Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры
Вскоре было подписано перемирие, а Эддингтон продолжал готовиться к поездке. Было необходимо подтвердить или опровергнуть вывод общей теории относительности об отклонении светового луча от дальних звезд вблизи Солнца. Звезды на сравнительно небольшом расстоянии от Солнца тогда умели наблюдать только в период полного солнечного затмения.
Это было поистине замечательное приключение. В начале марта 1919 года из Англии отплыли две экспедиции. Одна направилась в город Собрал в Бразилии, а другая, во главе с Эддингтоном, — на крошечный португальский остров Принсипе около западного побережья Африки. К середине мая Эддингтон с коллегами полностью подготовились к эксперименту и сделали пробные снимки, но в день затмения возникло серьезное препятствие. Затмение ожидалось в два часа дня, но с утра пошел проливной дождь, угрожавший отменить всю программу наблюдений.
«Около полудня дождь прекратился, — писал Эддингтон, — и приблизительно в 13.30 мы начали фотографировать Солнце. Нам нужны были достоверные фотографии. Мне не удалось непосредственно наблюдать затмение, так как я был занят съемкой. Только два раза я взглянул на него, сначала — чтобы убедиться, что затмение началось, а потом — чтобы выяснить, было ли оно полным».
Эддингтон с коллегами сфотографировали звезды, которые визуально оказались вблизи края затененного Солнца. Затем они тщательно измерили положения этих звезд и сравнили их с данными на то время, когда Солнце находилось в другой части небосвода. Эддингтон лично проделал тщательные измерения микрометром на лучших из полученных фотографий. К всеобщему восторгу смещения звезд оказались близки к предсказываемым общей теорией относительности. Эддингтон потом часто рассказывал, как на первой же фотопластинке получил величины, «предсказанные Эйнштейном». Он называл это величайшим моментом в своей жизни. «New York Times» озаглавила статью об экспедиции в шутливой манере: «Звезды находятся не там, где нам кажется, и не там, где показывают расчеты, но не надо волноваться, — Эйнштейн знает точно, где они». Общественность особенно оценила иронию происшедшего — британский ученый проверил «немецкую теорию» после окончания Первой мировой войны.
Чтобы отметить драматические события на острове Принсипе, Эддингтон сочинил небольшую пародию на популярные рубаи Омара Хайяма в переводе Эдварда Фицджеральда. Вот одна из строф:
Теперь я знаю, прав ли Эйнштейн,
Или же его теории рассыпались в прах.
Всего один луч света звезды в темноте дал ответ
Намного лучше, чем часы тяжелого труда при свечах.
Благодаря успеху экспедиции Эддингтон прославился во всем мире как лучший эксперт по теории относительности. Однажды за обедом ученый развлекал присутствующих рассказом, как однажды он беседовал с известным физиком (чье имя предпочел не называть) в Королевском обществе. «Профессор Эддингтон, — воскликнул тот физик шутливым тоном. — Вы, должно быть, один из трех в мире, кто понимает, что это такое — относительность!» Тут возникло замешательство, и физик сказал: «Не скромничайте, Эддингтон». На что я возразил: «О, я нисколько не скромничаю! Меня просто интересует, кто же этот третий!»
Для разрешения загадки белых карликов Эддингтон объединил выводы из всех своих теорий. Астрофизики предполагали, что звезды образуются следующим образом: далеко от нас в межзвездном пространстве, где находятся огромные скопления газа, его частицы начинают сливаться под действием гравитационного притяжения и их диффузная смесь становится более компактной, с четкими границами. Частицы постоянно сталкиваются, и по закону идеального газа появляется давление, по направлению противоположное силе тяжести. Но огромная сила гравитации продолжает прижимать частицы газа друг к другу, повышая их температуру. В результате они начинают излучать направленный вовне свет, оказывающий определенное давление.
В повседневной жизни этот эффект незначителен — так, к примеру, мы не чувствуем давления света автомобильных фар. Но звезда такая большая и яркая, что потоки излучений вырываются из нее с силой урагана. В результате давление излучения оказывается настолько огромным, что создает стабильные светящиеся массы — звезды. Но какую роль играет световое давление при образовании звезд? В 1917 году Эддингтон предположил, что устойчивое равновесие в звезде возникает, когда гравитационное давление звезды, направленное внутрь, уравновешивается давлением газа и давлением света, испускаемого частицами. Гипотеза Эддингтона стала значительным шагом в понимании природы звезд; она — краеугольный камень современной астрофизики.
А что происходит в конце жизненного цикла звезды? Эддингтон полагал, что состарившиеся звезды становятся белыми карликами. Но тогда каким образом звезды остаются горячими, но столь слабо светящимися? Если удастся это объяснить, то станет ясна и конечная судьба звезд. Эддингтон попробовал составить вероятную цепь событий. При старении звезда излучает все меньше и меньше света, ее радиационное давление уже не уравновешивает силу тяжести, звезда сжимается и превращается в белый карлик. Однако возникает парадокс. Плотность белых карликов огромна, во много раз больше плотности самого плотного вещества на Земле. Для остывания плотность звезды должна уменьшаться до плотности вещества Земли, но оказалось, что звезды продолжают сжиматься и уплотняться. Звезды не остывают, хотя их светимость уменьшается. Может ли так продолжаться до бесконечности? Где же конец? Могут ли они сжаться до бесконечно малого объема? Вот как это представлял себе Эддингтон: «Казалось бы, звезда ставит себя в затруднительное положение. В конце концов запас ее энергии должен истощиться, и она остынет. Но возможно ли это? Звезда обрела огромную плотность благодаря высокой температуре, которая разрушила атомы. При охлаждении она должна увеличиться в объеме примерно в 5000 раз. Но расширение требует энергии — на выполнение работы против силы тяжести, а у звезды энергии больше не осталось. Что же, спрашивается, должно происходить в звезде, если она непрерывно теряет тепловую энергию, но не имеет достаточно энергии для остывания?»
Это было волнующей тайной. В книге «Внутреннее строение звезд» Эддингтон обходил стороной эту проблему, белые карлики оказались неприятным отклонением от теорий, описывающих структуры звезд, в значительной степени разработанных благодаря Эддингтону. Однако загадка белого карлика его не оставляла. В 1914 году он заявил, что невероятно высокая плотность Сириуса В «абсурдна». Но десять лет спустя он сформулировал свое соотношение масса — светимость и обнаружил, что законы идеального газа справедливы даже при высоких плотностях внутри карликовых звезд типа Солнца. Это заставило его предположить, что при значительно более высоких температурах внутри белых карликов все атомы могут быть полностью лишены электронов и в результате упакованы гораздо более плотно[22].
В январе 1924 года Эддингтон написал своему другу, астроному Уолтеру Адамсу, наблюдавшему Сириус В еще в 1914 году, что он «в последнее время развлекается сумасбродной идеей» и что «невероятная» плотность Сириуса В все же возможна. Он предложил проверить с использованием общей теории относительности Эйнштейна, действительно ли плотность белых карликов при их малом радиусе может быть столь высока.
Общая теория относительности предсказывает, что интенсивное гравитационное поле белого карлика влияет на длины волн излучаемого света. Сила тяжести на поверхности Сириуса В в 100 тысяч раз больше, чем на поверхности Земли, и это приводит к увеличению длины волны испускаемого атомами света. Длины волн смещаются в сторону красной части спектра; это явление называется «гравитационным красным смещением».
Разница в длинах волн света, испускаемых атомом вещества Сириуса В и тем же самым атомом на Земле, определяется дробью: масса Сириуса В, деленная на его радиус. Масса Сириуса В и его радиус к тому времени уже были рассчитаны. (Предполагая, что масса Сириуса В составляет 0,85 массы Солнца, астрофизики рассчитали его радиус по данным о его светимости и температуре.) Используя эти данные, Эддингтон получил величину красного смещения.
Затем он предложил Адамсу измерить красное смещение Сириуса В и сравнить полученные результаты с его расчетами. Измерения были исключительно сложными. Сириус А — чрезвычайно яркая звезда, спектр ее излучения накладывается на спектр Сириуса В, и разобраться, какие спектральные линии принадлежат Сириусу А, а какие Сириусу В, невероятно трудно. Однако Адамс решил эту задачу и получил результаты, очень близкие к полученным Эддингтоном. Подтвердилась и величина гравитационного красного смещения, и малый радиус при абсурдно большой плотности Сириуса В. Эддингтон теперь имел неопровержимые доказательства, что Сириус В действительно обладает огромной, почти невероятной плотностью; его расчеты были верны. Эксперимент представил также дополнительные доказательства справедливости общей теории относительности, согласно которой гравитационное поле Сириуса В действительно изменяет излучаемый звездой свет. Эддингтон был полностью удовлетворен. Он показал, что общая теория относительности предсказывает совершенно необычные свойства пространства вблизи сверхплотных объектов типа белых карликов. Например, радиус звезды супергиганта Бетельгейзе примерно 160 миллионов километров, то есть больше радиуса орбиты Земли вокруг Солнца. Но плотность ее в миллион раз меньше, чем у Солнца. А что произойдет, если такая громадина будет иметь плотность Солнца или даже белого карлика? Согласно Эддингтону, «силы тяготения будут столь велики, что свет не сможет вырваться из пространства звезды, лучи вернутся к звезде, как камень, падающий на землю… Масса звезды создаст такую кривизну пространства, что оно будет замкнуто вокруг этой звезды».
