалась на том, что одни тела притягивают другие с силой, обратно пропорциональной расстоянию между ними и прямо пропорциональной их массе. Ньютон выдвинул гипотезу о том, что Юпитер, самая большая из планет, воздействует своей массой на Меркурий, одну из самых маленьких планет Солнечной системы. Юпитер «притягивает» к себе Меркурий при каждом обращении вокруг Солнца, вот почему перигелий смещается.

Ньютон произвел свои расчеты.

Эйнштейн знал приблизительную массу каждой планеты. В ответе уравнения получилось смещение в 1,28 секунды при каждом обороте. Но астрономы говорили о 1,38 секунды. Оставалась разница в 0,1 секунды. Цифра может показаться смешной, но в масштабе Вселенной разница громадная, способная потрясти основы ньютоновской теории. Ньютон заблуждался. Ни он, ни один из его современников или последователей не объяснили этой погрешности в расчетах.

Ньютон даже предположить себе не мог, что свет может подвергаться воздействию силы тяжести. Свет — не яблоко.

У многих поколений астрономов и физиков голова шла кругом от орбиты Меркурия. В 1910 году было отмечено, что отклонение света вблизи Солнца составляет 0,84 дуговой секунды, но никто не мог объяснить почему. В 1914–1915 годах Эйнштейн заново провел свои расчеты в свете новой теории и наконец дал ответ: свет тожеподвержен воздействию гравитационного поля.

Дав революционное объяснение опережению перигелия Меркурия, он привел величину отклонения, которой теперь следовало ожидать. Свет, проходящий по краю Солнца, должен отклоняться под углом в 1,75 секунды под воздействием притяжения этого небесного тела.

Но его релятивистскую теорию гравитации можно доказать только опытным путем, путем «наблюдений». Свет, излучаемый Солнцем, — словно лаборатория «в полный рост», где можно проводить измерения. Доказательство отклонения световых лучей гравитационным полем Солнца станет определяющим для того, чтобы разделить теорию Ньютона и теорию Эйнштейна. Абсолютное и относительное.

Судя по массе Солнца, оно обладает гигантским гравитационным полем. Это поле позволяет ему притягивать к себе планеты Солнечной системы обратно пропорционально квадрату расстояния между ними и их весу. Солнце притягивает планеты. Если Эйнштейн прав, масса Солнца будет также воздействовать на свет, изгибать его, искажать. Любой световой луч, посланный звездой, отклонится от заданной траектории, проходя мимо Солнца. Видимое положение звезды отличается от того, каким оно казалось бы в отсутствие солнечной массы.

Отклонение достигает максимальной величины, когда луч света проходит вблизи Солнца, и уменьшается с расстоянием. Но свет Солнца ослепляет и не позволяет произвести замеры. Только во время затмения сияние светила будет приглушено и можно будет разглядеть ближайшие к краю диска звезды.

Смещение положения видимых звезд будет бесконечно малым. И всё же будет возможно сравнить фотографию, сделанную во время затмения, с другим снимком, снятым позже, вне присутствия Солнца. Изменение положения звезд на двух снимках позволило бы подтвердить эффект присутствия солнечной массы, воздействие гравитации на свет.

Иначе говоря, отклонение света гравитационным полем может стать очевидным и быть измерено. «Достаточно» будет изменить видимое изменение положения звезды между первым снимком (во время затмения) и вторым (вдали от затмения).

Молодой немецкий астроном Эрвин Фрейндлих, младший сотрудник Берлинской обсерватории, был заворожен гипотезой Эйнштейна. Он захотел стать тем человеком, который докажет этот тезис и совершит переворот в науке. В июле 1914 года он отправился в экспедицию из Берлина к Северному полюсу. Но планы отчаянного астронома были сорваны продвижением русской армии к немецкой границе.

К 1917 году теории Эйнштейна снискали международную известность. Ставка была высока. Подтверждение этих принципов отменило бы ньютоновский закон всемирного тяготения. Берлинские ученые пытаются предотвратить поражение в войне, которое стало неминуемым после вступления в нее США. Жители Берлина испытывают лишения. Всюду нищета. Соединенное Королевство, хотя и участвует в войне, всё же пострадало меньше остальной Европы. В Кембридже поняли значение работ Эйнштейна. Там увлечены относительностью. Королевское астрономическое общество, подталкиваемое сэром Фрэнком Дайсоном [54] , решило устроить экспедицию, чтобы проверить теорию Эйнштейна во время большого затмения, которое должно состояться в мае 1919 года. Опыт в масштабах Галактики, основанный на одном-единственном предположении одного человека! Президенту Королевского астрономического общества нужно найти обоснование для колоссальных затрат на столь непредсказуемый опыт, построенный на интуиции кабинетного ученого, к тому же еще и немца. В его представлении, масштабность экспедиции, несомненно, оправдана важностью вопроса, на который даст ответ этот опыт: узнать, подвержен ли свет воздействию гравитации, что имеет фундаментальное значение для исследования Вселенной.

54

Фрэнк Уотсон Дайсон (1868–1939) — английский астроном, в 1910–1933 годах королевский астроном, директор Гринвичской обсерватории. Изучал солнечные затмения, спектр короны и хромосферы. Член Лондонского королевского общества (1901), президент Королевского астрономического общества (1911–1913), президент Британской астрономической ассоциации (1916–1918). Изобрел сигналы проверки времени («шесть писков»), которые стали передаваться по радио ВВС с 5 февраля 1924 года.