Одним из самых выдающихся открытий в физике, вне всякого сомнения, является общая теория относительности А. Эйнштейна. Десять лет, с 1905 по 1915 год понадобилось Эйнштейну, чтобы пройти путь от специальной теории относительности до такого гениального творения, как общая теория относительности. В 1912 году, когда работа над общей теорией была в самом разгаре, он писал своему другу: "Ещё никогда в жизни на мою долю не выпадал такой каторжный труд. По сравнению с этой задачей первоначальная теория относительности - это просто детская забава". Основной побудительной причиной создания общей теории относительности была эстетическая неудовлетворённость Эйнштейна сложившейся к тому времени физической картиной мира. Теория произвела поистине революционный научный переворот. И вместе с тем она вызвала и продолжает вызывать множество споров. В данной статье мы познакомимся не с самой теорией (знакомству с теорией мы посвятим отдельную работу), а с её экспериментальным подтверждением, что, как мне кажется, не менее интересно.

Даже после того, как теория тяготения Эйнштейна получила признание в научном мире, предпринимались попытки построения теории гравитации, основанной на других принципах. Однако всякий раз оказывалось, что именно теория Эйнштейна подтверждается экспериментальными проверками и астрономическими наблюдениями.

Теория тестировалась как прямыми, так и косвенными методами. К косвенным относятся опыты, подтверждающие эвристические (от греч. «эвриско» — «нахожу») принципы, принятые Эйнштейном за основу теории. Это, например, уточнения равенства инертной и гравитационной масс (т.е. принципа эквивалентности), выполненные венгерским физиком Лорандом фон Этвёшем в 1889—1908 гг. и американским исследователем Робертом Дикке в 1964 г. К числу косвенных подтверждений теории Эйнштейна можно причислить и открытое американским астрономом Эдвином Хабблом расширение Вселенной, и обнаруженное его соотечественниками Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном реликтовое излучение, заполняющее Вселенную. И всё же это лишь косвенные аргументы в пользу теории Эйнштейна Так, из принципа эквивалентности не вытекают уравнения Эйнштейна, — напротив, сам принцип является следствием уравнений. Прямые наблюдения подтвердили эффекты, непосредственно связанные с уравнениями поля Эйнштейна.

ДВИЖЕНИЕ ПЕРИГЕЛИЯ МЕРКУРИЯ

Пояснение: перигелием (от греч. «пери» — «около» и «гелиос» — «солнце») орбиты называется точка, в которой небесное тело оказывается ближе всего к Солнцу.

Как только Эйнштейн построил тензорные уравнения гравитационного поля, причём не окончательный, а некий промежуточный вариант, оказавшийся вполне пригодным для решения ряда частных задач, он тут же вычислил с их помощью кривизну пространства-времени, создаваемую Солнцем. Затем с помощью уравнений так называемой геодезической показал, что, в то время как большинство планет должно двигаться практически в полном соответствии с предсказаниями теории Ньютона, в случае Меркурия должно быть вполне поддающееся наблюдению отклонение от этих предсказаний.

Ученым давно было известно, что из-за влияния полей тяготения других планет и по ряду других причин Меркурий движется не просто по эллипсу, а по эллипсу, который сам медленно поворачивается. Это явление называется прецессией перигелия Меркурия. Однако учет всевозможных поправок к ньютонову закону всемирного тяготения не позволил объяснить весь эффект полностью. Оказалось, что эллипс поворачивается приблизительно на 43 угловые секунды в столетие быстрее, чем ему следовало бы исходя из предсказаний откорректированной ньютоновой теории. Так вот, Эйнштейн показал, что из его уравнений следует именно такое отличие от предсказаний теории Ньютона.

Вычисления, выполненные на основе закона тяготения Ньютона, показывают, что суммарное влияние всех известных планет должно приводить к повороту перигелия орбиты Меркурия за столетие на 532″ (угловых секунды). Но ещё в 1859 г. французский астроном Урбен Жан Жозеф Леверье (1811 —1877), наблюдая за движением Меркурия, обнаружил, что фактически этот поворот составляет 575″, т.е. перигелий орбиты Меркурия смещается не так, как предсказывала теория Ньютона.

Хотя расхождение в 43″ и очень маленькая величина, но тем не менее она значительно превосходит возможные погрешности наблюдений. Вначале астрономы, в том числе и Леверье, пытались объяснить это теми же причинами, что и отклонение движения планеты Уран от расчётной орбиты.

Леверье предположил, что между Солнцем и Меркурием тоже существует неизвестная планета. Именно она своим притяжением вызывает аномалию в поведении орбиты Меркурия. Планете дали название Вулкан (в римской мифологии бог пламени). Действительность оказалась совсем не такой, как думал Леверье. Никакой планеты Вулкан никто так и не обнаружил, потому что на самом деле её просто не существует. Не спасли положения и попытки математического уточнения закона тяготения Ньютона. Например, П. Лаплас выдвинул гипотезу о поглощении тяготения в межпланетной среде, введя поправочный коэффициент в закон всемирного тяготения, но сразу же возникали трудности с объяснением движения других планет.

Перигелий орбиты Меркурия смещается не под воздействием невидимого Вулкана — движение ближайшей к Солнцу планеты подчиняется более точному закону тяготения: не ньютонову, а эйнштейновскому.

У Эйнштейна получилось вычислить не только правильное значение прецессии перигелия Меркурия, но и соответствующее наблюдениям направление прецессии. К тому же этот эффект в общей теории относительности возникает совершенно естественно, без всяких ухищрений и подгонки числовых данных для приведения теоретических результатов в соответствие с результатами наблюдений.

Согласно Эйнштейну, наличие больших масс материи приводит к изменению свойств пространства. Описание явления тяготения принципиально меняется. По Ньютону, это движение под действием силы тяготения, по Эйнштейну, это свободное движение тел в искривлённом пространстве-времени. Загадка движения Меркурия находит при этом естественное объяснение — ведь Меркурий, находясь ближе к Солнцу, чем другие планеты, движется в гораздо более сильном гравитационном поле.

Но Эйнштейн на этом не остановился. Он вычислил ещё и величину гравитационного красного смещения, испытываемого светом на пути от Солнца к Земле, а также величину отклонения лучей света, проходящих вблизи поверхности Солнца, вызванного его гравитационным полем.

ИСКРИВЛЕНИЕ СВЕТОВОГО ЛУЧА ВБЛИЗИ БОЛЬШИХ МАСС

Искривление светового луча вблизи больших гравитационных масс

Если смотреть на звезду с помощью зеркала, как показано на рисунке (А), то изображение звезды будет смещено в направлении, указанном пунктирной линией. Нечто похожее имеет место и на рисунке (Б): из-за отклонения Солнцем луча света, идущего от звезды, она кажется смещенной в направлении, указанном пунктирной линией. Наблюдатель в точке P находится в отбрасываемой Луной тени. Для него Солнце полностью закрыто Луной, то есть он наблюдает полное солнечное затмение (В). Поскольку прямые солнечные лучи не попадают в P, то небо становится темнее и наблюдатель способен увидеть звезды, включая и те, что находятся вблизи затененной Луной области небосвода и которые он в противном случае не увидел бы. Вот почему для обнаружения отклонения луча света понадобилось полное солнечное затмение. В наши дни благодаря квазарам обходятся без затмений.

Ещё Ньютон допускал, что свет подвержен влиянию тяготения. Сейчас достоверно известно: свет, падающий на предмет, оказывает на него давление, т.е. несёт энергию. Это равносильно утверждению, что свет обладает массой (подсчитано, что на Землю за сутки падает около 160 т солнечного света в пересчёте на массу). Но тогда луч от далёкой звезды, проходя вблизи Солнца, подобно планетам или кометам, должен двигаться по криволинейной траектории. А видимое положение самой звезды на небе будет смещено.

Видимое смещение звезды можно вычислить, однако теории Эйнштейна и Ньютона приводят к разным ответам. В первом случае это примерно 1,75″, во втором — в два раза меньше. Теория Эйнштейна вносит релятивистскую поправку, обусловленную искривлением пространства вблизи Солнца. Установить истину помогли прямые астрономические наблюдения.

Звезду, находящуюся на одной линии с Солнцем, можно увидеть только во время полного солнечного затмения. После полного солнечного затмения 29 мая 1919 года, через четыре года после публикации окончательного варианта общей теории относительности гипотеза была подтверждена.

А уже спустя 50 лет с 1969 года появилась техническая возможность определять смещение звёзд независимо от затмений — измеряя отклонения радиоволн, идущих от квазаров. Благодаря прямым астрономическим наблюдениям были получены значения, близкие к предсказанию Альберта Эйнштейна, — их ошибка не превышала 10%.