Меркурий не нарушает законы Ньютона на глаз: он исправно делает оборот вокруг Солнца примерно за 88 суток. Но ближайшая к Солнцу точка его орбиты медленно смещается чуть быстрее расчёта. Крошечная разница помогла изменить наше представление о гравитации.
1. Эллипс, который сам поворачивается
Планеты движутся не по идеальным окружностям, а по эллипсам. Ближайшая к Солнцу точка называется перигелием. После каждого оборота Меркурий возвращается к ней не совсем в прежнем направлении, поэтому ось эллипса постепенно поворачивается.
Само по себе это не загадка. Венера, Земля, Юпитер и другие планеты тянут Меркурий, заставляя его орбиту прецессировать. Прецессия — это медленное изменение ориентации орбиты. Ньютоновская механика позволяет вычислить почти весь эффект.
После вычитания известных возмущений оставался небольшой избыток — около 43 угловых секунд за столетие.
2. Насколько мала эта ошибка
Угловая секунда — одна трёхтысячашестисотая градуса. За сто лет необъяснённый поворот был примерно равен углу, под которым видна небольшая монета с расстояния около ста метров. Для повседневной жизни пустяк, для точной небесной механики XIX века — упрямая заноза.
Французский астроном Урбен Леверье подробно проанализировал движение Меркурия и в 1859 году сообщил об аномальном смещении перигелия. Он уже прославился расчётами, которые помогли найти Нептун по его влиянию на Уран.
Гипотетический мир внутри орбиты Меркурия назвали Вулканом. Его многократно «видели», но надёжного подтверждения не получили. Предлагались также кольцо вещества у Солнца и поправки к закону тяготения.
3. Что изменил Эйнштейн
В общей теории относительности гравитация — не обычная сила, действующая через пустое пространство. Масса и энергия искривляют пространство-время, а свободные тела движутся по наиболее прямым возможным траекториям в этой геометрии.
Меркурий идеально подходит для проверки: он ближе всех к Солнцу и имеет довольно вытянутую орбиту. В перигелии планета погружается глубже в солнечное гравитационное поле, поэтому релятивистская поправка накапливается сильнее, чем у других планет.
В 1915 году Эйнштейн применил новые уравнения к орбите Меркурия и получил именно недостающий поворот — примерно 43 угловые секунды за столетие. Не понадобились ни Вулкан, ни невидимое кольцо.
4. Значит ли это, что Ньютон ошибался?
Законы Ньютона не стали бесполезными. Они являются чрезвычайно точным приближением, когда скорости невелики по сравнению со скоростью света, а гравитационные поля слабы. По ним рассчитывают мосты, спутниковые орбиты и большинство межпланетных манёвров.
Общая теория относительности добавляет небольшие поправки. Для Меркурия они важны при многолетних точных наблюдениях. Для навигационных систем тоже приходится учитывать релятивистский ход часов.
Современные модели движения небесных тел включают притяжение планет, форму Солнца, релятивистские эффекты и данные радиолокации. Орбита Меркурия теперь служит не загадкой, а лабораторией для новых проверок гравитации.
5. Что говорит наука
Подтверждено наблюдениями, что после учёта ньютоновских возмущений остаётся прецессия около 43 угловых секунд за столетие. Формула общей теории относительности воспроизводит этот остаток. NASA называет смещение перигелия Меркурия классической проверкой теории Эйнштейна.
Небольшой дополнительный вклад даёт несферичность Солнца, и его учитывают в точных расчётах. Альтернативные теории гравитации тоже обязаны пройти эту проверку. Пока общая теория относительности выдерживает такие испытания.
6. Что же было не так с орбитой?
С орбитой всё было в порядке. Не хватало ньютоновскому описанию, которое почти идеально работало, но не учитывало искривление пространства-времени у Солнца. Меркурий просто оказался достаточно близко, чтобы показать разницу.
Иногда революция в физике начинается не с огромного взрыва, а с угла меньше одной сотой градуса за век.
Поделитесь в комментариях, о какой ещё проверке Эйнштейна рассказать простыми словами.
