Гравитационные поля и световые лучи

Вглядываясь в усеянное звездами ночное небо, мы редко задаем себе вопросы о точном положении звезд. И случится так, что, точно определив расстояния между звездами, световые лучи, направляясь к нам, пройдут вблизи какой-нибудь звезды или черной дыры. При этом, звезда поменяет свое положение по отношению к другим звездам. Но, повторив эксперимент, мы увидим "странствующую" звезду снова на ее законном месте. Причиной такой странной миграции неподвижных звезд является то, что гравитационные поля обладают способностью деформировать пространство-время и тем самым менять направление движения светового луча. Степень искажения зависит от массы, генерирующей гравитационное поле, и насколько близко от нее проходит световой луч. Более того, когда свет звезды доходит до нас, предварительно пройдя рядом с массивным небесным телом, мы инстинктивно располагаем источник света так, словно луч шел к нам по прямой линии. Из-за этого мы неверно определяем местоположение звезды.

Причиной такой странной миграции неподвижных звезд является то, что гравитационные поля обладают способностью деформировать пространство-время и тем самым менять направление движения светового луча

Каким бы странным ни казалось нам искривление световых лучей в гравитационном поле, науке это явление было известно давно. Идея о том, что световой луч — это поток частиц, была описана еще во времена Ньютона. В 1900 году квантовая гипотеза Планка подтвердила наличие частицы света – фотона. Каждый фотон обладает определенной массой, а раз так, то на световые лучи, как и на остальные объекты во Вселенной, будут действовать гравитационные поля.

Таким образом, по мере движения частицы света можно учесть воздействие на нее ближайших звезд и планет и с большой точностью рассчитать ее пространственно-временные координаты. Так казалось до второго десятилетия 20 века. А потом Альберт Эйнштейн подверг сомнению простоту этой картинки. По Эйнштейну, гравитационные поля влияют не на частицы световых лучей, а на сами пространственно-временные координаты.

В 1916 году Эйнштейн сам рассчитал, что степень искривления света в соответствии с общей теорией относительности будет в три раза больше, чем предсказывала ньютоновская механика – порядка на 1,7 угловой секунды. И вот наконец в 1919 году появилась потрясающая возможность экспериментально подтвердить теорию Эйнштейна.

В том 1919 году случилось солнечное затмение. Во время солнечного затмения Луна временно затмевает Солнце, и можно некоторое время наблюдать световые лучи, идущие от звезд. Иначе световые лучи от звезды проходят рядом с Солнцем и становятся совершенно невидимыми из-за огромной яркости самого Солнца. И вот в 1918 году две отдельные британские научные экспедиции отправились в тропики - в Бразилию и на остров Принсипи. Планировалось провести наблюдения звезд во время затмения, а потом повторить эксперимент в ночном небе. В конце 1919 года предсказания Альберта Эйнштейна полностью подтвердились.

Возвращаясь к экспедициям, нужно сказать: сегодня мы верим, что данные, полученные этими экспедициями в 1919 году, были точными и убедительными. Но, как показали историки науки Джон Иэрман и Кларк Глаймур, приведенные тогда свидетельства правоты Эйнштейна были совершенно недостаточными.

Дело в том, что в 1962 году намного лучше оснащенная группа британских ученых попыталась воспроизвести полученные тогда результаты. После неудачной попытки они заявили, о сложности интерпретации результатов экспедиций 1919 года.

Кроме этого, еще в 1918 году американская экспедиция отправилась в штат Вашингтон наблюдать солнечное затмение. Она доложила, что отклонения света на 1,7 угловой секунды "не существует". Между 1922 и 1952 годами наблюдалось еще 10 затмений и только для одного из них были получены данные, которые дали отклонение световых лучей в 2,224 угловой секунды, что значительно больше, чем предсказывал Эйнштейн. По сути, почти каждое наблюдение затмения давало либо ненадежные, либо не совпадающие с расчетами Эйнштейна данные. В свете этих результатов многие ученые совершенно разумно воздерживались от окончательных высказываний и поддержали общую теорию относительности только после того, как появились ее подтверждения совершенно иного рода.

Инструменты