Забутий священник, який передбачив чорні діри у 1783 році

• Author, Бен Платтс-Міллс
• Role, BBC Future
• 21 липня 2024

Майже за 200 років до того, як вчені визнали існування чорних дір, британський священник на ім’я Джон Мічелл опублікував кілька напрочуд прозорливих ідей про ці дивні космічні об’єкти. Чому про його творчість майже нічого не відомо?

Існування чорних дір викликає здивування – особливо враховуючи, що у космосі їх можуть бути мільярди.

Протягом десятиліть у 20-му столітті видатні фізики відмовлялися вірити у їхню реальність, ігноруючи те, що казала математика.

Серед тих, хто сумнівався, був навіть Альберт Ейнштейн, чия власна теорія відносності заклала підґрунтя до розуміння чорних дір.

Проте була одна людина, яка виявилася надзвичайно передбачливою щодо чорних дір – і зробила це задовго до народження Ейнштейна. Послуговуючись лише законами Ньютона, маловідомий британський священнослужитель на ім’я Джон Мічелл передбачив існування цих дивовижних об’єктів ще у 18 столітті.

Тож ким був Мічелл, що саме він передбачив, чому його ідеї були здебільшого забуті?

Підпис до фото, Священник Джон Мічелл, який був прихильником “ньютонівського християнства”, був напрочуд прозорливим щодо чорних дірПідписуйтеся на нас у соцмережах

Джон Мічелл народився в 1724 році в селі Екринг, Англія, в сім’ї Гілберта Мічелла, настоятеля парафії, і його дружини Обідієнс Джеррард.

Він навчався вдома разом зі своїми молодшими братом і сестрою і змалку мав репутацію здібної дитини.

За словами історика Рассела Маккормака, його батько Гілберт із задоволенням цитував друга сім’ї, який називав Джона “найрозумнішою головою, яку він коли-небудь зустрічав”. Гілберт цінував незалежність думки, і їхня сім’я дотримувалася так званого латитудинарного християнства – традиції, яка шанувала розум більше, ніж надмірну доктринізацію, що виникла в Кембриджському університеті під керівництвом Ісаака Ньютона. Тож коли Джону прийшов час вступати до університету, він пішов до Кембриджа.

Цей університет, з великою кількістю кав’ярень і душевною спільнотою лише 400 студентів, був ідеальним місцем для інтелектуального дискурсу. Мічелл пропрацював там понад 20 років на різних посадах, вивчаючи та викладаючи різні дисципліни, зокрема іврит, грецьку мову, арифметику, теологію та геологію.

Він був відданим експериментатором і, як каже інший біограф Арчибальд Гейкі, “захоплювався конструюванням власного апарату… Його кімнати в коледжі Квінса з усіма знаряддями та механізмами іноді мали вигляд майстерні”. Крім того, під час роботи в Кембриджі він почав демонструвати свою здатність до наукового передбачення.

У 1750 році він опублікував статтю про магнетизм, представивши принаймні один абсолютно новий закон – “закон обернених квадратів”, який сприяв застосуванню магнітів у навігації.

1760 року він опублікував статтю про механіку землетрусів, описуючи шари Землі, які тепер, як відомо, складають її “кору”, і демонструючи, як землетруси рухаються через ці шари у формі хвиль.

Він також показав спосіб визначення епіцентру та гіпоцентру катастрофічного Лісабонського землетрусу 1755 року та дослідив ідею про те, що підводні землетруси можуть викликати цунамі.

У 1764 році він пішов з Кембриджа й одружився з Сарою Вільямсон, переїхав у Торнгілл у Йоркширі й пішов стопами свого батька – став настоятелем настоятель парафії. Сара померла наступного року, і Мічелл знову одружився з Енн Брекнок у 1773 році.

Поряд із роботою в церкві він листувався з іншими натурфілософами та інтелектуалами того періоду, зокрема з американським ерудитом Бенджаміном Франкліном.

У 21-му столітті ідея про те, що працівник християнської церкви перебуває в центрі наукового життя, може здатися дивною. Але, як і більшість інтелектуалів 18-го століття, Мічелл не робив розрізнення між релігією та наукою.

Велике філософське потрясіння в Європі спричинила поява телескопів на початку 1600-х років. На заміну фіксованій, доступній для спостереження ієрархії Божого творіння – Землі і небу – прийшов, за словами історика науки Александра Койре, “невизначений і навіть нескінченний Всесвіт”, який слід було зрозуміти за допомогою спостереження “його фундаментальних компонентів і законів”.

Але для таких мислителів, як Мічелл, ця революція не витіснила Бога – вона просто оновила його таємницю: досліджувані природні закони все ще були законами Бога.

Як писав Ньютон у 1704 році, “наші обов’язки перед Богом, а також один перед одним, постануть перед нами у світлі природи”. Саме цього ньютонівського християнства дотримувався Мічелл.

Як каже Маккорммак, “істини його релігії узгоджувалися з істинами природи”. Тож, поряд зі своїми парафіяльними обов’язками, Мічелл поступово зосереджував свою увагу на космології та, зокрема, на природі гравітації. Це була сфера, в якій його робота була водночас революційною та пророчою, навіть через довгий час після його власної смерті.

Підпис до фото, Як і Мічелл, Ісаак Ньютон, зображений тут у ризниці лондонської церкви, не бачив поділу між вірою та наукоюМічелл побудував власний 3-метровий рефлекторний телескоп і в 1767 році він був першим, хто застосував нові математичні методи статистики для вивчення видимих ​​зірок і продемонстрував, що такі скупчення, як плеяди, не можна пояснити випадковим розподілом і вони мають бути наслідком гравітаційного притягання.

У 1783 році друг Мічелла Генрі Кавендіш у листі йому згадав про деякі труднощі, які виникли у Мічелла з будівництвом нового, ще більшого телескопа.

“Якщо твоє здоров’я не дозволяє продовжувати цю роботу, – писав він, – я сподіваюся, що воно принаймні дозволить легшу й менш трудомістку роботу – зважити світ”. Це звучить як жарт, і, можливо, Кавендіш дійсно планував трохи розсмішити свого друга, але він мав на увазі його реальну роботу.

Мічелл працював над торсійними вагами – пристроєм, який дозволив би йому оцінити щільність планети Земля шляхом вимірювання гравітаційного притягання між свинцевими гирями.

Він так і не встиг використати апарат, але після його смерті він перейшов до Кавендіша, який провів експеримент у 1797 році. Він розрахував щільність Землі з точністю до 1% від прийнятого зараз значення. Точніших результатів не вдалося отримати аж до 1895 року, і варіація апарату Мічелла досі використовують сьогодні для вимірювання гравітаційної константи – сили гравітаційного тяжіння, яке діє у всьому Всесвіті.

Передбачення чорної діри

Того ж року, коли Кавендіш написав йому листа, Мічелл опублікував статтю, що містила, мабуть, найбільш дивовижну за своєю передбачливістю гіпотезу.

З використанням принципів Ньютона стаття починалася з пояснення того, як можна встановити щільність зірок, спостерігаючи за тим, як їхня гравітація впливає на інші тіла, розташовані поблизу, наприклад, на орбіти інших зірок або комет. Потім Мічелл продовжував розмірковувати про те, як для подібних цілей можна використовувати поведінку світла:

“Давайте тепер припустимо, що частинки світла притягуються так само, як і всі інші тіла, з якими ми знайомі… в цьому не може бути жодних розумних сумнівів, оскільки гравітація, наскільки ми знаємо, є універсальним законом природи”.

Часткову або “корпускулярну” теорію світла запропонував Ісаак Ньютон близько 80 років тому, і, хоча ніхто не зміг це продемонструвати, вона залишалася домінантною у часи Мічелла.

Мічелл пояснив, як поведінка світла під дією гравітації може запропонувати спосіб обчислення щільності зірок, принаймні гіпотетично, особливо якщо зірка “достатньо велика, щоб впливати на швидкість світла, що виходить з неї”.

Хоча зараз вважають, що він помилявся щодо впливу гравітації на швидкість світла (вона не сповільнюється), його міркування були обґрунтованими.

Керуючись тими ж принципами, Мічелл дійшов висновку – цього разу правильного – що також можливо, що гравітація наймасивніших астральних тіл може повністю переважити їхні власні світлові промені. Щоб цього досягти, зірка повинна мати таку ж щільність, як Сонце, і приблизно в 500 разів більший розмір.

Спочатку світло виходило б із такої зірки – можливо, пробиваючись до найближчих планет – але, як пояснив Мічелл, “було б змушене повернутися до неї завдяки її власній гравітації”.

Оскільки світло такої зірки не могло нас досягти, “ми б не могли отримати інформацію за допомогою органів зору”, але все одно могли б виявити її за нерівностями на орбітах інших найближчих астральних тіл, викликаних гравітацією невидимої зірки, “що було б нелегко пояснити будь-якою іншою гіпотезою”.

Ці припущення, як пояснював Мічелл, “дещо не відповідають” його тодішній меті, але вони, мабуть, найближче підійшли до ідеї чорних дір, наскільки це можливо в межах ньютонівської фізики, не кажучи вже про опис робочого методу їхньої ідентифікації. Кілька чорних дір виявили через орбіти сусідніх зірок саме так, як запропонував Мічелл. Лише в останні кілька років телескопічні зображення змогли підтвердити непрямі докази.

За словами Маккормака, існування невидимих ​​зірок було відносно поширеною ідеєю серед вчених того часу. Того ж року, коли Мічелл опублікував свою статтю, кілька інших астрономів листувалися про зірки, які зникли.

У 1805 році астроном Едвард Піготт опублікував статтю, в якій припустив імовірність існування зірок, “які ніколи не демонстрували проблиску яскравості”. Хоча їхня справжня кількість не могла бути відомою, “чи було б занадто сміливим або фантазійним вважати, що їхня кількість дорівнює тим, що наділені світлом?”, питав він.

У Франції ерудит П’єр-Симон Лаплас просував ідею темних зірок незалежно від Мічелла наприкінці 1790-х років.

Однак незабаром після цього нові експерименти підкріпили ідею, що світло складається з хвиль, а не масивних частинок, і припущення про те, що його може деформувати чи уловлювати сила тяжіння, почало виходити з моди.

Астрономічна робота Мічелла пішла у небуття, і її заново відкрили лише в другій половині 20-го століття.

У своїй книзі “Чорні діри та викривлення часу” 1994 року фізик Кіп Торн описує “разючий контраст” між ентузіазмом, з яким Мічелл і його сучасники прийняли ідею гравітаційно-невидимих ​​зірок, і “дуже поширеним і майже універсальним опором чорним дірам у 20 столітті”.

Основна відмінність, робить висновок він, полягає в тому, що темні зірки Мічелла, хоч і екзотичні, “не становили загрози жодним заповітним уявленням про природу” і не кидали виклик “сталості та стабільності матерії”.

Як зазначає Маккормак, сучасні чорні діри, навпаки, роблять саме це: вони є “проколом у просторово-часовому континуумі, нескінченним колодязем, з якого ніщо не може вибратися”. Попри це, Маккормах припускає, що Мічелл, який визнавав “нескінченну різноманітність, яку ми бачимо в роботах творіння”, не мав би проблем з нашими чорними дірами”.

Це твердження неможливо перевірити, але, враховуючи надзвичайну наукову уяву Мічелла, а також його відданість ньютонівській традиції розуму, воно справді виглядає правдоподібним.

Підпис до фото, На цьому малюнку з 16-го століття старий чоловік дивиться за межі Землі, щоб побачити ширший ВсесвітМічелл помер 21 квітня 1793 року у віці 68 років, й до кінця життя залишався священником у Торнгіллі. Інші інтелектуали його часу були – і є – набагато більш відомими. Вони обирали популярніші теми й публікувалися частіше.

Мічелл, навпаки, довіряв своїй інтуїції. За словами Маккормака, він “брався за наукові проблеми, коли вони його цікавили, у будь-якій галузі, і він працював над ними рівно стільки, скільки йому хотілося, і не більше; і він публікував свою роботу, якщо і коли хотів, і лише тоді, коли він був повністю нею задоволений”.

Це певною мірою пояснює його невідомість після смерті – він пожертвував впливом і славою в ім’я інтелектуальної свободи.

Як зауважив александрійський астроном Ібн аль-Хайсам за 700 років до Ньютона, “шукач істини” – це не той, хто довіряє авторитетам, “а радше той, хто ставить під сумнів свою віру в них… той, хто підкоряється аргументам і демонстрації”. Дотримуючись цієї традиції, Мічелл, як і його батько, був самоучкою і захищав свою наукову чесність без прив’язки до будь-яких течій чи традицій.

Незалежність Мічелла дала йому ще одну свободу, важливу для оригінального мислення – свободу уяви. За словами Маккормака, він обрав астрономію саме тому, що вона відкривала нові перспективи для теорії.

У своїй пристрасті до наукової уяви Мічелл передбачив креативність сучасних фізиків-теоретиків. Як сказав Ейнштейн у 1929 році, “уява охоплює увесь світ”.

Бен Платтс-Міллс – письменник і художник, який досліджує, як наука представлена в популярній культурі. Його мемуари Tell Me The Planets були опубліковані в 2018 році.