Как исследования Меркурия помогли учёным больше узнать о гравитации

Изучать гравитацию непросто, так как она невообразимо слабее трех других фундаментальных взаимодействий – электромагнитного, сильного и слабого. Чтобы измерить её имеющимися в распоряжении науки приборами, нужны очень массивные объекты. Например, Солнце. Заметнее всего наша звезда действует на Меркурий, поэтому тот с давних пор используется для исследования гравитации.

Теория относительности Эйнштейна

Начало исследований было положено в 1859 году, когда французский астроном Урбен Леверье обнаружил, что орбита Меркурия не такая, какой должна быть согласно расчетам. Он движется по эллиптической орбите, ориентация которой со временем меняется. Этот феномен известен как «смещение перигелия». В то далекое время это смещение вычислялось на основании масс взаимодействующих объектов и расстояний между ними. Для уравнений теории тяготения Ньютона ничего больше не требовалось. И все бы ничего, но перигелий Меркурия смещался на долю градуса в столетие быстрее, чем нужно. Объяснить это несоответствие никак не удавалось. Некоторые астрономы предполагали даже, что между Солнцем и Меркурием находится ещё одна, неоткрытая пока планета, которая тут же получила название Вулкан. Её пытались высмотреть в течение нескольких десятилетий, но так и не смогли. Стало ясно, что объяснение следует искать в другой плоскости. Ответ был получен после того как Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, кардинально изменившую понимание гравитации. Ученый описал эту силу как искривление ткани пространства-времени той или иной массой и объяснил, что оно влияет на движение проходящих сквозь него объектов. Меркурий находится так близко к Солнцу, что производимое звездой «искажение» заметно на его примере особенно отчетливо. Согласно уравнениям теории Эйнштейна, это должно приводить к ускорению смещения орбиты Меркурия. Соответствующие вычисления практически идеально совпали с данными непосредственных наблюдений. Это было первое убедительное подтверждение верности общей теории относительности и явный признак того, что Эйнштейн находится на правильном пути.

Искривление света гравитацией

Общая теория относительности показывала не только то, как гравитация влияет на материю. Она говорила, что свет, проходя сквозь искривленную ткань пространства-времени, отклоняется. В 1964 году американский астрофизик Ирвин Шапиро придумал способ проверки этой гипотезы. Он предложил отразить радиоволны от небесного тела, проходящего за Солнцем. Суть идеи была в том, что сигнал, попав в гравитационный колодец звезды, «завернет» за неё, найдет там планету и вернется обратно. Пройденная волной дистанция (а значит и её время в пути) в этом случае будет больше, чем у луча, прошедшего по прямому маршруту. Меркурий оказался идеальным кандидатом и для этого эксперимента. Диаметр его орбиты гораздо меньше, чем у других планет Солнечной системы, поэтому процент добавленного времени по сравнению с «прямым» лучом был бы больше. В 1971 году ученые отправили сигнал из обсерватории Аресибо, и он отразился от поверхности Меркурия в момент, когда планета скрывалась за Солнцем. Как и было предсказано, обратно он пришел с заметным опозданием, что стало ещё одним весомым аргументом в пользу истинности общей теории относительности.

Принцип эквивалентности

Общая теория относительности Эйнштейна постулирует, что эффекты гравитации невозможно отличить от эффектов ускорения, поэтому они эквивалентны. Здесь уместен пример с падающим лифтом. Человек в падающем лифте на какое-то время окажется в состоянии свободного падения. Выжив, он не сможет сказать наверняка, что это было – поломка техники или необъяснимое отключение гравитации планеты. Даже ученые, при всем их желании, не могут привести реальных доказательств того, что гравитация и ускорение чем-то отличаются друг от друга. В 2018 году одна группа исследователей попыталась прояснить этот вопрос с помощью все того же Меркурия. Были проанализированы данные, собранные межпланетной станцией «Мессенджер», вращающейся вокруг Меркурия. Ученые точно реконструировали путь аппарата в космосе, что, в свою очередь, позволило воспроизвести движение планеты. Затем эта информация была сопоставлена с траекторией Земли. Идея и в этом случае была простой: если гравитация и ускорение эквивалентны, то любые два объекта, находящиеся в одном и том же гравитационном поле, должны ускоряться одинаково. Это весьма напоминает классический пример, когда с крыши или балкона какого-либо здания сбрасываются два одинаковых по размеру шара разной массы – они упадут на землю одновременно, несмотря на то, что их масса отличается. Если же гравитация и ускорение не эквивалентны, объекты с разной массой будут наращивать скорость неодинаково, и это можно бы было заметить по притяжению соответственно Меркурия и Земли к Солнцу. Отличие наверняка сказалось бы на изменении расстояния между двумя планетами за пару-тройку лет наблюдений. Как бы то ни было, проведенный эксперимент подтвердил принцип эквивалентности точнее, чем когда-либо ранее. Сегодня исследования гравитации продолжаются. Возможно, что Меркурий позволит совершить ещё немало открытий в этой области. Просто потому, что он очень удобно расположен рядом с Солнцем.