В истории науки есть моменты, когда теория и эксперимент сходятся воедино, навсегда меняя наше понимание Вселенной. Один из таких моментов произошел в 1919 году, когда британский астроном Артур Эддингтон отправился к берегам Западной Африки, чтобы проверить революционную теорию относительности Альберта Эйнштейна.

Человек в нужном месте и в нужное время

Сэр Артур Стэнли Эддингтон (1882-1944) оказался именно тем человеком, который был нужен для этой исторической миссии. Судьба, казалось, благоволила ему с самого начала. Будучи квакером и убежденным пацифистом, он избежал участия в кровопролитной Первой мировой войне. Но главное - он оказался в нужном месте в нужное время.

В 1916 году, работая секретарем Королевского астрономического общества, Эддингтон получил уникальную возможность. В то время, когда война разделила научное сообщество, и немецкие журналы были недоступны британским ученым, в руки Эддингтона попали работы голландского астронома Виллема де Ситтера о новой теории относительности Эйнштейна.

Эддингтон быстро осознал значимость этих идей. Несмотря на царившие антинемецкие настроения, он стал одним из первых сторонников теории Эйнштейна на Западе. В 1918 году он подготовил доклад по теории для Физического общества и начал читать лекции о ней в Кембриджском университете и на собраниях Британской ассоциации.

Путь к доказательству

Теория Эйнштейна предсказывала, что массивные объекты, такие как Солнце, должны искривлять пространство-время вокруг себя, что приводит к отклонению света проходящих мимо звезд. Эддингтон решил проверить это предсказание во время полного солнечного затмения.

Интересно, что идея проверки теории с помощью наблюдений за затмением не была новой. Еще в 1911 году Эйнштейн призвал астрономов провести такой эксперимент. В 1912 и 1914 годах были организованы экспедиции в Бразилию и Крым, но из-за плохой погоды и начала Первой мировой войны они не увенчались успехом.

В 1918 году Эддингтон, которому грозил призыв в армию, получил отсрочку благодаря поддержке Королевского астронома сэра Фрэнка Уотсона Дайсона. Дайсон подчеркнул важность участия Эддингтона в предстоящей экспедиции для наблюдения за затмением.

Экспедиции 1919 года

В 1919 году были организованы две экспедиции: одна на остров Принсипи у берегов Западной Африки (которую возглавил сам Эддингтон), другая - в Собрал, Бразилия. Цель была амбициозна: сфотографировать звезды вокруг Солнца и сравнить их положение с ночными снимками тех же звезд.

Экспедиции финансировались за счет правительственного гранта в размере 1100 фунтов стерлингов. Условия для наблюдений были особенно благоприятными: Солнце должно было проходить через большое скопление звезд в созвездии Тельца.

Экспедиция в Собрал

Команда Королевской Гринвичской обсерватории в составе Чарльза Дэвидсона и Эндрю Кроммелина прибыла в Собрал 30 апреля с двумя телескопами: основным 13-дюймовым и резервным 4-дюймовым. В день затмения, 29 мая, им повезло с погодой: небо было ясным, а затмение длилось 5 минут 13 секунд.

Экспедиция на Принсипи

Сам Эддингтон вместе с Эдвином Тернером Коттингемом отправился на Принсипи, прибыв туда 23 апреля. Они привезли с собой телескоп из Кембриджской обсерватории. В день затмения погода была не столь благосклонна: небо было затянуто облаками, что повлияло на качество снимков.

День затмения и анализ данных

29 мая 1919 года наступил решающий момент. В Собрале команда смогла сделать 12 фотографий с помощью основного телескопа и 7 с помощью резервного. На Принсипи Эддингтону удалось получить только 16 снимков, из которых лишь два оказались пригодными для анализа.

Вернувшись в Англию, ученые приступили к кропотливому анализу данных. Они сравнивали положения звезд на снимках затмения с их положениями на контрольных снимках, сделанных ночью в Оксфорде.

Результаты оказались поразительными:

1. Снимки с основного телескопа в Собрале показали отклонение в 0,86 угловой секунды, что соответствовало предсказаниям теории Ньютона. Однако из-за низкого качества эти данные были исключены из финального анализа.

2. Фотографии, полученные Эддингтоном на Принсипи, показали отклонение в 1,61 угловой секунды (± 0,30").

3. Наиболее четкие снимки с резервного телескопа в Собрале дали результат в 1,98 угловой секунды (± 0,12").

Эти результаты прекрасно согласовывались с предсказанием Эйнштейна о 1,75 угловой секунды и явно противоречили ньютоновской теории, предсказывавшей отклонение лишь в 0,87 угловой секунды.

Триумф теории относительности

6 ноября 1919 года на совместном заседании Королевского общества и Королевского астрономического общества Эддингтон представил свои выводы. Новость быстро облетела мир. "Революция в науке - Новая теория Вселенной - Идеи Ньютона свергнуты" - гласил заголовок в The Times.

Эйнштейн, узнав о результатах, заявил бразильской прессе: "Проблема, возникшая в моем мозгу, была решена ярким бразильским небом".

Наследие эксперимента

Эксперимент Эддингтона стал поворотным моментом в истории физики. Он не только подтвердил общую теорию относительности Эйнштейна, но и изменил наше понимание пространства, времени и гравитации.

Однако это было лишь начало. Из трех "классических проверок" теории Эйнштейна две уже были подтверждены к 1920 году:

1. Объяснение аномальной прецессии перигелия Меркурия (подтверждено в 1916 году).

2. Отклонение света в гравитационном поле (подтверждено экспедициями 1919 года).

Третья проверка - наблюдение гравитационного красного смещения - оставалась неподтвержденной до 1954 года, когда астроном Дэниел М. Поппер точно измерил этот эффект у белого карлика 40 Эридана B.

Заключение

Сегодня, спустя более века после исторического эксперимента Эддингтона, общая теория относительности Эйнштейна продолжает выдерживать все новые и новые проверки. От обнаружения гравитационных волн до наблюдения за черными дырами - наследие Эйнштейна и Эддингтона живет и процветает в современной астрофизике.

Дополнительные материалы

1. Дополнительные сведения об экспедициях

2. Оригинальная статья Эддингтона с результатами эксперимента

3. Фильм от HBO (89 минут) "Эйнштейн и Эддингтон" - история общей теории относительности Эйнштейна, его отношений с Эддингтоном и представления этой теории миру на фоне Великой войны и наблюдений Эддингтона за затмением.

Всё это и много другое — ТГ "Математика не для всех"