Забытый гений: как сельский священник предсказал чёрные дыры за 130 лет до Эйнштейна
Запылённые архивы Королевского общества Великобритании хранят поразительный документ от мая 1783 года. В нём впервые математически обосновано существование объектов, из которых не может вырваться даже свет. Человека, который написал этот документ, звали Джон Мичелл. Главный парадокс его открытия в том, что он был скромным приходским священником в йоркширской деревне Торнхилл. Рассказываем, как это произошло, и почему его имя на полтора века вычеркнули из истории физики.
Как рассчитать «чёрную дыру» по Ньютону
В 1780-х годах в науке безраздельно господствовала физика Исаака Ньютона. Свет тогда считали потоком крошечных материальных частичек — корпускул. Раз свет состоит из частиц с массой, значит, на него должна действовать гравитация.
Именно этот логический прорыв совершил Мичелл в письме к своему другу, химику Генри Кавендишу. Учёный священник рассуждал просто и ясно. Скорость света конечна. При этом у каждого космического тела есть вторая космическая скорость — скорость освобождения, которую нужно набрать, чтобы преодолеть притяжение. Любое массивное тело должно замедлять испускаемые им частицы света, как Земля замедляет подброшенный камень.
Мичелл сформулировал мысленный эксперимент. Он решил узнать, что произойдет, если плотность звезды будет равна плотности нашего Солнца, но её радиус увеличится в 500 раз.
Расчёты показали, что вторая космическая скорость на поверхности такого гиганта превысит скорость света. Собственная гравитация звезды затянет весь излучённый ею свет обратно. Космический объект станет абсолютно невидимым для внешнего наблюдателя — настоящей «тёмной звездой».
Поразительно, но вычисленный Мичеллом радиус с точностью до знака совпал с радиусом Шварцшильда. Этот показатель лишь в 1916 году вывел Карл Шварцшильд из сложнейших уравнений Общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
Это открытие Эйнштейна повергло самого учёного в ужас
Как найти то, чего не видно
Мичелл прекрасно понимал, что невидимую звезду нельзя рассмотреть в телескоп. Как же доказать её существование? Он придумал метод косвенного обнаружения массивных объектов, который опередил своё время на двести лет.
Гениальная идея заключалась в поиске двойных звёздных систем. Мичелл заявил: если вокруг «тёмной звезды» вращается обычная светящаяся звезда-компаньон, мы увидим её регулярные орбитальные колебания. Для наблюдателя с Земли видимая звезда будет танцевать вокруг «пустого места». Астроном сможет вычислить массу невидимого объекта по этим сдвигам и доказать его существование.
Спустя почти два века, в 1971 году, учёные открыли первый в истории кандидат в чёрные дыры именно этим методом. Объект получил название Лебедь X-1 (Cygnus X-1). Астрономы заметили, как видимый голубой сверхгигант вращается вокруг мощного невидимого центра.
Забытый да Винчи из Торнхилла
Джон Мичелл совершил прорывы практически во всех науках о Земле и космосе, но скромность помешала ему заявить о себе на весь мир.
Он по праву считается отцом сейсмологии. После разрушительного Лиссабонского землетрясения 1755 года Мичелл первым доказал, что землетрясения — это упругие сейсмические волны внутри земной коры. Он успешно рассчитал скорость их движения и определил эпицентр катастрофы на дне Атлантического океана.
Именно Мичелл придумал, как взвесить Землю. Он спроектировал и построил уникальный прибор с крутильными весами для измерения массы планеты и гравитационной постоянной. После смерти Мичелла этот эксперимент провёл Генри Кавендиш. Друг честно указал приоритет создателя прибора, но в историю науки процесс вошел как «эксперимент Кавендиша».
Священник стал и первым звёздным статистиком. В 1767 году он применил теорию вероятностей к астрономии. Мичелл математически доказал, что звёздные скопления вроде Плеяд удерживаются реальной гравитацией, а не просто случайно совпадают на ночном небе.
Почему наука забыла Джона Мичелла на 150 лет
Несмотря на масштаб открытий, к середине XIX века имя Джона Мичелла практически исчезло из литературы. Главной причиной стала волновая революция Томаса Юнга в 1801 году. Физики доказали, что свет — это волна, а не материальная частица. Учёные решили, что волны не имеют массы, а значит, идея о притяжении света гравитацией ошибочна. Расчёты Мичелла признали математическим курьёзом и выбросили из учебников.
Сыграл свою роль и Пьер-Симон Лаплас. Он независимо описал «тёмные звёзды» в 1796 году. Но после победы волновой оптики Лаплас счёл идею несостоятельной и вычеркнул этот раздел из последующих изданий своей книги.
Забвению способствовал и характер самого первооткрывателя. Мичелл жил в глубокой провинции, не стремился к академической славе и не печатал монографий. Он предпочитал просто делиться идеями в частных письмах друзьям.
Триумф Эйнштейна и Уиллера
Астрофизический ренессанс начался только в 1960-х годах. Общая теория относительности, квантовая физика и открытие пульсаров окончательно доказали реальность коллапса звёзд. Когда историки науки начали глубоко изучать архивы, они с изумлением обнаружили забытые расчёты Мичелла. Оказалось, что фундаментальные выводы о невидимых массах сделали в йоркширской деревне за полтора века до Эйнштейна.
В 1967 году американский физик Джон Арчибальд Уиллер ввёл в оборот звонкий термин «чёрная дыра». Вскоре историческая справедливость была восстановлена. Джона Мичелла официально признали отцом этой прорывной идеи.
Памятник чистой мысли
Сельский священник из Торнхилла показал: даже без гигантских телескопов и орбитальных обсерваторий человеческий разум способен заглянуть в самые тёмные уголки Вселенной. Ему хватило лишь бумаги, пера и законов Ньютона, чтобы описать объекты, которые астрономы только сейчас начинают немного понимать.