Около пяти минут 29 мая 1919 года Луна заслонила Солнце над островом в Гвинейском заливе и выжженной равниной на севере Бразилии, а две группы астрономов навели свои камеры на участок неба, который в обычных условиях невозможно разглядеть. Они снимали кадры солнечного затмения 1919 года вовсе не ради его красоты, а чтобы измерить, сместилась ли горстка звезд. Сами звезды, разумеется, никуда не смещались — изменился путь их света. Если Альберт Эйнштейн был прав, гравитация Солнца должна была искривить траекторию света звезд, проходящего у самого его края, примерно на 1,75 угловой секунды. Это смещение настолько мало, что примерно равно ширине монеты, если смотреть на нее с расстояния в две мили. Физика Ньютона тоже допускала отклонение, но вдвое меньшее. Разница между этими двумя числами разделяла две разные вселенные, и она пряталась на нескольких стеклянных фотопластинках с покрытием. Когда пластинки наконец изучили, а результаты обнародовали в ноябре того же года, Эйнштейн превратился из физика, известного в основном в узких академических кругах, в самого знаменитого ученого на планете. Это история снимков, которые изменили всё.

Почему свет звезд должен изгибаться

Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности в 1915 году, в разгар Первой мировой войны, из-за чего работы немецкого ученого практически не доходили до Великобритании. Эта теория полностью переосмыслила гравитацию. Вместо невидимой силы, протянувшейся сквозь пространство, гравитация стала геометрией: масса искривляет пространство-время, а всё, что движется в этой области, включая свет, следует по этому искривленному пути. Последнее утверждение как раз и представляло собой проверяемую на практике задачу. Классическая физика так и не пришла к единому мнению насчет того, как гравитация влияет на свет. Если рассматривать свет как пучок ньютоновских корпускул, падающих в гравитационном поле Солнца, то для луча, скользящего по касательной к Солнцу, отклонение составит около 0.87 угловой секунды, в то время как классическая волновая картина вообще не давала возможности произвести такой расчет естественным путем. Ранние наработки Эйнштейна давали близкий к ньютоновскому результат. Завершенная же теория 1915 года увеличила его вдвое. Полная кривизна пространства-времени вблизи Солнца должна отклонять скользящий луч примерно на 1,75 угловой секунды — это в два раза больше ньютоновского значения.

Здесь открывался простор для чистейшего эксперимента. Требовалось сфотографировать звезды, чей свет проходит в непосредственной близости от Солнца, измерить, насколько их видимое положение сместилось по сравнению с картой ночного неба, и посмотреть, какому из чисел отдал предпочтение сам Млечный Путь. Подвох заключался в сложной технической задаче: звезд рядом с Солнцем в обычное время не разглядеть. Единственная возможность сделать это выпадает на те несколько минут полного затмения, когда Луна закрывает солнечный диск, а небо вокруг темнеет настолько, что тусклые звезды успевают запечатлеться на фотопластинке.

Человек, который выбрал дату

Затмение 29 мая 1919 года подходило для этой цели настолько идеально, что в это верилось с трудом. Фрэнк Дайсон, королевский астроном и директор Гринвичской обсерватории, указал на него за несколько лет до этого. Полная фаза в тот день оказалась одной из самых долгих в столетии: ее пик над центральной частью Атлантического океана длился около семи минут, а в двух точках экспедиций составлял примерно пять минут. Этого времени вполне хватало для длительной выдержки, которой требовали тусклые звезды. Что еще важнее, затемненное Солнце должно было оказаться ровно на фоне Гиад — яркого рассеянного звездного скопления в созвездии Тельца неподалеку от красноватой звезды Альдебаран. Богатая звездами область подходила для измерений как нельзя лучше. Разреженное звездное поле предоставило бы слишком мало опорных точек, чтобы им можно было доверять.

У Дайсона был личный опыт работы с этой проблемой. Еще в 1917 году он изучил старые снимки затмения 1905 года, но не смог выявить убедительного отклонения на редкой россыпи запечатленных там звезд. Он открыто заявлял в публикациях, что 1919 год предоставит идеальный шанс поставить точку в этом вопросе, а предстоящее затмение послужит достаточной проверкой — подтверждающей теорию Эйнштейна или опровергающей ее. Чтобы повысить шансы на возвращение домой с пригодными пластинками, он организовал сразу две научные экспедиции.

Одна из научных групп отправилась в Собрал — засушливый район во внутренних областях бразильского штата Сеара. Эту экспедицию возглавляли Эндрю Кроммелин и Чарльз Дэвидсон из Гринвичской обсерватории. Вторая команда направилась на остров Принсипи у западного побережья Африки под руководством Артура Эддингтона из Кембриджа, которого сопровождал мастер-часовщик Эдвин Коттингем, отвечавший за бесперебойную работу приборов. Эддингтон, будучи квакером и убежденным пацифистом, посвятил часть военных лет глубокому изучению теории Эйнштейна в то время, когда в Великобритании почти никто не решался ее читать. Он искренне желал, чтобы эта теория подтвердилась, и впоследствии критики неоднократно использовали данный факт против него.

Как взвесить свет на стеклянной пластине

Методика строилась на классической фотографии и астрометрии, прощая минимум ошибок и требуя ювелирной точности. В фазу полной фазы каждое подразделение делало серию снимков на стеклянные пластины через телескопы, фиксируя затемненный солнечный диск в окружении звезд, которые удавалось поймать в объектив. Это и были те самые уникальные затменные пластины. За несколько месяцев до или после затмения обе команды запечатлели то же звездное поле ночью, когда Солнце находилось далеко, используя по возможности те же линзы, хотя условия монтажа и локации порой различались. Такие снимки служили контрольными образцами для сравнения.

Эддингтон дополнительно применял специальные проверочные пластины совершенно иного звездного участка для калибровки масштаба телескопа. Весь эксперимент строился на математической разнице между двумя наборами снимков. Если бы гравитация искривляла лучи света, звезды вблизи солнечного диска на затменной пластине казались бы смещенными наружу по сравнению со спокойным ночным положением. Требовалось измерить это внешнее смещение для каждого объекта, учесть уменьшение эффекта с удалением от центра и вычислить отклонение у самого края свера.

Процесс измерения заключался в изучении пластин под микроскопом с микрометром, где позиции звезд считывались с точностью до тысячных долей миллиметра. На следующем этапе вступали в силу поправки, которые представляли наибольшую сложность. Масштаб оптического прибора способен колебаться под воздействием температуры. Жар от Солнца деформирует зеркала между экспозициями. Комплекты пластин создавались в разные ночи при непостоянной погоде и на отличающемся оборудовании, а малейшие погрешности грозили создать ложное смещение или скрыть реальный эффект, превышающий искомые 1,75 угловой секунды. Выделение полезного сигнала из этой помехи заняло остаток лета и значительную часть осени.

Тучи над Принсипи

Эддингтон едва не остался ни с чем. Утром в день астрономического явления остров Принсипи затянуло тропическим штормом. Дождь шел до самого полудня, а небо прояснилось буквально за считанные минуты до начала полной фазы. Эддингтон экспонировал шестнадцать пластин сквозь расходящиеся облака, полагаясь больше на удачу, поскольку в окуляр не удавалось разглядеть звезды. Большинство кадров оказались испорчены: они покрылись туманом от рассеянного солнечного света или были закрыты проплывающей облачностью. Лишь пара пластин сохранила пригодные изображения звезд, и это был весь полученный материал.

Исследователь не мог дожидаться обратного корабля и провел предварительные замеры прямо на острове. Один удачный снимок явно подтверждал правоту Эйнштейна, и позже ученый называл этот миг величайшим в своей жизни. Полная обработка двух пригодных пластин, завершенная уже в Англии при сопоставлении с оксфордскими контрольными образцами, показала отклонение около 1,61 угловой секунды со значительной вероятной погрешностью примерно в 0,30 угловой секунды.

Понятие вероятной ошибки соответствовало статистическим нормам той эпохи и давало меньший диапазон, чем современное стандартное отклонение, поэтому реальная погрешность была еще шире. Полученный результат оказался ближе к предсказаниям Эйнштейна, чем к законам Ньютона, однако он опирался на скудную горстку звезд и вряд ли смог бы убедить закоренелых скептиков в одиночку.

Пластины, принесшие результат

Метеорологические условия в Собрале оказались значительно благоприятнее. Несмотря на облачность, погоды хватило для получения большого числа пригодных пластин, причем экспедиция задействовала сразу два параллельных прибора, включая четырехдюймовый телескоп.

Второй инструмент экспедиции — более крупный астрографический объектив, взятый на время поездки — подвёл исследователей. Оптика потеряла фокус, вероятнее всего, из-за термического воздействия на сам телескоп или его целостатное зеркало, из-за чего изображения звёзд смазались и превратились в нечёткие, ненадёжные овалы. Два комплекта оборудования из Собрала продемонстрировали кардинально разные результаты, и именно этот эпизод впоследствии стал предметом долгих дискуссий и примечаний на полях научных трудов.

Качественные пластины с четырёхдюймового объектива обеспечили самые чёткие и заслуживающие доверия данные всей экспедиции, зафиксировав отклонение лучей примерно на 1,98 угловой секунды при заявленной вероятной погрешности всего в 0,12. Это число безоговорочно поддерживало теорию Эйнштейна и кардинально расходилось с расчётами Ньютона. Дефектные же астрографические пластины не дали однозначного ответа: в зависимости от применённых математических моделей для компенсации сильного расфокуса и изменения масштаба, обработка давала либо около 0,93 угловой секунды, либо примерно 1,52, причем оба варианта сопровождались высокой степенью неопределенности.

Дайсон и его коллеги сочли этот массив данных слишком скомпрометированным, чтобы опираться на него, и отложили его в сторону, сделав выбор в пользу четырехдюймовых пластин из Собрала и пары снимков с Принсипи. Спустя десятилетия это решение подверглось жесткой критике. В 1980 году два философа науки заявили, что исследователи намеренно избавились от корректных данных, противоречивших Эйнштейну, и оставили лишь те, что подтверждали его правоту, обвинив Эддингтона в предвзятости ради триумфа теории относительности. Эта история обрела популярность, превратившись в классический сюжет о том, что знаменитый научный прорыв якобы был сфальсифицирован.

Однако реальные архивные свидетельства куда скромнее предъявленных обвинений. Обработкой данных из Собрала занимался вовсе не Эддингтон, а команда Дайсона из Гринвича, а астрографические пластины имели документально подтвержденный физический дефект. Повторное измерение, проведенное в 1979 году с использованием современных измерительных приборов, позволило извлечь из астрографических пластин значение около 1,55 угловой секунды, подтвердив правильность исходных выводов.

Объявление, родившее легенду

Шестого ноября 1919 года Лондонское королевское общество и Королевское астрономическое общество провели совместное заседание под портретом Исаака Ньютона. Фрэнк Дайсон представил собравшимся итоговые данные, подтверждающие правоту Эйнштейна. Джозеф Джон Томсон назвал это достижение важнейшим результатом в области гравитационной теории со времен Ньютона.

Остальное сделала пресса. На следующее утро газета Times of London вышла с заголовком «Революция в науке», а New York Times подробно описала триумф физика. Образ одинокого гения, опровергнувшего Ньютона, оказался невероятно притягательным, и Альберт Эйнштейн проснулся знаменитым.

Что на самом деле доказали стеклянные пластины

Если отбросить громкие газетные заголовки, в сухом остатке останется измерение, которое впоследствии неоднократно проверялось. Астрономы повторяли аналогичные эксперименты во время последующих солнечных затмений, а позднее радиоастрономы сделали этот процесс еще более чистым, отслеживая квазары и подтвердив отклонение лучей с точностью до доли процента.

Искривление звездного света превратилось в рабочий инструмент науки. Гравитационное линзирование теперь позволяет астрономам оценивать массу темной материи и фотографировать объекты на краю наблюдаемой Вселенной, каждый раз заново проводя эксперимент прошлого столетия на космической арене.

Как снимают то же небо сегодня

Сегодня для съемки полного солнечного затмения используются современные цифровые камеры, однако физика процесса остается прежней: телеобъектив фиксирует корону и соседние звезды, требуя надежной защиты аппаратуры. Звезды на фоне яркой короны остаются сложнейшей задачей, но результат теперь помещается на карту памяти.

В этом заключается удивительный парадокс исторических снимков: они зафиксировали едва заметное смещение звезд под тяжестью солнечной массы и навсегда изменили представление о форме пространства. Вселенная же, которую они открыли миру, остается нашим общим домом с тех самых пор.

Источник: fstoppers.com