ГЛАВА ДЕСЯТАЯ. Проверка общей теории относительности Энштейна

Научная теория сохраняет свое значение лишь постольку, поскольку она соответствует опытным фактам. Если после учета всех возможных ошибок эксперимента между теорией и результатами наблюдений все же останется расхождение, то это будет означать, что теория нуждается в изменении.

Движение перигелия Меркурия

Долгое время считалось, что наблюдаемая орбита планеты Меркурий значительно отличается от рассчитанной на основе ньютоновского закона всемирного тяготения. Если бы Меркурий был единственной планетой в Солнечной системе, то его траекторией была бы кривая, называемая эллипсом, причем Солнце располагалось бы в точке 5, носящей наименование фокуса эллипса; центр эллипса С не совпадает с его фокусом. Если через точки провести прямую, то она пересечет эллипс в точках как показано на фиг. 34. Ближе всего к Солнцу планета окажется в тот момент, когда она будет находиться в точке точка А соответствует максимальному удалению планеты от Солнца. Точка А носит название перигелия орбиты. Согласно ньютоновской механике, притяжение

Других планет нарушает регулярность движения, и вместо того, чтобы год за годом двигаться по одной и той же орбите, планета будет описывать эллипс, перигелий которого непрерывно смещается. Иными словами, линия непрерывно поворачивается относительно неподвижных звезд. Вычисления, выполненные на основе ньютоновского закона всемирного тяготения, показывают, что суммарное влияние всех известных планет могло бы привести к повороту перигелия в столетие на 532 угл. сек. Наблюдения же показали, что в действительности вековая скорость вращения достигает 574 угл. сек. Следовательно, существует расхождение, составляющее 42 угл. сек за столетие и требующее своего объяснения. Обнаруженное различие может показаться очень маленькой ошибкой. В самом деле, оно не превышает угла, под которым глаз видит пятикопеечную монету на расстоянии примерно 120 м.

Фиг. 34.

Однако в действительности эта величина значительно превосходит все возможные ошибки наблюдений.

Нерегулярности в движении планеты Уран послужили толчком к открытию новой планеты — Нептуна. В 1846 г. Адаме и Леверье независимо вычислили траекторию планеты, которая могла бы приводить к наблюдавшимся искажениям орбиты Урана. Леверье послал расчеты положения этой гипотетической планеты на небосводе в Берлин доктору Галле, который тут же исследовал в свой телескоп указанную часть неба и обнаружил там новую планету — Нептун, причем положение этой планеты оказалось очень близким к предсказанному. Аналогичным образом пытались объяснить нерегулярности в движении Меркурия. Для этого была придумана планета, которой дали имя Вулкан. Однако обнаружить Вулкан так и не удалось, и это подорвало веру в его существование. Но если мы заменим ньютоновский закон всемирного тяготения эйнштейновским законом пространства-времени,

то расхождение исчезнет. Вывод результата в теории Эйнштейна связан с необходимостью использовать математические выкладки, выходящие за рамки нашей книги. Однако даваемая этой теорией поправка носит очень простой характер: если планета движется по орбите со скоростью то линия, соединяющая перигелий с Солнцем, поворачивается за один оборот на дополнительный угол, равный прямым углам. Читатель легко докажет (см. упражнение 3 на стр. 151), что в случае Меркурия это соответствует с точностью до секунды требуемым 42 угл. сек в столетие.

Очень жаль, что эту поправку нельзя проверить на примерах остальных планет. Это связано с тем, что либо малыми оказываются скорости планет, либо их орбиты имеют почти круговую форму, вследствие чего нельзя измерить точное положение перигелия планеты. Но тот факт, что теория относительности позволяет столь точно вычислить необходимую поправку к движению Меркурия, служит веским и ярким подтверждением справедливости этой теории.

Помимо демонстрации того, что новая теория устраняет аномалию, которая до того времени не имела удовлетворительного объяснения. Эйнштейн также предсказал два эффекта, которые, будучи подвергнуты опытной проверке, позволили бы сделать выбор между старой и новой теориями.