Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Теперь представьте себе свет звезды, расположенной в наблюдаемом участке неба вблизи края солнечного диска. Свет звезды движется во Вселенной по прямой десятки или сотни лет, может, и больше, точно в направлении нашего телескопа. Но вот свет проходит рядом с Солнцем. Поскольку Солнце является массивным телом, оно вызывает местное искривление пространственно-временного континуума, как было описано в главе 1. В результате траектория света отклоняется. Свет начнет двигаться немного в другом направлении и не попадет в наш телескоп.

Но если свет не попадает в телескоп, видим ли мы вообще эту звезду? Разумеется, видим. Есть и другие лучи той же звезды, исходящие в пространство в несколько различающихся направлениях и также двигающиеся по прямым. В других условиях они миновали бы наш телескоп. Но при прохождении рядом с Солнцем их траектории также отклоняются искривлением пространственно-временного континуума, вследствие чего они попадают в объектив.

Таково предсказание ОТО Эйнштейна: мы можем наблюдать лучи света звезды, отклонившиеся под воздействием искривления пространственно-временного континуума. Не будь искривления, свет, проходящий очень близко от края солнечного диска, дал бы изображение звезды вплотную с Солнцем. Но, поскольку свет, проходящий рядом с Солнцем, отклоняется на несколько иную траекторию движения, мы видим эту звезду чуть дальше от края солнечного диска, чем она находится на самом деле, – то есть видим ее в «неправильном» положении.

В каком-то смысле Солнце действует как линза. Оно словно увеличивает звездное поле в своей непосредственной близости. На бóльших видимых расстояниях от Солнца эффект становится слишком слабым, чтобы его можно было заметить. Но рядом с краем Солнца все звезды кажутся чуть оттесненными в стороны. Вот оно, искомое отклонение света звезд искривлением пространственно-временного континуума.

Тут есть любопытный момент. Не многим известно, что теория всемирного тяготения Ньютона тоже предсказывает отклонение света звезд. Это звучит дико – в конце концов, свет не имеет массы, не так ли? Разве нечто, не имеющее массы, может притягиваться и сбиваться с пути массивным телом, например Солнцем? Давайте представим два объекта, движущихся вокруг Солнца в одинаковом направлении: Землю и яблоко. Земля намного массивнее яблока. Вследствие этого сила притяжения, действующая на яблоко, намного меньше действующей на Землю. Но в случае менее массивного тела меньшей силы достаточно для сообщения аналогичного ускорения. Фактически именно это продемонстрировали Симон Стевин и Ян Корнелиус де Гроот, роняя шары разной массы с башни Новой церкви в Делфте. Что справедливо для шаров разной массы, справедливо и для Земли и яблока. Они оба ускоряются в одинаковой мере и в результате движутся по одной траектории вокруг Солнца.

Таким образом, в теории Ньютона гравитационное ускорение не зависит от массы. Яблоки ускоряются так же, как планеты. Даже элементарная частица чрезвычайно малой массы, например электрон, испытывает такое же гравитационное ускорение. Масса планеты, яблока или электрона вообще не присутствует в итоговой формуле. Поэтому, даже если масса равна нулю, как в случае света, теория Ньютона предсказывает гравитационное ускорение. (Разумеется, расчетное отклонение очень мало в силу огромной скорости света.)

В 1911 г. Эйнштейн сделал первое предсказание об отклонении света звезд Солнцем. К сожалению, его расчетная величина совпала с ньютоновской – чуть меньше одной угловой секунды. Если обе теории прогнозируют одну и ту же величину, то никакой эксперимент не сможет подтвердить преимущество одной из них. Однако в 1916 г. Эйнштейн понял, что ошибся в математических расчетах и что отклонение света, согласно ОТО, должно быть почти в два раза больше, чем по теории Ньютона, – целых 1,75″.

В повседневной жизни отклонение 1,75″ – это совсем немного. Представьте, что друг светит фонариком в вашу сторону с расстояния 120 м. Вы с точностью определяете направление, откуда приходит свет. Затем ваш друг передвигает фонарик всего на 1 мм. Это даст угол 1,75″. Поверьте, измерить его будет сложно.

Есть другая проблема: эффект имеет место только вблизи наблюдаемого края Солнца. Вы когда-нибудь пытались увидеть звезды при ярком дневном свете, тем более измерить их положение? Это все равно что пытаться изучать светлячков, порхающих далеко позади мощного прожектора, освещающего двор. Хотелось бы выключить прожектор или хотя бы убавить яркость.

Сходным образом была решена проблема измерения отклонения света звезд. Солнце то и дело временно «выключается», когда перед ним проходит диск Луны. В течение полного солнечного затмения яркая поверхность Солнца полностью заслоняется, или затемняется, Луной, и звезды на его фоне становятся видны.