В 1915 году Альберт Эйнштейн «был на седьмом небе от счастья». По крайней мере, так он писал своим друзьям. И речь шла совсем не о сделанных им фантастических открытиях. Не о скорости света, и не о связи между пространством и временем. И даже не об эквивалентности массы и энергии. Он рассказывал всем об открытии, связанном с Меркурием!
Это самая маленькая из планет в нашей Солнечной системе. Она известна человеку с самых древних времён. Потому что это одна из пяти планет, видимых невооружённым глазом. Однако её довольно трудно увидеть, в отличие от Марса или Венеры. И вряд ли Меркурий как-то вдохновлял человеческое воображение. Однако то, что так восхитило Эйнштейна, на самом деле стоило этой радости. Ведь учёный разгадал тайну, которая столетиями озадачивала астрономов!
Астрономы древности
Описание движения небесных тел для древних астрономов было сложной задачей. Все, что они могли – наблюдать за небесными телами и записывать их положение на небе. И выявлять некоторые закономерности. После чего звездочёты древности научились предсказывать, когда и где произойдёт какое-то астрономическое событие. Однако глубокого понимания причин, по которым это всё происходит, у них не было. Никто из древних людей не знал, почему планеты, например, вообще перемещаются по небу. Они, в общем-то, даже не знали, что Земля – это тоже планета. И что она движется вокруг Солнца. Так же, как и все остальные планеты.
И только в 15-ом и 16-ом веках произошла революция. Гелиоцентрическое мировоззрение сменило устаревшее геоцентрическое. И оказалось, что планеты, подобные Меркурию, вращаются вовсе не вокруг Земли! А все вместе они крутятся вокруг Солнца!
Астроному Иоганну Кеплеру первому удалось правильно рассчитать орбиты небесных тел. Оказалось, что они не круговые, а эллиптические! Это открытие дало возможность учёным делать прогнозы, которые были намного точнее, чем раньше. А потом появился великий Исаак Ньютон. И создал математическое описание сил притяжения между небесными телами.
Все, что было нужно для того, чтобы делать действительно точные предсказания о движении небесных тел, было собрано вместе. Астрономы знали, как планеты двигаются. И у них были нужные математические формулы для расчёта этого движения. Да, точный расчёт был ещё невозможен. Но все же полученные решения более или менее всех устраивали. Они отлично работали. До поры до времени…
В 18 веке семейство планет пополнилось: Уильям Гершель открыл новую планету Уран. И математика Ньютона позже была блестяще подтверждена. Причём самым странным образом. Потому что движение Урана, на самом деле, не соответствовало ньютоновским уравнениям. Расчётные положения планеты не совпадали с наблюдаемыми. Получалось, что либо теория Ньютона не совсем верна, либо что-то упущено. В данном случае упущена была другая планета: Нептун. Её открыли в 19 веке.
В последующие десятилетия механика движения планет стала понятнее ещё лучше. И их орбиты можно было рассчитывать все точнее и точнее.
Проблема Меркурия
Вот только Меркурий создавал проблемы.
Речь идёт о так называемом «аномальном смещении перигелия Меркурия». Перигелий — это такая точка орбиты. Самая ближайшая к Солнцу.
Орбита Меркурия сильно отличается от круговой. В самой дальней своей точке она находится на расстоянии почти 70 миллионов километров от Солнца. В ближайшей к Солнцу точке (т. е. в перигелии) — это 46 миллионов километров. Однако при этом орбита планеты никогда не остаётся стабильной. В основном это связано с гравитационными воздействиями других планет. Это означает, что орбита и, следовательно, положение перигелия медленно дрейфуют вокруг Солнца.
Астрономы установили, что перигелий орбиты Меркурия смещается со скоростью 574 угловых секунды за сто лет. А полный оборот перигелия орбиты Меркурия вокруг Солнца занимает почти 225 000 лет.
И вот тут-то подкралась внезапная неожиданность. Расчёты показали, что гравитационные воздействия от других планет должны вызывать смещение перигелия орбиты Меркурия почти на 531 угловую секунду за сто лет. Другая, но очень малая, часть смещения перигелия вызвана тем, что Солнце не является идеальной сферой, а слегка сплющено из-за вращения вокруг своей оси.
Но откуда берутся 43 угловые секунды смещения перигелия, которые нельзя объяснить ни формой Солнца, ни влиянием других планет?
Обнаруженный эффект конечно же был небольшим. Но при этом не настолько маленьким, чтобы его можно было просто проигнорировать. Он был недостаточно мал, чтобы просто отбросить его как ошибку в расчётах. Или наблюдениях. Сдвиг перигелия Меркурия происходил быстрее, чем должен был происходить! И снова теория Ньютона столкнулась с кризисом. И в отличие от истории с Нептуном, случившейся столетием ранее, она не пережила его…
Аномалия перигелия Меркурия
Но вернёмся к Эйнштейну. В своих письмах друзьям он объяснил причины, по которым появлялись дополнительные 43 угловые секунды смещения перигелия Меркурия. В 1915 году, после долгих трудов, ему, наконец, удалось совершенно по-новому описать гравитацию в своей общей теории относительности. Учёный обнаружил, что пространство и время не являются неизменными. И что на них влияет присутствие масс. Масса искажает пространство-время. А форма пространства-времени определяет движение массы. Земля движется вокруг Солнца не потому, что Солнце воздействует на неё силой. А потому, что Солнце искривляет пространство, и Земля должна двигаться по этой кривой. И, таким образом, просто вынуждена двигаться по орбите вокруг Солнца.
Это было великолепным достижением Эйнштейна. Используя его теорию тяготения, можно было описать движение небесных тел гораздо точнее, чем при использовании ньютоновской теории. И она смогла объяснить аномальное смещение перигелия Меркурия!
Но в чём же отличие Меркурия от других планет? Почему ньютоновская теория с ними работает, а с Меркурием – нет? Дело в том, последний находится ближе всех к Солнцу. А по мере приближению к нашей звезде искривление пространства увеличивается. Поэтому этот эффект заметен именно там. Тогда как в случае с более далёкими планетами его нельзя установить без очень точных измерений.
В случае с Меркурием искривление пространства вблизи Солнца приводит к тому, что длина орбиты планеты становится короче, чем предполагалось до появления теории Эйнштейна. Именно поэтому смещение перигелия происходит быстрее, чем ожидалось. И когда Эйнштейн подсчитал, насколько велик эффект, он получил ровно 43 угловых секунды, которые до сих пор никто не мог объяснить.
Так что учёный имел полное право быть счастливым. Его новое, и совершенно неожиданное описание гравитации получило первое блестящее подтверждение.
Теория и практика
Общая теория относительности — это не просто теория. На практике её тоже применяют. Хотя в подавляющем большинстве случаев, связанных с повседневными эффектами гравитации, её можно и игнорировать. И использовать старую добрую теорию Ньютона. Её также обычно вполне достаточно для расчёта движения планет, астероидов и космических зондов.
Однако, когда в 2008 году космический зонд MESSENGER подлетел очень близко к Меркурию, выполняя манёвр разворота, инженерам пришлось принять во внимание и релятивистские эффекты. Разница в траектории, необходимая для правильного выполнения миссии, составила бы всего 60 километров. Но игнорирование этого факта все равно могло вызвать серьёзные проблемы. Однако благодаря Альберту Эйнштейну все прошло точно по плану. И MESSENGER смог детально изучить Меркурий в течение четырёх лет.