Первый свидетель в пользу общей теории относительности

В основных чертах общая теория относительности сло­жилась уже к 1916 г. Это было основанное главным образом на логических рассуждениях математически строгое и гар­моничное учение, которое не имело ни одного опытного или наблюдательного подтверждения. Последние, однако, не заставили себя долго ждать.
Уже в частной теории относительности выяснилось, что энергии всегда соответствует инертная масса. Из принципа эквивалентности следует, что с энергией связана и тяжелая масса — ведь инертная и тяжелая масса всегда равны. На­пример, свет несет определенную энергию, а значит, ему присуща и тяжелая масса. Гравитационная сила должна оказывать воздействие на распространение света. По этой причине можно ожидать, что движущийся в мировом про­странстве луч света будет отклоняться в сторону больших масс. Вычисления, которые Эйнштейн проделал в 1911 г., показали, что отклонение луча света под воздействием не­бесных тел в общем должно быть чрезвычайно малым; за­метным оно может быть только тогда, когда луч света прой­дет очень близко от звезды с большой массой. Рассмотрим, например, Солнце. Диаметр Солнца равен 1,4 млн. км. Это значит, что, проходя мимо Солнца, луч света будет нахо­диться около 5 сек в непосредственной близости к нему, где притяжение особенно велико. Вычисления Эйнштей­на показали, что отклонение луча света, прошедшего мимо Солнца, должно быть немногим меньше одной угло­вой секунды.

В основных чертах общая теория относительности сло­жилась уже к 1916 г. Это было основанное главным образом на логических рассуждениях математически строгое и гар­моничное учение, которое не имело ни одного опытного или наблюдательного подтверждения. Последние, однако, не заставили себя долго ждать.
Уже в частной теории относительности выяснилось, что энергии всегда соответствует инертная масса. Из принципа эквивалентности следует, что с энергией связана и тяжелая масса — ведь инертная и тяжелая масса всегда равны. На­пример, свет несет определенную энергию, а значит, ему присуща и тяжелая масса. Гравитационная сила должна оказывать воздействие на распространение света. По этой причине можно ожидать, что движущийся в мировом про­странстве луч света будет отклоняться в сторону больших масс. Вычисления, которые Эйнштейн проделал в 1911 г., показали, что отклонение луча света под воздействием не­бесных тел в общем должно быть чрезвычайно малым; за­метным оно может быть только тогда, когда луч света прой­дет очень близко от звезды с большой массой. Рассмотрим, например, Солнце. Диаметр Солнца равен 1,4 млн. км. Это значит, что, проходя мимо Солнца, луч света будет нахо­диться около 5 сек в непосредственной близости к нему, где притяжение особенно велико. Вычисления Эйнштей­на показали, что отклонение луча света, прошедшего мимо Солнца, должно быть немногим меньше одной угло­вой секунды.
 
Искривление светово­го луча при прохождении ми­мо Солнца
Рис. 53. Искривление светово­го луча при прохождении ми­мо Солнца. Угол искривления а на рисунке значительно уве­личен, на самом деле он дол­жен быть меньше 1,75 секунды дуги
 
Дальнейшие исследования дополнили первоначальную картину. В 1915 г. Эйнштейн показал, что благодаря искри­вленности пространства вблизи Солнца отклонение луча света, проходящего мимо Солнца, должно быть больше наи­денного вначале, а именно: 1,75 r0/r секунды дуги, где r0 — радиус Солнца и r — расстояние проходящего луча света от центра Солнца. Отклонение света, проходящего точно по краю солнечного диска, должно, следовательно, равняться 1,75 секунды дуги. Для других тел нашей Сол­нечной системы этот угол значительно меньше. Вычисления показывают, что Луна может изогнуть проходящий возле нее луч света не более чем на 0,00003 секунды дуги, а наи­большая планета — Юпитер — на 0,016 секунды дуги. Это очень маленькие величины, поэтому предсказанное Эйн­штейном искривление луча света практически можно обна­ружить только вблизи Солнца.
В принципе этот опыт не очень сложный: нужно наблюдать лучи света от неподвижных звезд, которые проходят очень близко к Солнцу. Искривление луча света в сторону Солнца будет наблюдаться как видимое удаление звезды от Солнца. Это нетрудно понять из рис. 53. Мы видим звезду в том направлении, откуда при­ходит луч света, попавший в глаз. Значит, наблюдатель увидит звезду не там, где она действительно находится (пусть это положение T), а в другом положении Т\’.
В обычных условиях мы не можем наблюдать звез­ды, находящиеся вблизи солнечного диска, так как они в ослепительном сиянии Солнца не видны. Иное положе­ние во время полного солнечного затмения, когда Луна закрывает солнечный диск и па темном небосводе появ­ляются звезды. Полное затмение длится недолго (всего несколько минут). За это время, однако, можно успеть сфотографировать звездное небо вокруг Солнца. Через несколько месяцев, когда Солнце переместится на небо­своде в другие созвездия и интересующие нас звезды можно наблюдать уже ночью, их можно сфотографиро­вать. Сравнив эти фотографии, можно установить, дей­ствительно ли отклонялись лучи света, проходившие мимо Солнца. Если на обеих фотографиях звезды будут расположены в одних и тех же местах, это будет озна­чать, что Солнце не оказало никакого влияния на лучи света. Если же на фотографии, полученной во время сол­нечного затмения, звезды будут находиться в смещенном от солнечного диска положении, то это будет служить подтверждением  предсказанного  Эйнштейном  эффекта.
В этом случае по величине смещения звезд на фотогра­фии можно будет вычислить угол а, на который луч све­та, проходя мимо Солнца, отклонился в сторону.
Таким образом, луч света должен был стать пробным камнем общей теории относительности. Если, например, при измерении выяснилось бы, что в действительности луч света, проходя вблизи Солнца, не искривляется, то сразу же была бы опровергнута вся общая теория относи­тельности.
Такие опыты собирались провести уже во время пол­ного солнечного затмения 21 августа 1914 г., когда тень от Луны должна была пройти по Скандинавии и России до Крымского полуострова. К сожалению, 1 августа 1914 г. началась первая мировая война, положившая конец вся­ким научным экспедициям. Наблюдение не удалось про­вести и в конце войны (во время затмения 8 июня 1918г.). Война все отодвигала проверку общей теории относитель­ности. Между тем уже выяснилось, что движение планеты Меркурий подтверждает теорию Эйнштейна, но это откры­тие убедило немногих. Основные надежды по-прежнему возлагали на опыт по отклонению луча света, проходяще­го вблизи Солнца.
Спустя полгода после окончания войны, 29 мая 1919 г., ожидалось полное солнечное затмение, на этот раз особен­но благоприятное, так как Солнце находилось во время затмения в области неба, очень богатой звездами. Для наб­людений этого затмения англичане послали две экспеди­ции: одну в Бразилию, другую — на остров Принсип у побережья Западной Африки. Обеим группам посчастли­вилось во время затмения сделать хорошие снимки. По­следовало тщательное изучение фотопластинок. Один миллиметр смещения изображения звезды на пластинке соответствовал искривлению луча света на 60 секунд дуги. Отсюда видно, какие тонкие измерения пришлось прове­сти, чтобы обнаружить более чем в тридцать раз мень­шее отклонение. По снимку, сделанному на острове Принсип, получалось, что искривление луча света, прошедше­го мимо края солнечного диска, находится в пределах от 1,31 до 1,91 секунды дуги. По снимкам, сделанным в Бра­зилии, оказалось, что искривление луча света находится в пределах от 1,86 до 2,10 секунды дуги. Хотя эти резуль­таты полностью не совпадали, однако они были довольно близки к предсказанным теоретическим значениям — 1,75 секунды дуги. Таким образом, общая теория относительности получила опытное подтверждение.
Техника эксперимента совершенствовалась. 21 сен­тября 1922 г. в Австралии солнечное затмение наблюдала американская экспедиция, которая установила, что вели­чина отклонения луча света лежит в пределах от 1,66 до 1,84 секунды дуги (предсказанное Эйнштейном значение лежит как раз посередине между этими двумя значения­ми). Следует отметить, что участникам экспедиции уда­лось измерить также искривление таких световых лучей, которые проходили несколько дальше от солнечного дис­ка. Отклонение этих лучей было меньше именно настоль­ко, насколько предсказывала теория относительности. Это было блестящим подтверждением теории. Более поздние измерения также не обнаружили здесь противоречия. По снимкам, сделанным 25 февраля 1952 г., угол отклонения луча света оказался равным 1,70 секунды дуги. Это не­сколько меньше значения, предсказанного Эйнштейном, но нужно иметь в виду, что ошибка этих измерений могла доходить до 0,10 секунды дуги. Таким образом, согласно современным данным, в пределах ошибок измерения най­денное отклонение света совпадает с предсказанием теории.
Интересно отметить, что измерение отклонения света является непосредственным подтверждением искривлен­ности пространства вблизи Солнца, так как из теории следует, что для плоского пространства угол отклонения света должен быть меньше одной секунды дуги.
Когда в свое время по вычислениям Леверье открыли новую планету Нептун, это явилось триумфом теории тя­готения Ньютона. Прекрасное согласие реального откло­нения света с предсказанным общей теорией относитель­ности представляется еще более поразительным. Леверье опирался в своих расчетах на открытый за полтораста лет до него закон тяготения, который к тому времени нашел уже неоднократное подтверждение в движении планет. Эйнштейн же создал совершенно новую теорию, которая не могла поначалу опереться ни на один непосредствен­ный опыт или наблюдение. И первое же из предсказаний теории подтвердилось с удивительной точностью. Может ли быть лучший пример того, каким могучим средством в познании истины природы является человеческое мыш­ление!