Автор фото, Иллюстрация Бена Платтс-Миллса
Почти, 200 лет как ученые признали существование черных дыр, британский священник по имени Джон Мичелл опубликовал несколько удивительно прозорливых идей об этих удивительных космических объектах. Почему о его творчестве почти ничего не известно?
Существование черных дыр вызывает удивление – особенно учитывая, что в космосе их могут быть миллиарды.
В течение десятилетий в 20-м веке выдающиеся физики отказывались верить в их реальность, игнорируя то, что говорила математика.
Среди сомневающихся был даже Альберт Эйнштейн, чья собственная теория относительности заложила основу для понимания черных дыр.
Однако был один человек, который оказался чрезвычайно предусмотрительным в отношении черных дыр – и сделал это задолго до рождения Эйнштейна. Пользуясь лишь законами Ньютона, малоизвестный британский священнослужитель по имени Джон Мичелл предусмотрел существование этих удивительных объектов еще в 18 веке.
Кто был Мичелл, что именно он предсказал, почему его идеи были в основном забыты?
Автор фото, Иллюстрация Бена Платтс-Миллса
Джон Мичелл родился в 1724 году в деревне Экринг, Англия, в семье Гилберта Мичелла, настоятеля прихода, и его супруги Обидиенс Джеррард.
Он учился дома вместе со своими младшими братом и сестрой и с детства имел репутацию способного ребенка.
По словам историка Рассела Маккормака, его отец Гилберт с удовольствием цитировал друга семьи, который называл Джона «самой умной головой, которую он когда-либо встречал». Гилберт ценил независимость мысли, и их семья придерживалась так называемого латитудинарного христианства – традиции, которая чтила разум больше, чем чрезмерную доктринизацию, возникшую в Кембриджском университете под руководством Исаака Ньютона. Когда Джону пришло время поступать в университет, он пошел в Кембридж.
Этот университет, с большим количеством кофеен и душевным сообществом всего 400 студентов, был идеальным местом для интеллектуального дискурса. Мичелл проработал там более 20 лет на разных должностях, изучая и преподавая разные дисциплины, в том числе иврит, греческий язык, арифметику, теологию и геологию.
Он был преданным экспериментатором и, как говорит другой биограф Арчибальд Гейки, «увлекался конструированием собственного аппарата… Его комнаты в колледже Квинса со всеми орудиями и механизмами иногда выглядели мастерски». Кроме того, во время работы в Кембридже он начал демонстрировать свою способность к научному предвидению.
В 1750 году он опубликовал статью о магнетизме, представив по крайней мере один совершенно новый закон – «закон обратных квадратов», способствовавший применению магнитов в навигации.
1760 он опубликовал статью о механике землетрясений, описывая слои Земли, которые теперь, как известно, составляют ее «кору», и демонстрируя, как землетрясения движутся через эти слои в форме волн.
Он также показал способ определения эпицентра и гипоцентра катастрофического Лиссабонского землетрясения 1755 года и исследовал идею о том, что подводные землетрясения могут вызвать цунами.
В 1764 году он ушел из Кембриджа и женился на Сарой Уильямсон, переехал в Торнгилл в Йоркшире и пошел по стопам своего отца — стал настоятелем настоятель прихода. Сара умерла в следующем году, и Мичелл снова женился на Энн Брэкнок в 1773 году.
Наряду с работой в церкви он переписывался с другими натурфилософами и интеллектуалами того периода, в том числе с американским эрудитом Бенджамином Франклином.
В 21-м веке идея о том, что работник христианской церкви находится в центре научной жизни, может показаться странной. Но, как и большинство интеллектуалов 18 века, Мичелл не делал различия между религией и наукой.
Большое философское потрясение в Европе повлекло за собой появление телескопов в начале 1600-х годов. На замену фиксированной, доступной для наблюдения иерархии Божьего творения – Земли и неба – пришел, по словам историка науки Александра Койре, «неопределенная и даже бесконечная Вселенная», которую следовало понять посредством наблюдения «его фундаментальных компонентов и законов».
Но для таких мыслителей, как Мичелл, эта революция не вытеснила Бога — она просто обновила его тайну: изучаемые естественные законы все еще были законами Бога.
Как писал Ньютон в 1704 году, «наши обязанности перед Богом, а также друг перед другом, предстанут перед нами в свете природы». Именно этого ньютоновского христианства придерживался Мичелл.
Как говорит Маккорммак, «истины его религии согласовывались с истинами природы». Наряду со своими приходскими обязанностями, Мичелл постепенно сосредотачивал свое внимание на космологии и, в частности, на природе гравитации. Это была сфера, в которой его работа была одновременно революционной и пророческой, даже спустя долгое время после его собственной смерти. Автор фото, Getty Images
Мичелл построил собственный 3-метровый рефлекторный телескоп и в 1767 году он был первым, кто применил новые математические методы статистики для изучения видимых звезд и продемонстрировал, что такие скопления, как плеяды, нельзя объяснить случайным распределением и они должны являться следствием гравитационного притяжения.
В 1783 году друг Мичелла Генри Кавендиш в письме ему упомянул о некоторых трудностях, возникших у Мичелла со строительством нового, еще большего телескопа.
«Если твое здоровье не позволяет продолжать эту работу, — писал он, — я надеюсь, что оно по крайней мере позволит более легкую и менее трудоемкую работу — взвесить мир». Это звучит как шутка, и, возможно, Кавендиш действительно планировал немного рассмешить своего друга, но он имел в виду его реальную работу.
Мичелл работал над торсионными весами — устройством, которое позволило бы ему оценить плотность планеты Земля измерение гравитационного притяжения между свинцовыми гирями.
Он так и не успел использовать аппарат, но после его смерти он перешел в Кавендиш, проведший эксперимент в 1797 году. Он рассчитал плотность Земли с точностью до 1% от принимаемого сейчас значения. Более точных результатов не удалось получить вплоть до 1895 года, и вариация аппарата Мичелла до сих пор используют сегодня для измерения гравитационной константы – силы гравитационного тяготения, действующего во всей Вселенной.
Предвидение черной дыры
Того же года, когда Кавендиш написал ему письмо, Мичелл опубликовал статью, содержащую, пожалуй, самую удивительную по своей предусмотрительности гипотезу.
С использованием принципов Ньютона статья начиналась с объяснения того, как можно установить плотность звезд, наблюдая за тем, как их гравитация влияет на другие тела, расположенные поблизости, например на орбиты других звезд или комет. Затем Мичелл продолжал размышлять о том, как для подобных целей можно использовать поведение света: «Давайте теперь предположим, что частицы света притягиваются так же, как и все другие тела, с которыми мы знакомы… в этом не может быть никаких разумных сомнений, поскольку гравитация, насколько мы знаем, является универсальным законом природы».
Часовую или «корпускулярную» теорию света предложил Исаак Ньютон около 80 лет назад, и хотя никто не смог это продемонстрировать , она оставалась доминантной во времена Мичелла.
Мичелл объяснил, как поведение света под действием гравитации может предложить способ вычисления плотности звезд, по крайней мере гипотетически, особенно если звезда «достаточно велика, чтобы влиять на скорость исходящего из нее света».
Хотя сейчас считают, что он ошибался относительно влияния гравитации на скорость света (она не замедляется), его соображения были обоснованными.
Руководствуясь теми же принципами, Мичелл пришел к выводу — на этот раз правильного — что также возможно, что гравитация массивных астральных тел может полностью перевесить их собственные световые лучи. Чтобы этого добиться, звезда должна иметь такую же плотность, как Солнце, и примерно в 500 раз больше размера.
Сначала свет выходил бы из такой звезды — возможно, пробиваясь к ближайшим планетам — но, как пояснил Мичелл, «было бы вынуждено вернуться к ней благодаря ее собственной гравитации».
Поскольку светло такой звезды не могло нас достичь, «мы бы не могли получить информацию посредством органов зрения», но все равно могли бы обнаружить ее по неровностям на орбитах других ближайших астральных тел, вызванных гравитацией невидимой звезды, «что было бы нелегко объяснить любой другой гипотезой».
Эти предположения, как объяснял Мичелл, «несколько не отвечают» его тогдашней цели, но они, пожалуй, ближе всего подошли к идее черных дыр, насколько это возможно в рамках ньютоновской физики, не говоря уже об описании рабочего метода их идентификации Несколько черных дыр обнаружили через орбиты соседних звезд именно так, как предложил Мичелл. Только в последние несколько лет телескопические изображения смогли подтвердить косвенные доказательства.
По словам Маккормака, существование невидимых звезд было относительно распространенной идеей среди ученых того времени. В том же году, когда Мичелл опубликовал свою статью, несколько других астрономов переписывались о исчезнувших звездах.
В 1805 году астроном Эдвард Пиготт опубликовал статью, в которой предположил вероятность существования звезд, «которые никогда не демонстрировали проблеска яркости». Хотя их истинное количество не могло быть известно, «было ли слишком смелым или фантазийным считать, что их количество равно тем, что наделены светом?», спрашивал он.
Во Франции эрудит Пьер-Симон Лаплас продвигал идею темных звезд независимо от Мичелла в конце 1790-х годов.
Однако вскоре после этого новые эксперименты подкрепили идею, что свет состоит из волн , а не массивных частиц, и предположение о том, что его может деформировать или улавливать сила тяжести, стало исходить из моды.
Астрономическая работа Мичелла ушла в небытие, и ее заново открыли лишь во второй половине 20 века.
В своей книге «Черные дыры и искажения времени» 1994 года физик Кип Торн описывает «поразительный контраст» между энтузиазмом, с которым Мичелл и его современники приняли идею гравитационно-невидимых звезд, и «очень распространенным и почти универсальным сопротивлением черным дырам в 20 веке».
Основное отличие, заключает он, заключается в том, что темные звезды Мичелла, хотя и экзотические, «не представляли угрозы никаким заветным представлениям о природе» и не бросали вызов «постоянству и стабильности материи».
Как отмечает Маккормак, современные черные дыры, напротив, делают именно это: они являются «проколом в пространственно-временном континууме, бесконечным колодцем, из которого ничто не может выбраться». Несмотря на это, Маккормах предполагает, что у Мичелла, который признавал «бесконечное разнообразие, которое мы видим в работах творения», не было бы проблем с нашими черными дырами».
Это утверждение невозможно проверить, но, учитывая чрезвычайное научное воображение Мичелла, а также его преданность ньютоновской традиции разума, оно действительно выглядит правдоподобным.
Мичелл умер 21 апреля 1793 года в возрасте 68 лет, и до конца жизни оставался священником в Торнгилле. Мичелл, напротив, доверял своей интуиции. По словам Маккормака, он «брался за научные проблемы, когда они его интересовали, в любой отрасли, и он работал над ними ровно столько, сколько ему хотелось, и не больше ; и он публиковал свою работу, если и когда хотел, и только тогда, когда он был полностью ею доволен».
Это в известной степени объясняет его неизвестность после смерти – он пожертвовал влиянием и славой во имя интеллектуальной свободы .
Как заметил александрийский астроном Ибн аль-Хайсам за 700 лет до Ньютона, «искатель истины» — это не тот, кто доверяет авторитетам, «а скорее тот, кто ставит под сомнение свою веру в них. . тот, кто подчиняется аргументам и демонстрациям». Следуя этой традиции, Мичелл, как и его отец, был самоучкой и защищал свою научную честность без привязки к любым течениям или традициям.
Независимость Мичелла дала ему еще одну свободу, важную для оригинального мышления — свободу воображения. По словам Маккормака, он избрал астрономию именно потому, что она открывала новые перспективы для теории. теоретиков. Как сказал Эйнштейн в 1929 году, «воображение охватывает весь мир».
Бен Платтс-Миллс — писатель и художник, исследующий, как наука представлена в популярной культуре. Его мемуары Tell Me The Planets были опубликованы в 2018 году.
