Main menu:

Загадка Меркурия

Из теории Эйнштейна следует, что выведенные Кеплером законы движения планет не выполняются строго даже вМеркурий на фоне Солнца случае движения одной пробной частицы вокруг неподвижной точечной массы. Согласно теории Ньютона, орбитой планеты-частицы является эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце; это можно рассматривать как первое приближение описания движения планеты.  Орбита определяется из условия прямолинейности траектории частицы в искривленном пространстве-времени. Используя это условие, Эйнштейн установил, что единственная замкнутая орбита в сферически-симметричном гравитационном поле - окружность.

Меркурия поворачивается на 43″ за сто лет. В статье, опубликованной в 1915 г., Эйнштейн писал, что эта величина «в точности соответствует астрономическим наблюдениям (Леверье). Для астрономов, обнаруживших смещение перигелия этой планеты, после учета возмущений со стороны всех остальных планет оставалось необъяснимой как раз эта величина».

Следует подробнее остановиться на том, как был обнаружен и объяснен этот эффект, поскольку данная история проливает свет на роль «аномалий» в развитии науки.

В своей работе «Математические начала натуральной философии» Ньютон показал, что любое малое отклонение в зависимости «сила гравитационного притяжение - расстояние» от закона обратных квадратов приводит к вращению осей планетных орбит. Так, из-за приливного ускорения Луны, обусловленного действием Солнца, большая ось лунной орбиты вращается в направлении движения Луны с периодом около 9 лет. Гравитационное взаимодействие планет также вызывает поворот осей их эллиптических орбит, хотя и гораздо более медленный. Быстрее всего поворачивается ось орбиты у Меркурия: на 532″ за сто лет. В 1854 г. французский астроном Жан Жозеф Леверье, проведя тщательные расчеты, показал, что теория Ньютона почти полностью объясняет наблюдаемое смещение перигелия Меркурия - расхождение между расчетными значениями и результатами наблюдений составляет всего лишь 35″. Во многих отраслях науки такое ничтожно малое различие между результатами весьма тонких наблюдений и сложными теоретическими расчетами было бы истолковано как убедительное подтверждение теории. Но в середине XIX в. небесная механика достигла столь высокой точности, что Леверье и другие астрономы с полным основанием могли считать это расхождение существенным. Леверье предположил, что оно может быть обусловлено какой-то еще не обнаруженной малой планетой (или несколькими планетами), орбита которой лежит между Меркурием и Солнцем.

В 1882 г. Симон Ньюкомб, произведя новые расчеты возможного влияния планет на орбиту Меркурия, уточнил результаты Леверье: вместо 35″ он получил величину 43″. Поскольку все попытки обнаружить планеты внутри орбиты Меркурия окончились неудачей, Ньюкомб высказал предположение, что остаточное возмущение может быть вызвано крошечными частицами пыли вблизи плоскости земной орбиты. Наличие таких частиц вытекало из наблюдений аодиакального света - слабого свечения ночного неба, которое усиливалось по мере приближения к плоскости земной орбиты. Предполагалось, что это свечение есть не что иное, как отраженный солнечный свет. Однако Ньюкомбу не удалось построить теоретическую модель, которая одновременно объясняла бы как зодиакальный свет, так и не учтенное теорией смещение перигелия Меркурия; чтобы сделать это, требовалось ввести дополнительные изменения в движение Меркурия и Венеры (которые в действительности не наблюдались). Наконец, в 1895 г. у Ньюкомба возникла мысль, что, возможно, закон обратных квадратов Ньютона не выполняется точно на малых расстояниях.

Но в следующем году Г. Г. Зеелигер разработал теоретическую модель, которая успешно объясняла зодиакальный свет и остаточное смещение перигелия Меркурия, не приводя при этом ни к каким противоречиям с результатами наблюдений. Модель Зеелигера получила широкое распространение среди астрономов. Ньюкомб сам отказался от своего предположения о неприменимости теории Ньютона на малых расстояниях. К 1915 г., когда Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, остаточное смещение перигелия Меркурия уже перестало считаться аномальным.

Теория Эйнштейна заставила астрономов изменить свое отношение к модели Зеелигера: теперь она казалась искусственной и неубедительной. Поскольку остаточное смещение перигелия Меркурия вполне укладывалось в теорию Эйнштейна, для объяснения зодиакального света достаточно было более простой и естественной модели. Можно сказать, что теория Эйнштейна восстановила и вместе с тем устранила эту аномалию.

Даже сейчас, глядя на всю эту историю в ретроспективе, трудно обвинить астрономов в том, что они не усмотрели в остаточном смещении перигелия Меркурия настоящей аномалии. В XIX в. астрономы обнаружили, что характер движения Урана, хотя и незначительно, но все же отличается от того, что следовало из теории Ньютона. В 1846 г. Леверье выдвинул смелую гипотезу, объясняющую это расхождение воздействием на Уран какой-то неизвестной планеты, находящейся за его орбитой. Основываясь на теории Ньютона, Леверье вычислил положение неизвестной планеты на небе и сообщил полученные результаты немецкому астроному Галле, работавшему в Берлинской обсерватории. И Галле за сутки обнаружил новую планету примерно там, где указал Леверье; она получила название Нептун. (Несколькими месяцами ранее английский математик и астроном Джон Адамс, используя совершенно иной метод расчета, пришел к подобным же результатам; однако ему повезло меньше, чем Леверье; он так и не смог уговорить астрономов-наблюдателей проверить на практике его расчеты.) Как видим, у астрономов было гораздо больше оснований попытаться объяснить остаточное смещение перигелия Меркурия влиянием ненаблюдаемого вещества, чем усомниться в точности теории Ньютона.

История со смещением перигелия Меркурия не завершилась с публикацией в 1915 г. статьи Эйнштейна по поводу этого явления. Как известно, Солнце не является идеальным шаром: вследствие вращения вокруг своей оси оно слегка сплюснуто у экватора. Теория Ньютона показывает, что гравитационное поле сфероида на малых расстояниях изменяется не обратно пропорционально квадрату расстояния, а несколько иначе. Следовательно, слюснутость Солнца должна как-то сказываться на вращении большой оси орбиты Меркурия. Прежде чем утверждать, что теория Эйнштейна объясняет остаточное смещение перигелия Меркурия, нам следует убедиться, что влияние сплюснутости Солнца на движение Меркурия пренебрежимо мало.

Зная скорость вращения Солнца (например, из наблюдений за движением солнечных пятен), можно оценить степень его сплюснутости, если считать, что оно вращается как твердое тело (т. е. его угловая скорость одинакова во всех точках). Расчеты показывают, что полярный диаметр Солнца всего лишь на 5 км меньше экваториального - это слишком мало, чтобы сплюснутость Солнца заметно влияла на орбиту Меркурия. А что если внутренние области Солнца вращаются быстрее, чем внешние? В 1966 г. Р. Дикке и М. Голденберг выполнили тонкий, но простой по замыслу эксперимент, в котором сплюснутость солнечного диска оценивалась с помощью фотоэлектрических измерений. Выяснилось, что полярный диаметр Солнца меньше экваториального на 35 км. Такая степень сплюснутости позволяла объяснить примерно 10% остаточного смещения перигелия Меркурия, что ставило под сомнение согласие теории Эйнштейна с результатами наблюдений.

В 1975 г. Генри Хилл, учившийся в свое время у Дикке, усовершенствовав эксперимент Дикке-Голденберга, пришел к выводу, что в действительности сплюснутость Солнца соответствует результатам, полученным в предположении, что Солнце вращается как твердое тело и со скоростью, определяемой по движению солнечных пятен. Однако проведенные Хиллом измерения и теоретический аппарат, используемый для интерпретации результатов, настолько сложны и утонченны, что даже сейчас нельзя с полной уверенностью утверждать, что предсказываемая теорией Эйнштейна скорость смещения перигелия Меркурия хорошо согласуется с результатами наблюдений.