No Shadow of a Doubt: Daniel Kennefick Princeton University Press (2019)
Gravitační století: V roce 1916 zveřejnil Albert Einstein svou obecnou teorii relativity v úplných matematických detailech: Od Einsteinova zatmění po obrazy černých děr Ron Cowen Harvard University Press (2019)
Einsteinova válka: Jak relativita triumfovala uprostřed zlovolného nacionalismu první světové války Matthew Stanley Dutton (2019)
V roce 1916 zveřejnil Albert Einstein svou obecnou teorii relativity v úplných matematických detailech. Tím se otevřel radikálně nový rámec fyziky, který zrušil zavedené pojmy prostoru a času a nahradil Newtonovu formulaci gravitačních zákonů. Einsteinova revoluce měla změnit směr vývoje vědy, ale v letech bezprostředně po jejím zveřejnění neexistovaly žádné jednoznačné pozorovací důkazy, že jeho teorie je správná.
Přichází Arthur Stanley Eddington. Eddington, astronom, který se o Einsteinovu teorii zajímal kvůli jejím rozsáhlým důsledkům pro astrofyziku a kosmologii, se ujal úkolu ji dokázat. S využitím úplného zatmění Slunce dokázal, že lze změřit odklon neboli ohyb světla vlivem gravitace Slunce. Jednalo se o kritický test, protože Einsteinova teorie předpovídala výchylku přesně dvakrát větší, než byla hodnota získaná pomocí zákona univerzální gravitace Isaaca Newtona. Potřebné zatmění nastalo před 100 lety, v roce 1919. Eddington je nyní navždy spojen se dvěma expedicemi, které ho pozorovaly: ze Sobralu v severní Brazílii a z ostrova Príncipe u pobřeží západní Afriky. Tyto významné výpravy tvoří jádro tří knih připomínajících sté výročí: Einsteinova válka od historika vědy Matthewa Stanleyho.
Einsteinova teorie, která vznikala osm let, vycházela z poznatků, které rozvinul po zveřejnění své speciální teorie relativity v roce 1905. Jedním z efektů předpovězených novou teorií bylo, že světelné paprsky procházející v blízkosti hmotného tělesa, například hvězdy, by měly být ohnuty jeho gravitačním polem. Tento efekt byl kvalitativně předpovězen pomocí Newtonovy gravitační teorie. Napínavé je, že sám Newton ve svém opusu Opticks z roku 1704 napsal: „Nepůsobí snad tělesa na světlo na dálku a svým působením neohýbají jeho paprsky…“? Neexistuje však žádný důkaz, že by velikost tohoto jevu vypočítal (první úplný výpočet publikoval německý matematik Johann Georg von Soldner v roce 1804).
Newtonova teorie gravitace samozřejmě neformulovala gravitaci jako důsledek zakřivení prostoru. To byla Einsteinova inovace. A když tento jev vypočítal, potvrdil, že světlo je vychýleno (stejně jako v Newtonově teorii), ale zakřiveným prostorem. Právě toto zakřivení zdvojnásobuje výchylku.
Testovací podmínky
Einstein poprvé veřejně přednesl obecnou teorii relativity Pruské akademii věd v roce 1915. První světová válka byla v té době v plném proudu, v celé své hrůze. Následujícího roku se navzdory válečnému přerušení komunikačních kanálů podařilo Eddingtonovi a jeho kolegovi astronomovi Franku Watsonovi Dysonovi – tehdy řediteli Cambridgeské observatoře, respektive královskému astronomovi – získat Einsteinovy publikované práce. Dyson si okamžitě uvědomil, že úplné zatmění Slunce v roce 1919 bude ideálním testem.
Při tomto zatmění se Slunce ocitne před Hyádami, hvězdokupou jasných hvězd v souhvězdí Býka. Při úplném zatmění by tak bylo v blízkosti zatmělého disku vidět mnoho hvězd. (To bylo klíčové, protože Einsteinem předpovězený efekt ohybu světla je největší u hvězd pozorovaných v blízkosti Slunce.) Polohu hvězd vzhledem ke Slunci bylo možné zaznamenat a změřit na fotografických deskách a poté porovnat s referenčními deskami zobrazujícími hvězdy, když Slunce nebylo v blízkosti zorného pole. Pak bylo možné vypočítat případné zdánlivé posuny způsobené gravitačním polem Slunce. Čím více hvězd by bylo změřeno, tím větší šanci by pozorovatelé měli na korekci systematických chyb a snížení chyb náhodných.
Taková byla myšlenka. Bylo však třeba překonat mnoho praktických překážek, jak v technické stránce pozorování, tak v logistice expedice. Dráha úplného zatmění procházela od severní Brazílie přes Atlantik až do západní Afriky, což znemožňovalo uskutečnit expedici z Británie, dokud nepřestanou válečné akce. Příměří v listopadu 1918 ponechalo dostatek času na uskutečnění plánu. Dyson, pověřený celkovým řízením expedic, zůstal v Anglii. Eddington odcestoval na Príncipe; Andrew Crommelin, který pracoval na Královské greenwichské observatoři v Londýně, se vydal do Sobralu.
Podrobnosti o dvojích expedicích dobře podává kniha No Shadow of a Doubt. Pečlivě prozkoumaná a živě napsaná zpráva se jistě stane standardní referenční prací o tomto fascinujícím příkladu „velké vědy“. Eddington, jak odhaluje Kennefick, měl strašnou smůlu. Na Príncipe ho potkalo špatné počasí, takže se mu podařilo provést méně měření, než doufal. Plánovaná stávka paroplavební společnosti pak způsobila, že nemohl zůstat na Príncipe dostatečně dlouho, aby mohl změřit polohy hvězd na svých deskách přímo na místě, a místo toho musel provést analýzu po návratu do Anglie.
Crommelin měl v Brazílii mnohem lepší podmínky. Navzdory technickým problémům s vybavením, kvůli nimž bylo mnoho desek silně rozmazaných, byla jeho měření rozhodující a byla znatelně blíže Einsteinově předpovědi než Newtonově. Výsledky byly společně oznámeny v listopadu téhož roku na zvláštním společném zasedání Královské společnosti a Královské astronomické společnosti v Londýně. Zpráva se dostala na první stránky novin po celém světě.
Otázky a potvrzení
Tento původní závěr Dysona, Eddingtona, Crommelina a jejich týmů byl následně potvrzen mnoha dalšími experimenty se zatměním. Přesto byl Eddington některými obviňován z nesprávného zacházení s měřeními zatmění. Kennefickův název No Shadow of a Doubt (Žádný stín pochybnosti) je tedy slovní hříčkou a zároveň deklarací záměru tato podezření rozptýlit. Kennefick se kritikou zabývá poměrně podrobně. Já mohu přidat několik stručných poznámek.
Jednou z nich je, že Eddington musel při analýze dat z Príncipe přijmout plán B poté, co ho k tomu neštěstí donutilo; podle mého názoru však neudělal nic nerozumného. Všechna měření zatmění z roku 1919 jsou uvedena v tabulkách (in F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). Je jednoduché a také docela poučné je analyzovat pomocí moderních statistických technik. Udělal jsem to a nenašel jsem žádný důkaz, že Eddington „vařil knihy“. Je obrovskou smůlou, že se nezachovala žádná z původních desek z obou expedic: jinak by je bylo možné změřit pomocí sofistikovanější techniky. Eddingtonovy desky se ztratily po jeho smrti v roce 1944 – jeho sestra je možná vyhodila, když se musela odstěhovat z domu v Cambridge, který spolu sdíleli. Crommelinovy desky zřejmě zmizely v průběhu postupných reorganizací na Královské observatoři.
Gravitační století se soustředí spíše na širší důsledky Einsteinovy teorie v kosmologii a astrofyzice, včetně černých děr a gravitačních vln. Na necelých 200 stranách je Cowenova kniha svižným a příjemným čtením, které je vítaným doplňkem přeplněné police knih o těchto tématech.
Cowen se věnuje také Einsteinovu vtělení do role kulturní ikony. Z Einsteina udělal hvězdu fyziky „zázračný rok“ 1905, kdy publikoval práce o Brownově pohybu a fotoelektrickém jevu a o speciální teorii relativity. Expedice za zatměním v roce 1919 udělala mnohem víc, upevnila jeho pověst mezi fyziky a učinila z něj mezinárodní superhvězdu. Podle mého názoru však přinejmenším část příčiny této náhlé slávy spočívá v tom, že expedice přišla těsně po skončení války. Navíc šlo o britský experiment ověřující myšlenky německého teoretika. Po čtyřech strašlivých letech smrti a ničení možná lidé v Einsteinově triumfu našli symbol jakéhosi smíření.
Stanley tento názor sdílí v knize Einsteinova válka. Podrobná a čtivá kniha doplňuje knihu Bez stínu pochybností jako popis výprav za zatměním a jejich politického pozadí. Obzvláště objevně vypovídá o Einsteinově vědecké práci a soukromém životě, které předcházely významným událostem roku 1919 – zejména ukazuje, jak je ovlivnila první světová válka.
Jednou ze zajímavostí Stanleyho vyprávění je, že Einstein se pokusil vypočítat ohyb světla již v roce 1911, tedy ještě předtím, než zformuloval úplnou obecnou teorii relativity. Jeho výsledek byl přesně stejný jako Newtonova hodnota. Zůstal jsem zvědavý, co by se stalo s jeho pověstí, kdyby se měření uskutečnilo tehdy. Byly by znamenaly neúspěch? Nebo by ho jen ještě více přiměly k vytvoření úplné teorie s jejím rozhodujícím faktorem dva?