65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Орбита Меркурия (а также орбиты всех остальных планет), как это следует из классической теории гравитации[93], должна представлять собой замкнутый эллипс. Таким образом, он периодически то приближается к Солнцу, то отдаляется от него. Так вот, ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты – это и есть перигелий.

В середине XIX века французский астроном Урбен Леверье (1811–1877), изучая многолетние наблюдения Парижской обсерватории, обнаружил чрезвычайно малое, но тем не менее существенное отклонение орбиты Меркурия от той, что предсказывала классическая механика: перигелий постепенно смещался в направлении движения планеты.

Наблюдения Леверье показали, что это смещение составляет примерно 565 угловых секунд за столетие (по современным более точным наблюдениям это смещение оказалось даже чуть больше, примерно 570 угловых секунд).

Сделаем здесь небольшое отступление, чтобы объяснить, что значит угловая секунда. Это очень маленькая величина. Чтобы понять, насколько это малое отклонение, представьте полный круг. Он составляет 360 угловых градусов. Т. е. один угловой градус – это одна 360‐я часть полного круга. С помощью транспортира можно наглядно продемонстрировать величину угла в один градус – это самое маленькое его деление.

Теперь возьмем угол в один градус и разделим его на 60 равных частей. Тогда одна такая часть будет равна одной угловой минуте. А чтобы получить одну угловую секунду, нужно будет одну угловую минуту (и так уже очень маленький угол) разделить еще на 60 равных частей. Т. е. это будет очень-очень маленький угол, изобразить который на страницах данной книги практически невозможно. Тем не менее в космических масштабах даже такие небольшие углы могут быть вполне заметны, и астрономы научились их измерять.

Так вот, смещение перигелия Меркурия оказалось порядка 570 угловых секунд за 100 земных лет. Это означало, что перигелий возвращается в исходную точку только через 260 тысяч лет. Чтобы объяснить это явление, Леверье попытался учесть влияние остальных планет Солнечной системы, которые своим гравитационным полем также немного воздействуют на Меркурий. Но даже с учетом всех этих воздействий расчеты давали значение, которое отличалось от наблюдаемых данных на 43 угловые секунды. Из-за чего возникает это дополнительное отклонение? Либо (самое простое объяснение) в Солнечной системе внутри орбиты Меркурия существует еще одна неоткрытая планета[94] (или даже несколько планет), которая своим гравитационным полем влияет на движение Меркурия. Либо нужно признать, что существующая ньютоновская теория гравитации неверна и нужно ее как-то модифицировать.

Сам Леверье убежденно верил в существование еще одной планеты и до конца жизни пытался ее найти. Настолько велика была вера в силу и незыблемость закона всемирного тяготения! Возможно, на этот выбор повлияло открытие восьмой планеты Солнечной системы – Нептуна, которую в 1846 году обнаружил немецкий астроном Иоганн Галле (1812–1910), руководствуясь расчетами, выполненными Леверье как раз на основе уравнений классической механики.

Однако история развития физики показала, что все-таки придется отказаться от классических представлений о гравитации в пользу абсолютно новой теории – общей теории относительности. Когда Эйнштейн в ноябре 1915 года при помощи уравнений ОТО подсчитал величину отклонения перигелия Меркурия и получил те самые 43 угловые секунды за столетие, то по его собственным словам он был еще два дня вне себя от радости. Ведь это было первым и абсолютно бесспорным подтверждением правильности его теории.

После этого ученые также проверили смещение перигелия других планет и астероидов – все наблюдения подтверждали расчеты, сделанные на основе ОТО. Более того, астрономы наблюдали аналогичное смещение в двойных звездных системах, когда две примерно одинаковые по массе звезды вращаются вокруг их общего центра масс. Результаты всех наблюдений опять в точности соответствовали расчетам на основе ОТО. Кстати, за открытие одной такой звездной системы, получившей обозначение PSR B1913+16, двум американским ученым, Расселу Халсу и Джозефу Тейлору, в 1993 году присудили Нобелевскую премию по физике с формулировкой «За открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации».