Отклонение света. Вселенная не в фокусе

Экспериментальные подтверждения ОТО

Эффекты, связанные с ускорением систем отсчёта

Первый из этих эффектов - гравитационное замедление времени, из-за которого любые часы будут идти тем медленнее, чем глубже в гравитационной яме (ближе к гравитирующему телу) они находятся. Данный эффект был непосредственно подтверждён в эксперименте Хафеле - Китинга, а также в эксперименте Gravity Probe A и постоянно подтверждается в GPS.

Непосредственно связанный с этим эффект - гравитационное красное смещение света. Под этим эффектом понимают уменьшение частоты света относительно локальных часов (соответственно, смещение линий спектра к красному концу спектра относительно локальных масштабов) при распространении света из гравитационной ямы наружу (из области с меньшим гравитационным потенциалом в область с большим потенциалом). Гравитационное красное смещение было обнаружено в спектрах звёзд и Солнца и надёжно подтверждено уже в контролируемых земных условиях вэксперименте Паунда и Ребки.

Гравитационное замедление времени и искривление пространства влекут за собой ещё один эффект, названный эффектом Шапиро (также известный как гравитационная задержка сигнала). Из-за этого эффекта в поле тяготения электромагнитные сигналы идут дольше, чем в отсутствие этого поля. Данное явление было обнаружено при радиолокации планет Солнечной системы и космических кораблей, проходящих позади Солнца, а также при наблюдении сигналов от двойных пульсаров.

С наибольшей на 2011 год точностью (порядка 7·10 −9) этот тип эффектов был измерен в эксперименте, проведённом группой Хольгера Мюллера из Калифорнийского университета. В эксперименте атомы цезия, скорость которых была направлена вверх по отношению к поверхности Земли, действием двух лазерных пучков переводились в суперпозицию состояний с различающимися импульсами. Вследствие того, что сила гравитационного воздействия зависит от высоты над поверхностью Земли, набеги фаз волновой функции каждого из этих состояний при возвращении в исходную точку различались. Разность между этими набегами вызывала интерференцию атомов внутри облака, так что вместо однородного по высоте распределения атомов наблюдались чередующиеся сгущения и разрежения, которые измерялись действием на облако атомов лазерными пучками и измерением вероятности обнаружения атомов в некой выбранной точке пространства.

Искривление пути света происходит в любой ускоренной системе отсчёта. Детальный вид наблюдаемой траектории и гравитационные эффекты линзирования зависят, тем не менее, от кривизны пространства-времени. Эйнштейн узнал об этом эффекте в 1911 году, и, когда он эвристическим путём вычислил величину кривизны траекторий, она оказалась такой же, какая предсказывалась классической механикой для частиц, движущихся со скоростью света. В 1916 году Эйнштейн обнаружил, что на самом деле в ОТО угловой сдвиг направления распространения света в два раза больше, чем в ньютоновской теории, в отличие от предыдущего рассмотрения. Таким образом, это предсказание стало ещё одним способом проверки ОТО.

С 1919 года данное явление было подтверждено астрономическими наблюдениями звёзд в процессе затмений Солнца, а также с высокой точностью проверено радиоинтерферометрическими наблюдениями квазаров, проходящих вблизи Солнца во время его пути по эклиптике.

Гравитационное линзирование происходит, когда один отдалённый массивный объект находится вблизи или непосредственно на линии, соединяющей наблюдателя с другим объектом, намного более удалённым. В этом случае искривление траектории света более близкой массой приводит к искажению формы удалённого объекта, которое при малом разрешении наблюдения приводит, в основном, к увеличению совокупной яркости удалённого объекта, поэтому данное явление было названо линзированием. Первым примером гравитационного линзирования было получение в 1979 году двух близких изображений одного и того же квазара QSO 0957+16 A, B (z = 1,4) английскими астрономами Д. Уолшем и др. «Когда выяснилось, что оба квазара изменяют свой блеск в унисон, астрономы поняли, что в действительности это два изображения одного квазара, обязанные эффекту гравитационной линзы. Вскоре нашли и саму линзу - далёкую галактику (z = 0,36), лежащую между Землёй и квазаром» ] . С тех пор было найдено много других примеров отдалённых галактик и квазаров, затрагиваемых гравитационным линзированием. Например, известен так называемый Крест Эйнштейна, где галактика учетверяет изображение далёкого квазара в виде креста.

Специальный тип гравитационного линзирования называется кольцом или дугой Эйнштейна. Кольцо Эйнштейна возникает, когда наблюдаемый объект находится непосредственно позади другого объекта со сферически-симметричным полем тяготения. В этом случае свет от более отдалённого объекта наблюдается как кольцо вокруг более близкого объекта. Если удалённый объект будет немного смещён в одну сторону и/или поле тяготения не сферически-симметричное, то вместо этого появятся частичные кольца, называемые дугами.

Наконец, у любой звезды может увеличиваться яркость, когда перед ней проходит компактный массивный объект. В этом случае увеличенные и искажённые из-за гравитационного отклонения света изображения дальней звезды не могут быть разрешены (они находятся слишком близко друг к другу), и наблюдается просто повышение яркости звезды. Этот эффект называют микролинзированием, и он наблюдается теперь регулярно в рамках проектов, изучающих невидимые тела нашей Галактики по гравитационному микролинзированию света от звёзд - МАСНО, EROS (англ. ) и другие.

Чёрные дыры

Чёрная дыра - область, ограниченная так называемым горизонтом событий, которую не может покинуть ни материя, ни информация. Предполагается, что такие области могут образовываться, в частности, как результатколлапса массивных звёзд. Поскольку материя может попадать в чёрную дыру (например, из межзвёздной среды), но не может её покидать, масса чёрной дыры со временем может только возрастать.

Стивен Хокинг, тем не менее, показал, что чёрные дыры могут терять массу за счёт излучения, названногоизлучением Хокинга. Излучение Хокинга представляет собой квантовый эффект, который не нарушает классическую ОТО.

Известно много кандидатов в чёрные дыры, в частности супермассивный объект, связанный с радиоисточником Стрельце а* в центре нашей Галактики. Подавляющее большинство учёных убеждены, что наблюдаемые астрономические явления, связанные с этим и другими подобными объектами, надёжно подтверждают существование чёрных дыр, однако существуют и другие объяснения: например, вместо чёрных дыр предлагаются фермионные шары, бозонные звёзды и другие экзотические объекты.

– VI –

Известие о благоприятном исходе для ОТО Эйнштейн узнал в начале сентября 1919 года. После публикации в лондонской «Таймс» научно-популярной статьи об искривлении луча света в поле тяготения Солнца, имя Эйнштейна стало известно широкой общественности. В конце этого месяца он отправил открытку в Швейцарию, в которой писал: «Дорогая Мама! Сегодня я получил радостное известие. Х.А. Лоренц телеграфировал мне, что английские экспедиции действительно доказали отклонение света вблизи Солнца…» .

Что творилось в ученом мире Великобритании в ноябре 1919 года, лучше всего передать словами Абрахама Пайса:

«После 1905 г., совершив два первоклассных чуда, Эйнштейн стал "блаженным". Состоявшееся 6 ноября 1919 г. совместное заседание Королевского общества и Королевского астрономического общества напоминало обряд конгрегации. В качестве постулатора выступал Дайсон, которому помогали адвокаты-прокураторы Кроммелии и Эддингтои. Выступавший первым Дайсон в заключение сказал: "После тщательного изучения фотопластинок я готов заявить, что расчеты Эйнштейна подтверждены. Получен совершенно определенный результат, в соответствии с которым свет отклоняется согласно закону тяготения Эйнштейна".

С дальнейшими разъяснениями выступил Кроммелин, после чего слово взял Эддингтон, заявивший, что результаты, полученные на Принсипи, подтверждают данные экспедиции в Собраль, и перечислил два несомненно установленных чуда, сотворенных Эйнштейном уже в ранге "блаженного": объяснение смещения перигелия Меркурия и искривления лучей света па угол (1,98 ± 0,30)" и (1,61 ± 0,30)"; такие результаты были получены соответственно в Собрале и на Принсипи.

"Адвокат дьявола" Людвик Зильберштейн выдвинул критические замечания: "Пока нет достаточных оснований утверждать, что искривление лучей света, наличие которого я признаю, вызывается тяготением". Он также требовал подтвердить наличие красного смещения: "Если красное смещение не удастся обнаружить (как было до сих пор), вся теория рухнет". Указывая на висящий в зале портрет Ньютона, Зильберштейн воззвал к конгрегации: "Память об этом великом человеке заставляет нас с огромном осторожностью относиться к попыткам изменить или полностью пересмотреть его закон тяготения".

Председательствовавший на заседании президент Королевского общества кавалер ордена "За заслуги" Джозеф Джон Томсон, выслушав петицию "instanter, instantius, instantissime", провозгласил буллу канонизации: "Это самый важный результат, полученный в теории тяготения со времен Ньютона, и весьма символично, что о нем объявлено на заседании общества, столь тесно связанного с именем великого ученого... Этот результат - одно из высочайших достижений человеческого разума".

Однако тот же Дж. Дж. Томсон писал: «Я должен признаться, что никому еще не удалось выразить ясным языком, что в действительности представляет собой теория относительности Эйнштейна». Это откровение самого именитого физика Британии привел Б.Г. Кузнецов , который, в свою очередь, взял его из биографии Эйнштейна, написанной Ф. Франком. Увы, официальная история физики пока пишется релятивистами, и мы не знаем истинного раздражения Дж. Дж. Томсона теорией относительности. Известно лишь, что ни СТО, ни ОТО он не принял, поскольку всю жизнь разрабатывал конструктивную теорию движущегося электрона, основанную на механической модели, в противовес формалистским теориям Эйнштейна, Лоренца и Пуанкаре, базирующихся на пространственно-временных спекуляциях.

Горожане на улице Нью-Йорка радостно приветствуют Эйнштейна. Основная цель его поездки в США (совместно с Х. Вейсманом) - сбор средств для строительства Иерусалимского университета. Он пробыл в Америке со 2 апреля по 30 мая 1921 года. За это время он прочел несколько популярных лекций по теории относительности в Чикаго, Бостоне и Принстоне, в Вашингтоне удостоился чести встретиться с президентом страны Гардингом. На обратном пути из Америки он останавливается в Англии и посещает могилу Ньютона.

Вообще, релятивистское учение не пользовалось большой популярностью у англичан, поскольку в их стране была слишком сильна классическая школа, заложенная Фарадеем и Максвеллом. Но после популяризации ОТО английскими астрономами, - Дайсоном, Кроммелиным и, особенно, Эддингтоном - положение дел существенно изменилось, правда, не в теоретическом плане. Рассказывают, что некий собеседник Эддингтона утверждал, будто входит в число трех ученых, которые действительно понимают теорию относительности Эйнштейна. Эддингтон задумался, а когда собеседник спросил его, над чем тот размышляет, Эддингтон ответил: «Я спрашиваю себя, кого вы имели в виду третьим».

Эйнштейн и Эльза в Японии. 8 Октября 1922 года он вместе с женой выехал из Марселя на Дальний Восток. Во время этой поездки он посетил Коломбо, Сингапур, Гонконг и Шанхай. В Японии он был с 17 ноября по 29 декабря. 9 Ноября ему присуждена Нобелевская премия. 10 Декабря в Стокгольме на торжественном вручении премии Эйнштейна представлял посол Германии Рудольф Надольны. На обратном пути из Японии Эйнштейн совершает 12-дневную поездку по Палестине, куда он пребывает 2 февраля 1923 года.

«Своей внезапной славой, - писали авторы "Частной жизни", - Эйнштейн обязан сочинителям эффектных заголовков для английский и американских газет. "Революция в науке", "Новая теория строения вселенной", "Ниспровержение механики Ньютона" - захлебывалась лондонская "Тамс" 7 ноября 1919 года. "Лучи изогнуты, физики в смятении. Теория Эйнштейна торжествует, - объявила "Нью-Йорк таймс" двумя днями позже» . В декабре 1919 году Эддингтон написал Эйнштейну: «...Вся Англия только и говорит о Вашей теории. Она произвела потрясающую сенсацию... Ничего лучшего с точки зрения научных связей между Англией и Германией и пожелать нельзя» .

8 Феврале 1923 года Эйнштейн становится первым почетным гражданином Тель-Авива. Летом этого года он помогает основать общество «Друзей Новой России», которое просуществовало 10 лет. В следующем году он становится членом еврейской общины Берлина и регулярно платит взносы. В Потсдаме начинает работать «Институт Эйнштейна», расположенный в «Башне Эйнштейна», в которой установлен «телескоп Эйнштейна».

Помощник Эйнштейна, польский математик Леопольд Инфельд, следующим образом обосновывал оглушительный успех у публики теории относительности. Рассказав о «великом предвидении», подтвердившемся в мае 1919 года, он написал:

«Так началась великая слава Эйнштейна. Она продолжалась в течение всей его жизни и, вероятно, будет лишь возрастать после его смерти. Однако тот факт, что теория относительности предсказала явление, столь же далёкое от нашей повседневной жизни, как эти звёзды, что она предвидела его на основании длинной цепи абстрактных аргументов - всё это не может, пожалуй, служить достаточным поводом для массового энтузиазма. Тем не менее, дело обстояло именно так. И мне кажется, что причины тут следует искать в послевоенной психологии.

Это произошло после окончания первой мировой воины. Людям опротивели ненависть, убийства и международные интриги. Окопы, бомбы, убийства оставили горький привкус. Книг о войне не покупали и не читали. Каждый ждал эры мира и хотел забыть о войне. А это явление способно было захватить человеческую фантазию. С земли, покрытой могилами, взоры устремлялись к небу, усеянному звездами. Абстрактная мысль уводила человека вдаль от горестей повседневной жизни. Мистерия затмения Солнца и сила человеческого разума, романтическая декорация, несколько минут темноты, а затем картина изгибающихся лучей - все гак отличалось от угнетающей действительности.

Существовала и еще одна причина, видимо, важнейшая: новое явление предсказал немецкий ученый, а проверили его английские ученые. Физики и астрономы, принадлежавшие недавно к двум враждебным лагерям, снова работают вместе. Может быть, это и есть начало новой эры, эры мира? Тяга людей к миру была, как мне кажется, главной причиной возрастающей славы Эйнштейна» .

Эту же мысль высказали авторы «Частной жизни», присовокупив к сказанному Инфельдом еще один немаловажный фактор - обаяние личности отца-основателя волшебной теории:

«Люди устали от войны, им хотелось отвлечься, и теория относительности стала темой номер один, сенсацией для массового читателя. Искривленное пространство и отклонение световых лучей были у всех на устах, эти слова, что бы они ни значили, завораживали публику. Всякому, кто когда-либо смотрел на ночное небо, оно казалось волшебным и полным тайн, и вот внезапно эти тайны оказались раскрытыми...

Разумеется, репортеры ринулись выяснять, какой человек стоит за новой сенсацией. И обнаружили, что им необычайно повезло. Вместо типичного седовласого академика их взору, предстал эксцентричный тип со всклокоченными волосами, дерзким обаянием и чувством юмора, переходящим в сарказм. Эйнштейн оказался эффектной и колоритной фигурой, он был фотогеничен, и вскоре представители прессы при каждом удобном и неудобном случае стали забрасывать его вопросами на самые неожиданные темы. "От меня хотят статей, заявлений, фотографий и пр., - писал он на Рождество 1919 года. - Все это напоминает сказку о новом платье короля и отдает безумием, но безобидным". Он вскоре ощутил себя Мидасом, но все, к чему он прикасался, обращалось не в золото, а в газетную шумиху.

Средства массовой информации создали Эйнштейну имидж мудреца и оракула, и теперь его внимания домогался весь мир. В течение следующих десяти лет он побывал в Скандинавии, в Соединенных Штатах Америки, в Японии, на Ближнем, Среднем и Дальнем Востоке, в Южной Америке и в Великобритании, где известный лондонский эстрадный театр "Палладиум" предложил ему сцену, чтобы он три недели вел собственную программу, а дочь Лорда Холдейна, под чьим кровом Эйнштейну предстояло жить, при встрече с ним упала в обморок.

Во время поездки в Женеву его осаждали толпы молодых девиц, одна из них даже попыталась вырвать у него прядь волос. В его честь называли сигары, младенцев, телескопы и башни, непрерывным потоком шли письма. Этому не суждено было иссякнуть никогда. Кто только не писал Эйнштейну: доброжелатели, религиозные психопаты, шарлатаны, просившие денег, общественные организации и движения, искавшие его поддержки, школьники и, наконец, одна маленькая девочка, задавшая вопрос: "А вы действительно есть?"» .

Человечество ненавидит разоблачителей религиозных культов, оно проклинает ученых, которые берутся доказывать не божественное происхождение Иисуса Христа. Но мы-то с вами, дорогой читатель, не религиозные люди и должны понимать, откуда проистекает «Истина» учения «Святого Альберта». Пусть в Израиле продолжают праздновать «День Науки» в день рождения Эйнштейна - 14 марта. Но нам россиянам, исследователям физического мира, не к чему вечно стоять у алтаря релятивистской церкви. Пора бы, наконец, погасить свечи, зажженные в эпоху явления народам Мессии. Пусть простой люд томится в ожидании второго пришествия, служителям науки нужно подумать над иным, не религиозным, объяснениям искривления лучей.

Критики результатов наблюдений указывают, что Эддингтон был слишком заинтересован в успехе теории относительности и потому не был объективен в отношении оценки экспедиции. В своем отчете, говорят они, он игнорировал звезды, отклонения которых не вписывались в нужные ему рамки. В Интернете можно найти, например, вот такие слова: «Эддингтон ограничился устным заявлением о верности ОТО, но не опубликовал ни анализа погрешностей, ни полученных им фотографий, ни методики отбраковки тех из них, которые были расценены как "плохие"». Из процитированного только что отчета следует, что это, мягко выражаясь, не совсем верно.

В отчете (п. 39) есть определенные указания на то, что

«При окончательном анализе всех результатов двух экспедиций наиболее значимыми следует считать те из них, которые получены при помощи четырехдюймового объектива в Собрале. … Полученные фотопластинки дают на основании склонений 1",94, на основании прямых восхождений 2",06». И далее: «Наблюдениям на Принсипи сильно мешала облачность. Правда, неблагоприятные обстоятельства частично компенсировались преимуществом крайне постоянной температуры на этом острове. Полученное там отклонение равно 1",61. Вероятная ошибка равна приблизительно ±0",30, так что вес этого результата значительно меньше, чем предыдущего».

Тем не менее, в Интернете бесконечное число раз цитируются дневниковые записи Эддингтона, находящегося в момент затмения на Принсипи, а именно следующее место:

«…Дождь окончился около полудня и примерно в 1: 30 мы увидели Солнце. Мы приготовили наши фотоаппараты, надеясь на случай. Я не видел самого затмения, будучи очень занят меняя фотопластинки, кроме одного взгляда, чтобы удостовериться, что оно началось, и полу-взгляда, чтобы оценить количество облаков. Мы получили 16 снимков, на которых Солнце получилось со всеми деталями, но облака закрывали звёзды. На последних нескольких снимках было несколько изображений звёзд, которые дали нам то, что нам было нужно …» [взято из Википедии, Эддингтон ].

Таким образом, у читателя этих строк создается превратное впечатление, будто из-за облачности проверка ОТО полностью провалилась. Это, конечно, не так. Известна телеграмма руководителя экспедиции в Собраль, которую никогда не цитируют критики: «Затмение превосходно. Кроммелин» . Так что если бы Эддингтон затмения в Принсипи вообще не наблюдал, результаты всё равно бы у него имелись.

Однако, можно ли выводы по результатам наблюдений 1919 года считать абсолютно безупречными с точки зрения экспериментальной науки 2009 года? Ни в коем случае, отвечает Геннадий Ивченков. Он утверждает, что и 90 лет тому назад, Эддингтон со своими товарищами поторопился с позитивной оценкой, подтверждающей ОТО.

Он уверен, что точность измерения порядка 0.1" ÷ 0.2" трудно достижима даже в начале 21-го века, о начале 20-го и говорить не приходится.

«При проведении измерений с такой точностью, - пишет Ивченков, - неизбежно "выплывает" большое число источников ошибок, систематических и случайных, которыми ранее, при измерении с точностями порядка 1", можно было пренебречь. Необходимо отметить, что современные астрометрические приборы, имеющие точность порядка секунды - всегда прецезионно-калиброванные с термостабилизированной камерой» .

Далее он почему-то навскидку оценивает диаметр объектива:

«Экспедиция была выездная, следовательно, они не могли взять телескоп с диаметром объектива, превышающим, например, 500 мм... По-видимому, диаметр зеркала телескопа не превышал 200 ÷ 300мм. Теоретическое значение кружка рассеяния для 300 мм телескопа равно 0.8", а разрешающая способность (теоретическая, по Рэлею) - 0.4"» .

Однако достоверно известно, что основной массив данных был получен с помощью четырехдюймового телескопа (т.е. чуть более 100 мм), установленного в Собрале. Следовательно, по расчетам Ивченкова, точность показаний должна быть намного хуже одной угловой секунды .

Следующей неприятной помехой при наблюдении звезд во времая затмения Ивченков называет дисторисию , разъясняя ее действие словами нашего отечественного авторитета:

«Дисторсия обычно не вредит наблюдателю, но становится очень опасной, если при помощи оптической системы производятся съемки, предназначенные для промеров (например, в геодезии или, особенно, в аэрофотограммометрии)". (Г. С. Ландсберг "Оптика" стр.309)».

Критик продолжает:

«Нескомпенсированная дисторсия приводит к подушко-образным искажениям, создавая впечатление выпуклого или вогнутого поля зрения. Таким образом, в первом случае звезды как бы разбегаются от центра, а во втором - сбегаются. Пока никому не удавалось скомпенсировать, в частности, дисторсию до суб-секундных значений даже для малых углов зрения. Таким образом, если использовать оптическую систему с нескомпенсированной дисторсией, то можно увидеть (и даже успешно измерить) всю кривизну метрики пространства-времени» .

За дисторисией Ивчинков указал на явление гидирования :

«Если во время экспозиции не использовался гидирующий механизм, компенсирующий суточное движение, то за 10 - 20 сек. экспозиции кружки рассеяния превращались в эллипс, вытянутый на 2,5 - 5" по эклиптике. Если этот механизм использовался, то очень сомнительно, что он имел суб-секундную точность» .

По оценке Ивчинкова, ошибка, вызванная гидированием, составит приблизительно 0.3".

Четвертым пунктом идет рефракция в атмосфере Земли:

«Опорная фотопластинка была снята в январе в Англии (угол эклиптики над горизонтом - 20 град.), а затмение снималось на экваторе в 13: 30, т.е. Солнце было в зените. Атмосферная рефракция при угле 10 град. над горизонтом составляет 5" 30", при угле 20 град. - 2"40", а в зените близка к нулю (см. таблицы Пулковской Обсерватории). Следовательно, в 4 град поле зрения (между 20 и 10 град азимута) присутствовала нелинейность порядка 80 ÷ 100", искажающая (растягивающая) вертикальный масштаб» .

Ниже автор статьи «Самое важное подтверждение ОТО или Что измерил лорд Эддингтон в 1919 году» проанализировал:

5. Звездную аберрацию.
6. Собственное движение звезд.
7. Точность, обеспечиваемая фотоматериалами в данных условиях.
8. Точность совмещения пластинок.
9. Точность считывания результатов.
10. Общие замечания по поводу применения фотоматериалов для анализа изображения.

После этого Ивчинков перечислил основные методические ошибки эксперимента:

• отсутствие калибровки телескопа и камеры,
• съемка опорной пластинки в другом месте,
• использование широкоугольного телескопа,
• использование неденситометрированных фотоматериалов низкого качества,
• ручная ("на глаз") обработка изображений.

Самыми грубыми и принципиальными из них являются последние три. Применение широкоугольного телескопа привело к необходимости измерения крайне малых линейных величин, а сами эти измерения были выполнены варварским методом.

Претензии, высказанные здесь, нужно, конечно, принять во внимание: указанные факторы, несомненно, могли повлиять на окончательные выводы представленного отчета. Ивчинков мог упустить из виду какие-то частности, но при этом он остается прав в главном: оптические явления, происходящие вблизи Солнца настолько сложны, что чисто гравитационные объяснения микроскопических отклонений лучей от звезд выглядят просто смехотворно.

Задайте себе вопрос: почему мы до сих пор обсуждаем результаты почти вековой давности? Где данные по самым последним затмениям Солнца? Если их нет в справочниках по наблюдательной астрономии, в которых из года в год вносятся уточнения по тем или иным параметрам, - значит, отклонения лучей вблизи массивных тел абсолютно не интересуют астрономов-практиков, и мы догадываемся почему.

1. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в 4-х томах. / Под ред. И.Е. Тамма, Я.А. Смородинского и Б.Г. Кузнецова. - М.: Наука, 1965.
2. Паунд Р.Ф. О весе фотонов. / УФН LXXII вып. 4 (1960) .
3. Окунь Л.Б., Селиванов К.Г., Телегди В. Гравитация, фотоны, часы. / УФН 169 (1999).
4. Soldner, J. G. v. "Ueber die Ablenkung eines Lichtstrahls von seiner geradlinigen Bewegung, durch die Attraktion eines Weltkörpers, an welchem er nahe vorbei geht". Berliner Astronomisches Jahrbuch (1804) s. 161 – 172.
5. Soldner, J. G. v. "Ueber die Ablenkung..." ; (Lenard, P.) (1921). Annalen der Physik 65: 593 – 604.
6. Jaki, S.L. (1978). "Johann Georg von Soldner and the Gravitational Bending of Light, with an English Translation of His Essay on It Published in 1801". Foundations of Physics 8: 927–950. doi:10.1007/BF00715064..
7. Treder, H. J.; Jackisch, G. (1981). "On Soldners Value of Newtonian Deflection of Light". Astronomische Nachrichten 302: 275–277. doi:10.1002/asna.2103020603.
8. Will, C.M. (1988). "Henry Cavendish, Johann von Soldner, and the deflection of light". Am. J.Phys. 56: 413–415. doi:10.1119/1.15622.
9. Захаров А.Ф. Гравитационные линзы / Соровский образовательный журнал, том 7, № 8, 2001; его же книга "Гравитационные линзы и микролинзы" М.: Янус, 1997.
10. Pais A. Subtle is the Lord... The Science and the Life of Albert Einstein (Oxford: Oxford Univ. Press, 1982). [Русск. пер.: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. - М., 1989].
11. Тимирязев А.К. Теория относительности Эйнштейна и диалектический материализм / «Под Знаменем Марксизма» 1924 г., № 8–9, с. 142 – 157; № 10–11, с. 93 - 114; его же Теория относительности Эйнштейна и махизм / Стенограмма доклада на заседании Комм. Акад. - 7/II 1924 г. // Опубликована в сборнике статей «Естествознание и диалектический материализм». - М.: Материалист, 1925, с. 228–258; его же книга "Введение в теоретическую физику". - М.- Л.: ГТТИ, 1933.
12. Ивченков, Геннадий . Самое важное подтверждение ОТО, или Что измерил лорд Эддингтон (http://bourabai.kz/articles/ivchenkov.htm ).
13. Альберт Эйнштейн и теория гравитации / Сборник статей. - М.: Мир, 1979.
14. Хофман Б., Дюкас Э. Альберт Эйнштейн. Творец и бунтарь. - М.: Прогресс, 1983. (Banesh Hoffmann/Helen Dukas: Einstein. Schopfer und Rebell . Die Biographie, Frankfurt/M. 1978, amerikanisches Original New York, Viking Press, 1972).
15. Картер П., Хайфилд Р. Эйнштейн. Частная жизнь. - М.: «Захаров», 1998 (Paul Carter and Roger Highfield «The Private Lives of Albert Einstein», 1993).
16. Кузнецов Б.Г. Эйнштейн. Жизнь. Смерть. Бессмертие. Издание пятой, переработанное и дополненное. / Под редакцией М.Г. Идлиса. - М.: Наука, 1980.
17. Инфельд, Леопольд . Мои воспоминания об Эйнштейне / УФН, Т. LIX, вып. 1, 1956; «Tworczosc», вып. 9, 1955 г.; перевод с польского И.Е. Дудовской и Г.И. Залуцкого.
18. Петров А.М. Антиэйнштейн, - М.: Компания спутник, 2008.
19. Струве О., Линдс Б., Пилланс Э . Элементарная астрономия. - М.: "Наука", 1967.
20. Талызин, Игорь . Смещение звёзд во время затмения 1922 года ( http://lesage.narod.ru/Sun1922_2007.htm ).
21. Адам М.Г . Экспериментальные проверки теории гравитации. - в кн. Эйнштейновский сборник, 1969-1970. М.: Наука, 1970, с.196. ( http://www.lesage.narod.ru/Mikhailov/Sun.htm ).

Наш предыдущий рассказ о космологии в пятом номере журнала за этот год закончился на том, что недавно титул самого далекого объекта Вселенной вновь поменял своего владельца. С помощью десятиметрового телескопа имени У.Кека (о.Гавайи) была открыта галактика, у которой красное смещение линий в спектре составляет z = 4,921. А это означает, что ее расстояние от нас около десяти миллиардов световых лет и что мы видим ее такой, какой она была десять миллиардов лет назад, то есть спустя совсем малое время после начала расширения Вселенной.

Весьма впечатляющее открытие. Его авторы — М.Франкс из университета в Гронингене (Нидерланды) и Г.Иллингворт из Калифорнийского университета в Санта-Круз (США), — понимая, что в руках у них уникальный объект, продолжили его исследование с помощью самой мощной астрономической техники. Когда изображение галактики-чемпиона было получено космическим телескопом имени Хаббла, оказалось, что эта звездная система имеет необычную дугообразную форму. Астрономы знают — таких галактик не бывает! Поэтому авторы открытия заявили, что реальная форма галактики искажена эффектом «гравитационной линзы». Что же это за «линза», сквозь которую мы можем рассматривать галактики?

«Конечно, нельзя надеяться на то, что удастся прямо наблюдать это явление.»
А.Эйнштейн, из статьи «Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле», 1936 год

Эффект Эйнштейна

Отклонение луча света при его прохождении близ массивного тела — явление вполне очевидное, если только считать свет потоком корпускул, как это делали многие физики XVIII века. В таком случае для частиц света справедливы законы ньютоновой небесной механики. Используя их, немецкий ученый Зольднер рассчитал в 1801 году, что луч света от далекой звезды, проходящий вблизи поверхности Солнца, должен отклониться на 0,87 угловой секунды. Но вскоре, благодаря опытам Френеля, в физике утвердилась волновая теория света, и о работе Зольднера надолго забыли. Лишь в 1915 году, создавая общую теорию относительности, Альберт Эйнштейн вновь рассчитал отклонение света в поле Солнца (но уже в рамках новой физики) и получил вдвое больший угол: 1,75 угловой секунды. Это различие и стало одним из тестов для новой теории гравитации.

Ожидаемый Эйнштейном эффект был экспериментально подтвержден уже в 1919 году: тогда во время полного солнечного затмения экспедиция астрономов под началом Артура Эддингтона определила, что изображения звезд, видимые близ края солнечного диска, немного смещаются относительно своих обычных мест на небе. Искривляя лучи звезд, Солнце заставляет их изображения отступать от центра светила именно на ту ничтожную величину, которую предсказал Эйнштейн и которую (к счастью для него) астрономы с их легендарной «астрономической точностью» умеют измерять. Эффект едва заметен для чувствительнейших приборов, и мало кто мог ожидать тогда, что это тончайшее явление когда-нибудь породит важную научную методику.

Гравитационная линза

Но астрономы сразу же обратили внимание на эффект Эйнштейна: ведь массивное тело отклоняет лучи света так же, как объектив телескопа — то есть по направлению к оптической оси. Следовательно, где-то далеко лучи должны собраться в точке фокуса. Расстояния эти действительно велики: ближайшая к Солнцу точка его фокуса расположена в 550 раз дальше Земли. Впрочем, большие расстояния не пугают астрономов, у которых «лабораторный стол» — это весь необъятный космос. Поэтому англичане О.Лодж и А.Эддингтон уже в 1919 — 1920 годах рассматривают свойства «гравитационных линз», но оптимистических выводов еще не делают.

Трудно представить, что в России тех лет кого-то могла взволновать эта экзотика, однако же в 1924 году гравитационные линзы обсуждает знаменитый петербургский профессор физики Орест Даниилович Хвольсон. В 1935 году ими заинтересовался ленинградский астроном Гавриил Адрианович Тихов, прочитавший в январе следующего года лекции о них в Ленинграде и Пулкове, а в 1938 году опубликовавший статью об этом в журнале «Природа».

Впрочем, в те годы интерес к гравитационным линзам уже ощутим. Сам Эйнштейн публикует в журнале «Science» сообщение, отмечая, как это видно из эпиграфа к нашей статье, весьма пессимистические перспективы практического использования таких «линз». Более поздние работы показали, что ситуация со звездой-линзой еще хуже, чем думал Эйнштейн: любое отклонение формы звезды от идеального шара, например, вызванное ее вращением, только затруднит обнаружение эффекта.

Вообще говоря, заметить эффект гравитационной линзы можно по характерному изображению находящегося за ней далекого источника. Если наблюдатель расположен точно на оптической оси идеальной линзы, то это изображение выглядит ярким кольцом (известным теперь как «кольцо Эйнштейна»), а когда наблюдатель смещается в сторону от оси, кольцо тускнеет и разрывается на две дуги, которые стягиваются в точки. Причем одна из них приближается к центру линзы, бледнеет и совсем пропадает, а вторая удаляется от линзы и становится неискаженным изображением источника. Если же гравитационное поле линзы не идеально сферическое, то изображение значительно усложняется и «разваливается» на много частей; распознать в нем указанный эффект становится уже совсем нелегко.

Не менее важно и то, что сама звезда-линза при этом является мощным источником света, расположенным к наблюдателю гораздо ближе изображаемого ею объекта. Ослепляющее действие такой линзы можно преодолеть только в том случае, если она значительно усиливает яркость изображения источника. Это, в принципе, возможно, но только в тот короткий момент, когда наблюдатель располагается точно на оптической оси линзы, попасть на которую случайно, да еще сидя на несущейся в пространстве Земле, шансы невелики.

Но где же те реальные объекты, которые могут играть роль подобных линз? Наше Солнце расположено слишком близко к нам — искривленные им лучи у Земли еще не фокусируются. А ближайшие из звезд так далеки, что размеры колец Эйнштейна вокруг них должны быть в сотые доли угловой секунды. Да и то лишь в том случае, если нам повезло и за одной из них спрятался яркий источник. Во времена Эйнштейна большинство астрономов воспринимали идею поиска такого теоретического изыска как пустую трату времени.

Космические миражи

Но все же нашелся один молодой ученый, весьма серьезно отнесшийся к затее с гравитационными линзами. Это был швейцарский астроном Фриц Цвикки (1898 -1974), проработавший большую часть жизни в США, в Калифорнийском технологическом институте. В 1937 году он высказал мысль, что искривлять световые лучи может не только одна звезда, но и группа звезд. Скажем, целая галактика или даже гигантское скопление галактик. Как раз тогда Цвикки обдумывал, как можно измерить массу скопления галактик, и понял, что искривление света — подходящий индикатор для этого.

Вообще, Фриц Цвикки был удивительно многогранный и плодовитый ученый: он высказал много предвидений, часть из которых подтвердилась еще при его жизни. Например, он предсказал, что при взрыве сверхновой должна рождаться нейтронная звезда, и в конце шестидесятых действительно стал свидетелем открытия нейтронных звезд на месте взрывов сверхновых. Но предсказанное им отклонение света галактиками впервые было обнаружено лишь в 1979 году, когда группа астрономов из Англии и США случайно нашла двойное изображение квазара, образованное, как выяснилось, гравитационной линзой, в качестве которой выступила эллиптическая галактика.

Если в начале нынешнего века отклонение света в поле тяготения едва удавалось заметить, то к концу века этот тонкий эффект превратился в мощный инструмент астрономии. Сейчас с его помощью пытаются решить загадку темной материи, окружающей галактики и проявляющей себя гравитационным полем, но, по-видимому, не излучающей электромагнитных волн.

Роль удаленного источника излучения, просвечивающего гравитационную линзу, обычно играют квазары — объекты гигантской мощности, вероятно, активные ядра молодых, а значит, очень далеких галактик. Роль линзы при этом исполняет более близкая к нам массивная галактика или целое их скопление. За неполные два десятилетия астрономы обнаружили уже более двадцати гравитационно линзированных квазаров, чьи изображения сильно искривлены или даже расщеплены в поле массивного, но сравнительно тусклого объекта. Именно искаженные изображения позволяют выявлять гравитационные линзы, ведь их оптические свойства весьма далеки от совершенства: они не столько фокусируют лучи, сколько переиначивают их ход.

Квазары в комнате смеха

Если бы массивная галактика была идеально круглая, а квазар лежал прямо на ней, то его точечное изображение превратилось бы в «кольцо Эйнштейна». Однако галактики имеют сложную форму, а квазары могут располагаться как угодно, поэтому их изображения в гравитационной линзе обычно представляют систему из нескольких, в простейшем случае — из двух тесно расположенных пятен. Отличить два изображения одного квазара от двух видимых по соседству разных квазаров помогает их высокая активность и переменность блеска: если два изображения мигают синхронно, значит они принадлежат одному квазару.

Правда, иногда одно изображение повторяет «подмигивания» другого с некоторым запаздыванием во времени. Если изображений несколько, то у каждого из них своя временная задержка, поскольку свет каждого изображения добирается до нас своим путем. Измеряя задержку между одинаковыми колебаниями яркости у двух изображений квазара, составляющую от нескольких месяцев до нескольких лет, легко можно вычислить разницу в длине путей светового луча. А если удастся определить форму галактики, то по задержке времени можно найти ее истинный размер. Сравнив его с наблюдаемым угловым размером галактики, легко узнать расстояние до нее, а по положению линий в ее спектре — скорость удаления от нас. Наконец, поделив эту скорость на расстояние, астрономы определяют постоянную Хаббла — фундаментальную величину, описывающую важнейшее свойство Вселенной.

Все это легко в теории, но на практике такая работа требует высочайшего мастерства наблюдателей, причем не только во владении телескопом, но и в применении мощных математических методов обработки изображений. Изучить галактику, выступающую в роли гравитационной линзы, гораздо сложнее, чем обнаружить искаженное ее влиянием изображение квазара. Слабое изображение галактики тонет в ярком свете квазара (хотя по земным меркам оба они суперслабые: не ярче настольной лампы, зажженной на Луне). И все же астрономы взялись за эту задачу.

Недавно группа Фредерика Курбина (Институт астрофизики, Льеж, Бельгия) исследовала на Европейской южной обсерватории (Ла-Силла, Чили) квазар НЕ 1104 -1805, подвергшийся гравитационному линзированию. Отклоняющую свет галактику удалось обнаружить в инфракрасном диапазоне спектра, поскольку именно в этот диапазон сдвинут за счет эффекта Доплера максимум в спектре излучения удаляющейся от нас звездной системы. Квазар же с красным смещением z = 2,3 и раздвоенным гравитационной линзой изображением был открыт в 1993 году. Наблюдения в оптическом диапазоне позволили в 1995 году заметить между изображениями квазара слабый объект неясной природы. И только в 1997 году с помощью новой техники и математических методов обработки изображений удалось понять природу этого объекта.

Получив серию снимков в инфракрасном диапазоне и использовав новый алгоритм для повышения качества изображений, астрономы добились углового разрешения 0,27 угловой секунды, которое прежде было доступно лишь космическому телескопу. Правда, и при этом получить спектр слабой галактики, зажатой между двумя яркими изображениями квазара, не удается. Но поскольку в спектре квазара видны линии поглощения с красным смещением z = 1,66, то совершенно очевидно, что они принадлежат лежащей перед ним галактике. Так удалось узнать ее красное смещение, которое соответствует скорости удаления от нас около двухсот тысяч километров в секунду и расстоянию от шести до девяти миллиардов световых лет.

Если галактика-линза действительно расположена на таком расстоянии, то задержка во времени между вариациями блеска двух изображений квазара должна составлять три-четыре года. Измерив эту величину, астрономы надеются через несколько лет существенно уточнить постоянную Хаббла. Так, шаг за шагом, мы приближаемся к разгадке тайны Вселенной.

Отсутствие фактов — тоже факт

Гравитационная линза быстро становится рабочим инструментом астрофизики. Можно даже сказать — рутинным инструментом, поскольку важным фактом считается не только обнаружение эффекта линзы, но и его отсутствие в некоторых обстоятельствах. Например, недавно, проанализировав данные орбитальной гамма-обсерватории «Комптон», ученые США открыли протяженное гало из жесткого излучения, окружающее нашу Галактику. Для объяснения этого явления было предложено несколько версий.

Во-первых, гамма-кванты могут порождаться космическими лучами, частицы которых при столкновении с оптическими или инфракрасными фотонами передают им свою энергию и превращают их в кванты жесткого гамма-излучения (кстати, этот эффект, как и спутник-обсерваторию, называют именем Комптона). Вокруг некоторых галактик ореол из таких квантов наблюдается. Но в нашей Галактике для этого, как полагают, маловато космических лучей.

Источником гамма-квантов могли бы быть и нейтронные звезды — пульсары. Но для обеспечения наблюдаемой интенсивности их количество в гало Галактики должно быть огромным. И вот тут на сцену выходит эффект гравитационного линзирования: если в гало Галактики так много пульсаров, то почему они не проявляют себя в качестве гравитационных микролинз? Это серьезный аргумент против данной идеи.

Поэтому ученые склоняются к самому экзотическому объяснению гамма-короны Галактики: возможно, облако из гамма-квантов является косвенным доказательством существования во Вселенной «скрытой массы» в виде гипотетических сверхмассивных элементарных частиц. В гало нашей Галактики давно уже подозревается наличие такой «скрытой массы». А гамма-лучи могут возникать при столкновениях этих неизвестных частиц друг с другом.

Похоже, астрономы уже смирились с мыслью, что светящееся вещество Вселенной — все ее звезды и облака межзвездного газа — это лишь светлая «пенка» на поверхности черного, невидимого «кофе» из скрытой массы. Поняв же, стали нащупывать пути обнаружения и изучения этого загадочного невидимого вещества. Пока ясно одно: темное вещество, во всяком случае, является источником гравитации — по этому признаку его и надо искать. Для этой цели как нельзя более подходят гравитационные линзы. Как это часто случается, классики ошиблись в оценке перспектив своих открытий — у гравитационных линз большое будущее.

Невидимые галактики?

В конце 1997 года использование гравитационных линз для поиска скрытого вещества, похоже, принесло первые плоды. Астроном М.Хокинс (Королевская обсерватория, Эдинбург) заявил о том, что одним из невидимых массивных компонентов Вселенной, возможно, являются галактики, лишенные звезд. Свое утверждение он основывает на изучении парных изображений гравитационно линзированных квазаров. При исследовании восьми таких пар Хокинсу только в двух случаях удалось обнаружить отклоняющие свет звездные системы. У остальных шести раздвоенных изображений квазаров оптических следов гравитационной линзы-галактики не обнаружено. А судя по искажению изображений, по массе эти линзы не уступают нашей Галактике.

Хокинс и его коллеги считают, что им посчастливилось открыть таким образом «несостоявшиеся галактики», лишенные звездного населения и состоящие только из газа. Какая же причина помешала этому газу претерпеть гравитационный коллапс и сжаться в звезды? Возможно, виной этому быстрое исходное вращение протогалактического облака: центробежная сила остановила сжатие галактики еще до того, как из газа смогло начаться формирование звезд. Если это действительно так, то астрономы могут торжествовать: им удалось обнаружить еще одного «невидимого зверя Вселенной» — темные галактики. Решит ли это открытие (если оно состоялось) загадку скрытой массы, покажет будущее.

1 Как меру скорости далеких объектов астрономы используют красное смещение линий в их спектре, то есть относительное изменение длины волны линий за счет эффекта Доплера. Поскольку все далекие объекты удаляются от нас, смещение линий всегда происходит в сторону красной части спектра. С учетом релятивистских эффектов красному смещению z = 1 соответствует скорость 180 000 километров в секунду; при z = 2 скорость 214 300 километров в секунду; при z = 3 скорость 233 300 километров в секунду и при z = 4 скорость 245 500 километров в секунду. При хаббловском расширении Вселенной чем дальше объект, тем быстрее он удаляется от наблюдателя; поэтому красное смещение служит также мерой расстояния до далеких галактик и квазаров. Однако простой связи тут нет, поскольку она зависит от истории расширения Вселенной.

Еще Ньютон задавался вопросом: не подвержены ли световые лучи действию сил тяготения? В те времена на этот вопрос нельзя было ответить ни положительно, ни отрицательно, опытные данные итеоретические обобщения на этот счет не могли сказать ничего.

После установления связи между массой и энергией стало ясно, что свет должен обладать инертной массой, ведь давно известно, что световые волны переносят энергию. А если так, то, согласно принципу эквивалентности, свет должен иметь и тяжелую массу, т. е. закон всемирного тяготения должен распространяться и на лучи света. Пролетая мимо тяжелого тела, свет должен отклоняться от прямолинейного пути (рис. 37). Наблюдатель, находящийся в точке А, увидит источник света В не в направлении АВ, а в направлении АВ` . Впечатление будет такое, словно тяжелое тело С отталкивает находящиеся позади него источники света.

На это явление Эйнштейн указал еще в 1907 году; однако величина самого отклонения была им вначале вычислена неправильно. В последующих работах 1911 и 1915 гг. он внес необходимые исправления и обратился к астрономам с предложением попытаться проверить эти выводы.

Дело в том, что отклонение это весьма мало. Сразу же оказывается, что искривление световых лучей вблизи любого тела, находящегося в нашем распоряжении на земной поверхности, столь незначительно, что пытаться обнаружить его на опыте абсолютно безнадежно. Для этого массы всех этих тел чересчур малы. Единственное, что можно надеяться обнаружить — это искривление лучей света вблизи Солнца. Если бы можно было рядом с Солнцем увидеть звезды, то эффект отталки вания мог бы, в принципе, быть заметным.

Но как увидеть звезды рядом с Солнцем? Эта возможность осуществляется в моменты полных солнечных затмений. Ввиду того, что даже у самого края Солнца, несмотря на колоссальную его массу, смещения звезд все же чрезвычайно малы (примерно в тысячу раз меньше видимого углового диаметра Солнца), обнаружить их можно только фотографическим путем. Для этого следует с помощью подходящего астрономического инструмента сделать снимок прилегающей к Солнцу части неба в момент затмения, а затем, примерно через полгода, когда те же самые звезды будут видны ночью, произвести тем же самым инструментом по возможности в тех же условиях второй, контрольный снимок. Сравнивая их между собой под микроскопом (смещения звезд на пластинке составляют сотые доли миллиметра), можно попытаться обнаружить и измерить эффект Эйнштейна.


Первым опытам помешала начавшаяся мировая война, но в 1919 году двум астрономическим экспедициям посчастливилось получить сравнительно удачные снимки. После тщательных измерений и надлежащей, их обработки обнаружилось, что эффект отталкивания несомненно существует. Численная его величина оказалась чрезвычайно близкой к той, которую вычислил Эйнштейн.

Опубликование этих результатов в свое время произвело очень сильное впечатление. Теория относительности привлекла всеобщее внимание, О ней заговорили буквально все; очень скоро интерес к ней принял совершенно беспрецедентные размеры. Статьи по теории относительности печатались во всевозможных журналах, вплоть до медицинских и сельскохозяйственных. Эйнштейн стал одним из самых популярных Людей в мире.

Однако трезвая оценка результатов наблюдений эффекта Эйнштейна показала в дальнейшем, что результаты эти более чем скромны. Отклонение световых лучей вблизи Солнца действительно обнаруживалось. Но точное его измерение связано с целым рядом трудностей. Отклонение по своей величине весьма мало и близко к пределу точности астрономических измерений. Во время фотографирования солнечные лучи сильно воздействуют на приборы, нагревая и деформируя их важнейшие детали, в том числе зеркала и линзы. Контрольные снимки производятся всегда так или иначе в других условиях (например, при другой температуре). Все это в сильнейшей степени снижает надежность количественных результатов. Поэтому вывод о «блестящем подтверждении предсказаний теории относительности» в данном случае следует признать несколько поспешным.

После 1919 года попытки наблюдения эффекта Эйнштейна неоднократно повторялись, в том числе и советскими учеными (А. А. Михайлов), но положение улучшилось мало. Количественное согласие формулы Эйнштейна с опытом все еще находится под вопросом. Что же касается качественной стороны дела, то теперь можно считать с полной уверенностью, что вывод теории относительности об отклонении света под действием силы тяжести полностью подтвержден наблюдениями.