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:
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.
Фотографии, полученные Эддингтоном на Принсипи, показали отклонение в 1,61 угловой секунды (± 0,30").
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:
Объяснение аномальной прецессии перигелия Меркурия (подтверждено в 1916 году).
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
Оригинальная статья Эддингтона с результатами эксперимента
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"
Комментарии (9)
kauri_39
14.08.2024 08:52Интересно, следствием какого воздействия материи на физический вакуум является искривление пространства-времени в сторону материи? Задумывались ли физики-теоретики над этим вопросом, когда пытались понять природу гравитации, создать её квантовую теорию?
Израильский физик Штейнхауэр, наверное, задумывался, потому что моделировал гравитацию виде ускоренного потока переохлаждённых атомов рубидия к аналогу чёрной дыры. Гравитацией по этой модели является ускоренный поток квантованного вакуума в активную гравитационную массу. Только такая гравитация может объяснить эквивалентность инертной массы и пассивной гравитационной массы. И тогда гравитационное отклонение света - это снос фотонов, летящих мимо массивного тела, энергетически плотным вакуумом, который втекает в массивное тело.
Shadow_ru
14.08.2024 08:52Корпускулярной теории гравитации уж лет триста. Осталось объяснить куды этот вакуум девается из того тела и почему не нагревает это тело. Не просто - патамкшто я так сказал, а объяснить куда та плотность девается внутре втекшего тела
kauri_39
14.08.2024 08:52Физический вакуум, вероятно квантованный, и эфир, состоящий из хаотически движущихся корпускул (эфиронов), это очень разные вещи. Первый однозначно существует: он вызывает Лэмбовский сдвиг электронов кверху от орбит, рассчитанных без учёта этой среды, сдвигает друг к другу пластины в эффекте Казимира, и раздвигает скопления галактик - вызывает ускоренное расширение Вселенной.
Эквивалентность инертной и пассивной гравитационной массы, рассмотренная с учётом физического вакуума, не может объясняться иначе, чем как сравнение ускоренного движения тела сквозь неподвижный вакуум (в пространстве без гравитационных полей) и неподвижности того же тела в ускоренном потоке вакуума, направленном в активную гравитационную массу (в гравитационном поле). Вес тела в том и другом случае всегда одинаковый при равенстве ускорений, значит, гравитационное поле - это действительно ускоренное движение вакуума в материю источника гравитации.
Да, надо решить, куда девается вакуум, втекающий в материю и образующий её гравитационное поле. Очевидно, это решается вместе с вопросом - откуда берётся вакуум для расширения его вселенского объёма. Причём его приход гораздо больше, чем его расход материей. Можно предположить, что источником новых квантов вакуума, расширяющих Вселенную, и приёмником квантов вакуума, выводимых материей, является некое 5-мерное пространство, в которое вложено 4-мерное пространство Вселенной. Только его 5 измерение не является геометрическим, как в модели Калуцы-Клейна, а особым, смысл которого раскрывается из постулата множественности вселенных.
Проверкой такого предположения (гипотез-основы) будет предсказание (гипотеза-следствие) более быстрого вращения скоплений галактик и самих галактик, чем их могла бы сдерживать от разрушения лишь сила гравитации Ньютона. Поскольку в войдах плотность вакуума выше, чем в скоплениях и в галактиках, то он будет не только расширяться и раздвигать скопления, но и постоянно втекать в них, в галактики, где он выводится через их материю. Поэтому он будет сообщать вращающимся объектам этих систем дополнительное (милгромовское) ускорение, направленное к центрам масс. И оставлять на орбитах только быстро вращающиеся объекты, которые мы и наблюдаем. Итак, гипотеза-следствие верна, значит, верна и гипотеза-основа.
Dynasaur
Простите, а где у Ньютона про отклонение света гравитацией?
Ellarihan
В ньютоновской гравитации отклонение света тоже можно вывести. Ведь траектория тела в гравитационном поле условно не зависит от его массы. Особенно если масса этого тела и притягивающего его тела различаются на порядки.
Но по сравнению с ОТО, предсказанная величина получается в два раза меньшей. В формуле по Ньютону получается безразмерный множитель 2, а по Эйнштейну множитель 4.
Вот тут поподробнее https://ru.wikipedia.org/wiki/Гравитационное_отклонение_света
Dmitri-D
Статья странная. Во-первых масса фотона равна нулю и всё что выведено исзходя из его массы в сомножителе - тоже равно нулю. У фотона только импульс не равен нулю. Во-вторых они говорят про вдвое большее отклонение, но в знаменателе в одной формуле с, а в другой с во второй степени. Это совсем не в да раза, это в половину скоростей ствета и совсем другая величина по размерности.
Ellarihan
Это там сейчас известно что масса покоя фотона строго равна 0. Раньше расчёты можно было вести допуская что она неизмеримо мала.
В обоих формулах там c в квадрате, внимательнее посмотрите.
Dynasaur
Да, пожалуй, вы правы. Тем более, что Ньютон был сторонником корпускулярной теории света, а не волновой. Исходя из представлений начала 20 века можно было так посчитать.
kaptnemo
В "Оптике" (1704), книга 3. "Query 1: Do not Bodies act upon Light at a distance, and by their action bend its Rays; and is not this action (caeteris paribus) strongest at the least distance?"