Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Теперь вернёмся к тем идеям Эйнштейна, которых нет в теории Ньютона. Начнём с рассмотрения траекторий планет. Из теории Ньютона следует, что планеты должны двигаться по эллипсам, и положение этих эллипсов сохраняется вечно. Однако давно было замечено, что орбита Меркурия слегка смещается. Многие астрономы полагали, что на движение Меркурия влияет другая планета, расположенная между ним и Солнцем. Но когда Эйнштейн рассчитал орбиту Меркурия, используя свою теорию, оказалось, что полученный результат немного отличается от результата Ньютона. В уравнениях Эйнштейна был дополнительный член, учёт которого показывал, что должно наблюдаться незначительное смещение орбиты в направлении большой оси; это явление носит название прецессии. Когда астрономы сравнили предсказания теории Эйнштейна с наблюдениями, оказалось, что они прекрасно согласуются. Отсюда следовал неизбежный вывод – теория Эйнштейна более совершенна. На самом деле из неё вытекает, что прецессией обладают орбиты всех планет, но наблюдать её можно только у Меркурия.

Эйнштейн также предсказал, что лучи света, проходящие около Солнца, должны отклоняться; об этом уже говорилось раньше. В 1911 году Эйнштейн на основе механики Ньютона рассчитал, что это отклонение должно составлять 0,83 дуговых секунды. Теперь он повторил расчёт, пользуясь своей теорией, и обнаружил, что отклонение вдвое больше. Хотя Эйнштейн призывал астрономов проверить свой первый результат, никто этого не сделал. В 1914 году в Россию направилась немецкая экспедиция для наблюдения солнечного затмения и регистрации отклонения световых лучей, но тут началась первая мировая война, и её члены были арестованы. Наверное, Эйнштейну повезло, что измерения провести не удалось, иначе они дали бы результат, вдвое больший предсказанного им, и интерес к его теории резко упал бы.

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.