Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Проверить второе предсказание удалось вскоре после войны. На англичанина сэра Артура Эддингтона теория Эйнштейна произвела огромное впечатление, и ещё до начала войны он принялся организовывать экспедицию в Южную Америку для наблюдения солнечного затмения 1919 года. Он был почти так же уверен в правильности новой теории, как и её автор. Может показаться странным, что английские учёные собирались в экспедицию для проверки «немецкой теории» в то время, когда их страна пребывала в состоянии войны с Германией, но нужно иметь в виду, что и Эйнштейн и Эддингтон были пацифистами.

Наблюдать затмение 1919 года отправилась не одна, а две экспедиции. Одна из них получила результат 1,61, а другая – 1,98; средний результат очень близок к величине, рассчитанной Эйнштейном – 1,75 дуговой секунды. Узнав об этом, он возликовал, хотя и без того был совершенно уверен в себе. Одна из студенток спросила у Эйнштейна, что было бы, если бы он ошибся. «Тогда мне было бы жаль господа бога, теория-то всё равно верна», – ответил Эйнштейн.

Совпадение теории с результатами наблюдений мгновенно сделало Эйнштейна знаменитым. Его удивляла, а временами и раздражала шумиха, устроенная прессой; репортёры осаждали его месяцами, даже годами. Возможно, такое совпадение результатов было счастливой случайностью, поскольку условия проведения измерений при солнечном затмении отнюдь не идеальны. В ходе некоторых последующих экспедиций получались значительно различающиеся результаты – от 1,8 до 2,24 дуговых секунды.

Это не означает, что предсказания теории неверны, просто выполнить точные измерения столь малых величин в ходе полевых экспедиций очень трудно. При помощи более совершенных приборов теперь можно наблюдать искривление электромагнитных волн вблизи Солнца (эффект наблюдается для всех электромагнитных волн, а не только для света), не дожидаясь затмения. Эти наблюдения позволили подтвердить правоту Эйнштейна с высокой точностью (с погрешностью около 1%).

Прецессия орбиты Меркурия (вверху) и отклонение света Солнцем (внизу)

Из теории Эйнштейна следует и третье предсказание – время в сильных гравитационных полях течёт медленнее. Этот эффект чрезвычайно мал и заметно проявляется только тогда, когда разница в напряжённости полей очень велика. Известно, что на Земле по мере подъёма сила притяжения убывает. Это означает, что часы, поднятые на высоту, скажем, 100 м, будут идти быстрее тех, которые остались внизу.

Этот эффект был проверен в 1925 году, правда, не на Земле, а для «белого карлика» – спутника Сириуса (белый карлик – звезда гигантской плотности, обладающая мощным гравитационным полем). Так как около белого карлика время течёт медленнее, изменяется частота испускаемого им излучения. Сравнение результатов измерений с теоретическим расчётом изменения частоты излучения продемонстрировало справедливость теории.

В 1956 году был обнаружен эффект Мёссбауэра, который позволил проверить этот результат на Земле. Учёные смогли сравнить ход атомных часов на поверхности Земли с ходом часов, поднятых на высоту 15 м; разность их хода хорошо согласовывалась с расчётами по теории Эйнштейна.

Так же как можно объяснить отклонение луча света, проходящего около Солнца, проделав несложный мысленный эксперимент, легко показать, почему замедляется время. Согласно принципу эквивалентности, в ускоренно движущемся лифте создаётся гравитационное поле. Предположим, что есть два лифта, имеющих разное ускорение, и в каждом из них установлены часы. Пусть находящиеся в лифте наблюдатели поддерживают друг с другом связь при помощи световых сигналов – каждую секунду из того лифта, который движется быстрее, посылается импульс света. Легко заметить, что из-за разницы в ускорениях во втором лифте сигналы будут приниматься реже, чем раз в секунду, а отсюда следует вывод, что время в первом лифте идёт медленнее.

Внимательный читатель, наверное, заметил погрешность в нашем мысленном эксперименте. Мы уже видели, что гравитационное поле слабеет по мере подъёма, поэтому в лифте, покоящемся на Земле, сила тяжести больше у пола, чем у потолка, а вот гравитационное поле, создаваемое при ускоренном движении, везде одинаково. Это означает, что точное совпадение обеих сил возможно только в том случае, если лифт очень мал (полное соответствие наступает, когда размеры лифта бесконечно малы).

Недавно были проведены новые точные эксперименты по проверке теории Эйнштейна. В 1971 году сотрудник Вашингтонской морской обсерватории Ричард Китинг и Джозеф Хейфил из Университета Вашингтона в Сент-Луисе поставили часы в пассажирский самолёт, который облетел Землю сначала с востока на запад, а потом с запада на восток. При этом наблюдались два эффекта, связанные со временем, – его замедление, вызванное движением самолёта, и ускорение, связанное с уменьшением притяжения. При полёте на восток часы отстали в среднем на 59 нс (наносекунда – миллиардная доля секунды) по сравнению с предсказанным значением 49 нс, а при полёте на запад спешили на 273 нс (предсказание теории – 275 нс). В ходе аналогичного эксперимента, проведённого в 1976 году, самолёт летал кругами в районе Чесапикского залива. И вновь теория Эйнштейна была подтверждена в пределах погрешностей эксперимента.

Итогом всех этих и других подобных проверок стало практически всеобщее признание теории Эйнштейна. В Солнечной системе и всюду, где гравитационные силы малы, она даёт те же результаты, что и теория Ньютона, но в мощном гравитационном поле, например в окрестности чёрной дыры (это объект со столь сильным гравитационным полем, что даже свет не может его преодолеть), ньютонова теория отказывает и нужно пользоваться общей теорией относительности.

Благодаря своей теории Эйнштейн прославился; пожалуй, он стал самым знаменитым учёным на свете – один из немногих, кого по фотографии узнает каждый. Несмотря на все оказывавшиеся ему почести, Эйнштейн до самой смерти, последовавшей в 1955 году, оставался скромным и непритязательным человеком. Известность его смущала, но он терпеливо её сносил, позировал фотографам, художникам и скульпторам. Позировать приходилось так часто, что на вопрос, чем он занимается, Эйнштейн однажды ответил: «Я натурщик».

При разработке своей теории Эйнштейн столкнулся со сложными математическими уравнениями. Нет сомнений, что успеха он добился благодаря способности полностью сосредоточиваться на одной проблеме. А задачи, которые ему приходилось решать, были совсем не похожи на те, с которыми сталкиваешься в повседневной жизни или даже в университетском курсе. Биограф Эйнштейна Карл Зелиг рассказал в своей книге об одном случае, показывающем, как искажённо понимали некоторые люди его работу.