Вплив гравітаційних полів на світлові промені

Вдивляючись в усіяне зірками нічне небо, ми рідко ставимо собі питання про точне положення зірок. І трапиться так, що, точно визначивши відстані між зірками, світлові промені, прямуючи до нас, пройдуть поблизу якоїсь зірки або чорної діри. При цьому зірка змінює своє положення по відношенню до інших зірок. Але, повторивши експеримент, ми побачимо "мандрівну" зірку знову на її законному місці. Причиною такої дивної міграції нерухомих зірок є те, що гравітаційні поля мають здатність деформувати простір-час і тим самим змінювати напрямок руху світлового променя. Ступінь спотворення залежить від маси, що генерує гравітаційне поле, і наскільки близько від неї проходить світловий промінь. Більш того, коли світло зірки доходить до нас, попередньо пройшовши поряд з масивним небесним тілом, ми інстинктивно отримуємо джерело світла так, ніби промінь йшов до нас по прямій лінії. Через це ми неправильно визначаємо розташування зірки.

Хоч би яким дивним здалося нам викривлення світлових променів у гравітаційному полі, науці це явище було відомо давно. Ідея про те, що світловий промінь — це потік частинок, було описано ще за часів Ньютона. У 1900 році квантова гіпотеза Планка підтвердила наявність частинки світла - фотона. Кожен фотон має певну масу, а раз так, то на світлові промені, як і на інші об'єкти у Всесвіті, діятимуть гравітаційні поля.

Таким чином, у міру руху частинки світла можна врахувати вплив на неї найближчих зірок та планет і з великою точністю розрахувати її просторово-часові координати. Так здавалося до другого десятиліття 20-го століття. А потім Альберт Ейнштейн поставив під сумнів простоту цієї картинки. За Ейнштейном, гравітаційні поля впливають не на частинки світлових променів, а на самі просторово-часові координати.

У 1916 році Ейнштейн сам розрахував, що ступінь викривлення світла відповідно до загальної теорії відносності буде втричі більшим, ніж передбачала ньютонівська механіка - порядку на 1,7 кутової секунди. І ось нарешті 1919 року з'явилася приголомшлива можливість експериментально підтвердити теорію Ейнштейна.

У тому 1919 році трапилося сонячне затемнення. Під час сонячного затемнення Місяць тимчасово затьмарює Сонце, і можна деякий час спостерігати світлові промені, що йдуть від зірок. Інакше світлові промені від зірки проходять поруч із Сонцем і стають абсолютно невидимими через величезну яскравість самого Сонця. І ось у 1918 році дві окремі британські наукові експедиції вирушили до тропіків - до Бразилії та на острів Прінсіпі. Планувалося провести спостереження зірок під час затемнення, а потім повторити експеримент у нічному небі. Наприкінці 1919 року прогнози Альберта Ейнштейна повністю підтвердилися.

Повертаючись до експедицій, треба сказати: сьогодні ми віримо, що дані, отримані цими експедиціями у 1919 році, були точними та переконливими. Але, як показали історики науки Джон Іерман та Кларк Глаймур, наведені тоді свідчення правоти Ейнштейна були недостатніми.

Справа в тому, що в 1962 році набагато краще оснащена група британських учених спробувала відтворити отримані результати. Після невдалої спроби вони заявили про складність інтерпретації результатів експедицій 1919 року.

Крім цього, ще 1918 року американська експедиція вирушила до штату Вашингтон спостерігати сонячне затемнення. Вона доповіла, що відхилення світла на 1,7 кутової секунди "не існує". Між 1922 і 1952 роками спостерігалося ще 10 затемнень і тільки для одного з них були отримані дані, які дали відхилення світлових променів у 2,224 кутової секунди, що значно більше, ніж передбачав Ейнштейн. По суті, майже кожне спостереження затемнення давало або ненадійні, або дані, що не збігаються з розрахунками Ейнштейна. У світлі цих результатів багато вчених цілком розумно утримувалися від остаточних висловлювань і підтримали загальну теорію відносності тільки після того, як з'явилися її підтвердження зовсім іншого характеру.