Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная - Уолтер Айзексон

В течение пяти месяцев 1905 года Эйнштейн перевернул физику, введя в нее понятие квантов света, специальную теорию относительности и статистические методы, доказывающих существование атомов. Теперь, в 1917 году, как раз заканчивался более длительный период его интенсивной творческой работы – с осени 1915 до весны 1917 года, – который Деннис Овербай назвал “возможно, самой грандиозной работой в истории физики, выполненной одним блестящим человеком”. Кажется, что его первый взрыв творческой активности в бытность патентным клерком потребовал на удивление небольших усилий. Но этот более поздний рывок был трудным и изматывающим, он потребовал от него напряжения всех сил, и к окончанию этой титанической работы он был истощен и страдал от желудочных болей15.

За это время он обобщил теорию относительности, вывел уравнения поля для гравитации, нашел физическое объяснение квантам света, высказал предположение о том, что кванты скорее связаны с вероятностью, чем с детерминированностью[61], и выдвинул концепцию структуры Вселенной как целого. В обращении и с самыми маленькими мыслимыми вещами – квантами, и с самыми большими – самим космосом Эйнштейн доказал, что он великий мастер.

В это время появилась возможность впечатляющей экспериментальной проверки общей теории относительности, которая могла бы позволить измученным войной людям отвлечься и помочь им исцелиться. Она была основана на простой концепции, которую каждый мог понять: гравитация должна искривить траекторию света. В частности, Эйнштейн предсказал, на какую величину отклоняется свет от далекой звезды при его прохождении через сильное гравитационное поле, окружающее Солнце.

Чтобы проверить это предположение, астрономы должны были бы начертить траекторию звезды в обычных условиях. Потом они должны были бы подождать, пока расположение звезды относительно Солнца будет таким, что свет от этой звезды пройдет в непосредственной близости от него, и посмотреть, изменится ли положение звезды.

Было одно важное препятствие. Такое наблюдение возможно только при полном затмении, когда звезды можно увидеть и сфотографировать. К счастью, природа случайно выбрала для размеров Солнца и Луны такие удобные для нас пропорции, что каждые несколько лет случаются полные затмения, причем в те моменты времени и в тех местах, которые идеально подходят для таких наблюдений.

В статье Эйнштейна 1911 года “О влиянии гравитации на распространение света”, и в работе, описывающей его проект теории (Entwurf), опубликованной в следующем году, он подсчитал, что луч света, проходящий вблизи Солнца, отклонится (с учетом некоторых более поздних исправлений) примерно на 0,85 угловой секунды. Это значение совпадало с результатом, который можно получить с помощью эмиссионной теории, в частности ньютоновской, в который свет рассматривается как поток частиц. Как упоминалось ранее, попытка проверить этот результат во время затмения августа 1914 года в Крыму была сорвана войной, и этим Эйнштейн был спасен от возможного обвинения в том, что его теория неправильно описывает эксперимент.

В конце 1915 года, когда он нашел уравнения поля и вычислил кривизну пространства – времени, вызванную гравитацией, он получил для отклонения вдвое большее значение. Свет, проходящий рядом с Солнцем, по его расчетам, должен был отклониться примерно на 1,7 угловой секунды.

В своей популярной книге по теории относительности, вышедшей в 1916 году, Эйнштейн описал еще одну возможность проверки этого вывода учеными. “Это должно было бы проявляться в том, что неподвижные звезды, видимые вблизи Солнца при полных солнечных затмениях, казались бы смещенными на 1,7 угловой секунды по сравнению с тем положением, которое они занимают в том случае, когда Солнце находится в другом месте неба[62], – утверждал он. – Проверка правильности этого вывода представляет собой задачу чрезвычайной важности, и мы надеемся на скорое решение ее астрономами”16.

Голландскому астрофизику Виллему де Ситтеру удалось в 1916 году, в разгар войны, переправить копию статьи по общей теории относительности Эйнштейна через Ла-Манш Артуру Эддингтону, директору Кембриджской обсерватории. Эйнштейн был не очень известен в Англии: у английских ученых считалось патриотичным либо игнорировать, либо принижать достижения германских коллег. Эддингтон стал исключением. Он с энтузиазмом принял теорию относительности и написал обзор на английском языке, который сделал теорию популярной, по крайней мере среди ученых.

Эддингтон проконсультировался с королевским астрономом сэром Фрэнком Дайсоном, и им пришла в голову смелая идея собрать команду английских ученых и доказать теорию немецкого ученого, несмотря на то что их страны были в состоянии войны. Кроме того, это помогло бы решить личную проблему Эддингтона. Он был квакером, а значит, пацифистом, и ему грозила тюрьма за отказ от военной службы в Англии. (В 1918 году ему было тридцать пять лет, и следовательно, он все еще подлежал воинскому призыву.) Дайсон смог убедить британское Адмиралтейство, что Эддингтон лучше послужит своему народу, возглавив экспедицию по проверке теории относительности во время следующего полного солнечного затмения.

Это затмение должно было случиться 29 мая 1919 года, и Дайсон подчеркнул, что это будет уникальная возможность. Солнце тогда будет расположено на фоне богатого звездами скопления Гиады, которое мы, простые любители понаблюдать за звездами, можем увидеть в центре созвездия Тельца. Но наблюдать его пришлось бы в дальних широтах, лучше всего – на линии, которая идет через Атлантику в районе экватора от берегов Бразилии к Экваториальной Африке. И организовать экспедицию туда тоже было нелегко – в 1918 году в этом регионе было полно немецких подводных лодок, и их капитаны больше интересовались контролем над морем, чем кривизной космоса.

К счастью, война закончилась еще до начала экспедиции. В начале марта 1919 года Эддингтон отплыл из Ливерпуля с двумя командами. Одна группа отправилась устанавливать свои камеры в уединенном городе Собрал в джунглях Амазонки на севере Бразилии. Вторая группа, с которой отплыл и Эддингтон, направилась на крошечный остров Принсипи, в португальскую колонию, расположенную на градус к северу от экватора в непосредственной близости от Атлантического побережья Африки. Эддингтон установил свое оборудование на краю утеса высотой примерно 160 метров на северной оконечности острова17.

Затмение на Принсипи должно было начаться в 3 часа 13 минут дня по местному времени и продлиться около пяти минут. В то утро шел сильный дождь. Но, когда подошло время затмения, небо стало очищаться. Для Эддингтона это был самый важный момент его карьеры, и небо, как нарочно, дразнило и мучило его, то укрывая облаками, то открывая ускользающее Солнце.

В своем дневнике Эддингтон отметил: “Я почти не видел затмения, поскольку был слишком занят сменой фотопластинок и сумел только бегло взглянуть на него, чтобы убедиться, что оно уже началось, и еще раз в промежуточный момент, чтобы посмотреть, сколько на небе облаков”. Он сделал шестнадцать фотографий. “На них хорошо получилось Солнце, очень четко виден его профиль, но облака затенили изображения звезд”. В телеграмме в Лондон, посланной в тот же день, он был краток: “Сквозь облака, с надеждой. Эддингтон”18.