«Смотри!»

Вы помните, читатель, что некогда это слово, поставленное под чертежом, заменяло древним геометрам длинные рассуждения. Чертеж считался высшим доказательством справедливости. Действительно, если фигура построена, зачем доказывать возможность ее построения?..

В наше время магическое слово «смотри!» заменяют результаты эксперимента. Теория, выводы которой подтверждаются опытом, считается справедливой. Но можно ли экспериментальным путем подтвердить выводы общей теории относительности?..

Эйнштейн сам указал на три следствия, позволяющих проверить правильность теоретических выводов. Первое из них касается изменения частоты (или длины волны) света, когда луч распространяется в поле тяготения. Второе говорило о том, что орбиты планет и спутников должны все время поворачиваться, опережая величину, которая может быть рассчитана по формулам теории Ньютона. Третий эффект, который можно было наблюдать в пределах солнечной системы, заключался в отклонении луча света звезды, когда он проходит вблизи большой тяготеющей массы, например Солнца. Это последнее следствие общей теории относительности и было проверено раньше других. Эйнштейн предложил сравнить положения звезд на небе, когда на пути луча от избранной звезды стоит Солнце. Это можно было осуществить в момент полного солнечного затмения, когда на потемневшем небе проступают звезды. Сравнение следовало произвести с картиной неба, когда Солнца на нем не было.

Простота эксперимента обманчива. На самом деле провести подобные измерения невероятно сложно. Потому что даже возле края солнечного диска расчетное отклонение луча света составляет дугу менее двух секунд. А так как видимое положение всех звезд на небе довольно сильно зависит от свойств земной атмосферы, то уловить эти «две секунды дуги» задача исключительной трудности.

К 29 мая 1919 года две астрономические экспедиции собрались в зонах полного солнечного затмения, которые находились в Гвинее и Бразилии.

Эддингтон, находившийся в первой группе, очень нервничал, так ему хотелось, чтобы эксперимент был удачным. Однажды, перед самой поездкой, его коллега спросил: «Что же будет, если вы подтвердите эффект?». Случившийся поблизости Франк ответил: «Тогда Эддингтон сойдет с ума, и вам придется возвращаться домой одному».

В Гвинее, куда забралась экспедиция, с утра 29 мая небо было затянуто. И лишь незадолго до окончания полной фазы затмения облака рассеялись и нужные фотографии звездного неба были сделаны.

Обработка фотографий продолжалась несколько месяцев. Но зато в сентябре Лоренц сообщил Эйнштейну телеграммой, что выводы общей теории относительности подтвердились.

После его доклада об итогах экспедиции на объединенном заседании Королевского общества и Астрономического общества в Лондоне президент Королевского общества Дж. Дж. Томсон сказал: «Это открытие не отдельного острова, а целого континента новы: научных идей. Это величайшее открытие со времен Ньютона».

С тех пор подобные измерения проводились много раз во время солнечных затмений. Есть проверка 1922, 1929, 1947 и 1952 годов. Почти все они дали похожий результат. К сожалению, пока что во всех экспериментах маловата точность, чтобы можно было сделать окончательные выводы. Очень мешает астрономам атмосфера Земли. Вот когда на Луне откроется астрономическая обсерватория, можно не сомневаться, что одним из первых ее наблюдений будет проверка искривления луча света вблизи Солнца. Пока же ученые предпочитают осторожно говорить о том, что есть основания считать кривизну пространства подтвержденной экспериментально.

Второй эффект, позволяющий убедиться в истинности выводов общей теории относительности, касается движения ближайшей к Солнцу точки орбиты Меркурия. Такая точка орбиты любой планеты называется перигелием. Впрочем, сегодня, когда число искусственных спутников Земли едва ли не перевалило за тысячу, объяснять подобные термины, по-видимому, не нужно.

В 1859 году знаменитый французский астроном Урбен Леверье, исследуя движение планеты Меркурий, обнаружил возмущения орбиты, не поддающиеся объяснению действием других планет в рамках ньютоновой теории. Перигелий орбиты Меркурия за сто лет поворачивался на тридцать одну секунду больше, чем разрешала теория. Леверье пытался свалить вину за подобные нарушения на Вулкан — гипотетическую планету, вращающуюся еще ближе к Солнцу. Однако существование еще одной планеты не подтвердилось. Зато англичанин Ньюком, пользуясь собственной более точной теорией движения больших планет, уточнил разницу в смещении перигелия Меркурия и получил на одиннадцать секунд больше — 42" за столетие. Конечно, автор мог бы привести наглядный пример того, что составляют собой эти 42". На расстоянии вытянутой руки — это не больше толщины страницы, на которой напечатан данный текст. И тем не менее эти сорок две секунды тяжелым гнетом легли на плечи астрономов. Классическая теория требовала, чтобы перигелий орбиты «посланца богов» смещался на 531 угловую секунду за столетие. А наблюдения упорно показывали — 574. Откуда они набегали?.. Это было тем более непонятно, что во всех остальных отношениях движение планеты ни в чем не противоречило законам Ньютона.

И вот появляется общая теория относительности. И сразу важнейший результат — перигелий Меркурия за счет релятивистских эффектов должен смещаться на 43,03 больше, чем это получается по классической теории!

Чувствуете?.. 574"—531" = 43", и теория относительности дает 43",03! Впрочем, измерения были разные. Более точные и менее точные. Здесь интересно отметить исследования советского астронома Г. А. Чеботарева. Он просмотрел множество старых наблюдений за орбитой Меркурия и, используя уточненные значения астрономических постоянных и масс планет, нашел значение неувязки наблюдении с классической теорией в 42,65 ±0,5. Что, как вы сами видите, находится в прекрасном соотношении с предсказаниями ОТО.

«Смотри!»

Конечно, соблазнительно было проверить и значение векового эффекта перигелия для других планет по данным измерений. Цифры получились такие: для Венеры —8,4 ±08, для Земли — 5,0 ±1,2, для Марса — 1,1 ±0,3 угловых секунды за сто лет. И эти величины оказались в весьма хорошем соотношении с предсказанием ОТО. Теория давала для Венеры 8",6, для Земли 3",8, для Марса 1",4.

В общем, сегодня подтверждение указанного эффекта считается важнейшим доказательством правильности идей общей теории относительности.

Нашло подтверждение и «покраснение» светового кванта (фотона). Это явление свидетельствовало о правильности важнейшего вывода, положенного в основу ОТО, — о равенстве инертной и гравитационной масс. Исследователи Р. Паунд и Дж. Ребка умудрились зарегистрировать покраснение света даже в условиях земной лаборатории под влиянием поля тяготения нашей планеты.

Конечно, приведенные данные не должны восприниматься как окончательная опытная проверка общей теории относительности и будто дальше тут делать нечего. Отнюдь, опыты нужно продолжать, все время повышая и повышая точность их результатов с помощью новых технических средств. Об этом говорит и академик В. Л. Гинзбург, предлагая использовать для наблюдения отклонения световых лучей, проходящих вблизи Солнца, аппаратуру на баллонах, поднятую в зону сильно разреженной атмосферы и на спутниках. Это дало бы возможность измерить отклонение световых лучей независимо от затмений.

Наблюдаемый поворот перигелия Меркурия совпадает с теоретическим значением в пределах достигнутой точности в 1 процент. Но если запустить искусственную планету с орбитой, обладающей большим эксцентриситетом, то формулу теории относительности удалось бы проверить со значительно большей точностью. Правда, на пути этого эксперимента пока стоят сложности как технического характера (запуск космического летательного аппарата на орбиту с очень большим эксцентриситетом и способы слежения за ним), так и теоретического (пока не ясно, как учитывать световое давление и солнечный ветер, а также влияние возможной сплющенности Солнца).

Наконец проверке выводов ОТО поможет уточнение орбиты естественного спутника Земли. Для этого советский луноход доставил на поверхность Луны уголковые лазерные отражатели.

Есть и еще возможности для проверки общей теории относительности, кроме указанных Эйнштейном экспериментов. Например, релятивистский эффект при радиолокации планет. Согласно теории в поле тяготения световой луч не только должен искривляться, но и запаздывать. То есть время, необходимое световому сигналу для того, чтобы долететь от Земли до Венеры или Меркурия, проходя вблизи Солнца, нужно большее, чем в том случае, когда сигнал летит к планетам вдали от тяготеющей массы нашего светила. Правда, это время запаздывания крайне невелико, не больше 2•10^-4 сек., но оно должно существовать. Значит, его можно и нужно обнаружить. Пока этот эксперимент произведен с небольшой точностью, порядка 20 процентов. Но совсем недавно группа американских исследователей под руководством Андерсона проверила этот эффект при связи с искусственным небесным телом, запущенным американцами межпланетным кораблем «Маринером». И теоретические предположения подтвердились уже с точностью до десяти процентов.

Самостоятельным и чрезвычайно интересным экспериментом по проверке ОТО могло бы служить наблюдение релятивистской прецессии оси гироскопа, заключающейся в дополнительном повороте оси по сравнению с данными согласно классической теории. Уравнения общей теории относительности позволяют вычислить эту добавку. Такой эксперимент три года назад находился в стадии подготовки.

И наконец блестящее доказательство дало бы наблюдение гравитационных волн. Ведь в классической теории Ньютона предполагается, что распространение действия силы тяготения происходит мгновенно. И потому никаких «волн тяготения» в вакууме существовать не может. Другое дело в ОТО. В теории гравитационного поля волны тяготения неизбежны, как неизбежно существование волн электромагнитных. Однако это эксперимент чрезвычайной сложности.

В 1970 году появилось сообщение профессора Дж. Вебера о том, что ему якобы удалось зарегистрировать гравитационные волны. Но пока никому не удалось ни повторить его результат, ни найти адреса, откуда они пришли. Тем не менее факт этот настолько интересный, что на гравитационных конференциях всего мира опыт Вебера непрерывно находится в центре внимания.

Проверять нужно! Но это не значит, что проверка предполагает недоверие. Результаты проверок помогут уточнить положения теории и показать направление нового развития. Потому что не следует забывать слова самого творца общей теории относительности о том, что каждая теория услышит в конце концов свое нет.

Сейчас мы можем сказать, что на существующем уровне развития науки и техники не выявлено никаких противоречий при проверке основ и следствий общей теорий относительности, «и в этом отношении нет никаких указаний на несправедливость или ограниченность области применения эйнштейновской ОТО (имеем в виду, конечно, лишь макроскопические явления, или, точнее, неквантованную область). Все следствия, которые вообще удалось наблюдать по мере уточнения данных, все лучше и лучше согласуются с ОТО» — так пишет академик В. Л. Гинзбург, оценивая последние результаты проверки общей теории относительности Эйнштейна. Эта теория стала надежной базой современной космологии.