Ingen skygge af tvivl: The 1919 Eclipse That Confirmed Einstein’s Theory of Relativity Daniel Kennefick Princeton University Press (2019)
Gravity’s Century: From Einstein’s Eclipse to Images of Black Holes Ron Cowen Harvard University Press (2019)
Einstein’s War: How Relativity Triumphed Amid the Vicious Nationalism of World War I Matthew Stanley Dutton (2019)
I 1916 offentliggjorde Albert Einstein sin generelle relativitetsteori i alle matematiske detaljer. Det åbnede vinduet for en radikalt ny ramme for fysikken, der afskaffede de etablerede begreber om rum og tid og erstattede Newtons formulering af tyngdeloven. Einsteins revolution skulle ændre videnskabens kurs; men i årene umiddelbart efter offentliggørelsen var der ingen endegyldige observationsbeviser for, at hans teori var korrekt.
Der kommer Arthur Stanley Eddington ind. Eddington var en astronom, der var interesseret i Einsteins teori på grund af dens vidtrækkende konsekvenser for astrofysik og kosmologi, og han påtog sig opgaven med at bevise den. Ved at udnytte en total solformørkelse argumenterede han for, at man kunne måle lysets afbøjning, eller bøjning, som følge af solens tyngdekraft. Dette var en kritisk test, fordi Einsteins teori forudsagde en afbøjning, der var præcis dobbelt så stor som den værdi, der blev opnået ved hjælp af Isaac Newtons lov om universel gravitation. Den nødvendige formørkelse fandt sted for 100 år siden, i 1919. Eddington er nu for evigt forbundet med to ekspeditioner for at se den: fra Sobral i det nordlige Brasilien og fra øen Príncipe ud for Vestafrikas kyst. Disse betydningsfulde foretagender danner kernen i tre bøger til minde om 100-årsdagen: No Shadow of a Doubt af fysikeren Daniel Kennefick, Gravity’s Century af videnskabsjournalisten Ron Cowen og videnskabshistorikeren Matthew Stanleys Einstein’s War.
Einsteins teori, der var otte år undervejs, udsprang af de indsigter, han havde udviklet, efter at han havde offentliggjort sin specielle relativitetsteori i 1905. En af de virkninger, som den nye teori forudsagde, var, at lysstråler, der passerer tæt på et massivt legeme, f.eks. en stjerne, skulle bøjes af dets gravitationsfelt. Denne effekt var blevet forudsagt kvalitativt ved hjælp af Newtons tyngdekraftteori. På en spændende måde havde Newton selv skrevet i sit opus Opticks fra 1704: “Virker legemer ikke på lys på afstand og bøjer de ikke dets stråler ved deres virkning…?” Men der er ingen beviser for, at han beregnede størrelsen af denne virkning (den første fuldstændige beregning blev offentliggjort af den tyske matematiker Johann Georg von Soldner i 1804).
Newtons teori om tyngdekraften formulerede naturligvis ikke tyngdekraften som en konsekvens af et krumt rum. Det var Einsteins nyskabelse. Og da han beregnede effekten, bekræftede han, at lyset afbøjes (som i den newtonske teori), men gennem et krumt rum. Det er denne krumning, der fordobler afbøjningen.
Testbetingelser
Einstein luftede første gang offentligt den generelle relativitetsteori for det preussiske videnskabsakademi i 1915. Første Verdenskrig var på det tidspunkt godt i gang, i al sin gru. Året efter lykkedes det Eddington og astronomkollegaen Frank Watson Dyson – dengang henholdsvis direktør for Cambridge Observatory og Astronomer Royal – på trods af krigstidens afbrydelse af kommunikationskanalerne at få fat i Einsteins offentliggjorte artikler. Dyson indså straks, at den totale solformørkelse i 1919 ville være en ideel test.
Under denne formørkelse ville Solen sidde foran Hyaderne, en klynge af klare stjerner i stjernebilledet Tyren. Ved totalitet ville mange stjerner således være synlige i nærheden af den formørkede skive. (Dette var vigtigt, fordi den lysbøjningseffekt, som Einstein forudsagde, er størst for stjerner, der observeres tæt på Solen). Stjernernes positioner i forhold til Solen kunne registreres og måles på fotografiske plader og derefter sammenlignes med referenceplader, der viser stjernerne, når Solen ikke var i nærheden af synsfeltet. Eventuelle tilsyneladende forskydninger, forårsaget af Solens tyngdefelt, kunne derefter beregnes. Jo flere stjerner, der blev målt, jo større chance ville observatørerne have for at korrigere for systematiske fejl og reducere tilfældige fejl.
Det var tanken. Men der var mange praktiske hindringer, der skulle overvindes, både hvad angår de tekniske detaljer i forbindelse med observationerne og ekspeditionslogistikken. Formørkelsens totalitetsbane gik fra det nordlige Brasilien over Atlanterhavet til Vestafrika, hvilket gjorde det umuligt at iværksætte en ekspedition fra Storbritannien, før fjendtlighederne var ophørt. Våbenhvilen i november 1918 gav lige nok tid til at gennemføre planen. Dyson, der havde den overordnede ledelse af ekspeditionerne, blev i England. Eddington rejste til Príncipe; Andrew Crommelin, der arbejdede på Royal Greenwich Observatory i London, tog til Sobral.
Detaljerne om de to ekspeditioner er godt beskrevet i No Shadow of a Doubt. Beretningen, der er omhyggeligt undersøgt og levende skrevet, vil helt sikkert blive et standardværk om dette fascinerende eksempel på “Big Science”. Eddington, afslører Kennefick, havde et frygteligt held. Da han blev mødt af dårligt vejr i Príncipe, lykkedes det ham at foretage færre målinger, end han havde håbet på. Derefter betød en planlagt strejke i et dampskibsselskab, at han ikke kunne blive i Príncipe længe nok til at måle stjernepositionerne på sine plader på stedet, og han måtte i stedet foretage analysen, efter at han var vendt tilbage til England.
Crommelin havde meget bedre forhold i Brasilien. På trods af tekniske problemer med udstyret, som gjorde mange plader meget slørede, var hans målinger afgørende og lå mærkbart tættere på Einsteins forudsigelse end på Newtons. Resultaterne blev offentliggjort kollektivt i november samme år på et særligt fællesmøde for Royal Society og Royal Astronomical Society i London. Det blev en nyhed på forsiderne i hele verden.
Spørgsmål og bekræftelse
Denne første konklusion fra Dyson, Eddington, Crommelin og deres hold blev efterfølgende bekræftet af mange yderligere formørkelseseksperimenter. Alligevel er Eddington af nogle blevet beskyldt for at have fejlbehandlet målingerne af formørkelsen. Kenneficks titel, “No Shadow of a Doubt”, er således både et ordspil og en hensigtserklæring om at fjerne disse mistanker. Kennefick diskuterer kritikken ret detaljeret. Jeg kan tilføje et par korte punkter.
Det ene er, at Eddington var nødt til at vedtage en plan B ved analysen af Príncipe-dataene, efter at uheldet havde tvunget ham til at gøre det; men efter min mening gjorde han intet urimeligt. Alle målinger af formørkelsen i 1919 er opgjort i tabeller (i F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). Det er ligetil, og også ganske lærerigt, at analysere dem ved hjælp af moderne statistiske teknikker. Det har jeg gjort, og jeg har ikke fundet noget bevis for, at Eddington har “lavet noget forkert i bøgerne”. Det er en stor ulykke, at ingen af de originale plader fra begge ekspeditioner er bevaret: ellers ville det måske have været muligt at måle dem ved hjælp af mere sofistikeret teknologi. Eddingtons plader gik tabt efter hans død i 1944 – hans søster kan have smidt dem væk, da hun blev tvunget til at flytte ud af det hjem i Cambridge, som de havde delt. Crommelins plader synes at være forsvundet i forbindelse med successive omorganiseringer på Royal Observatory.
Gravity’s Century koncentrerer sig mere om de bredere forgreninger af Einsteins teori inden for kosmologi og astrofysik, herunder sorte huller og gravitationsbølger. Med sine mindre end 200 sider er Cowens bog en luftig og underholdende læsning, en velkommen tilføjelse til en overfyldt hylde af bøger om disse emner.
Cowen går også ind på Einsteins inkarnation som kulturelt ikon. ‘Mirakelåret’ 1905, hvor han udgav artikler om Brownsk bevægelse og den fotoelektriske effekt samt om den specielle relativitetsteori, gjorde Einstein til en stjerne i fysikken. Formørkelsesekspeditionerne i 1919 gjorde meget mere, idet de cementerede hans ry blandt fysikere og forvandlede ham til en international superstjerne. Jeg mener dog, at i hvert fald en del af årsagen til denne pludselige berømmelse er, at ekspeditionen fandt sted lige efter krigens afslutning. Desuden var det et britisk eksperiment, der testede en tysk teoretikers idéer. Efter fire forfærdelige år med død og ødelæggelse fandt folk måske i Einsteins triumf et symbol på en form for forsoning.
Stanley deler dette synspunkt i Einstein’s War. Bogen er detaljeret og letlæselig og supplerer No Shadow of a Doubt som en beretning om formørkelsesekspeditionerne og deres politiske baggrund. Den er især afslørende om Einsteins videnskabelige arbejde og privatliv op til de betydningsfulde begivenheder i 1919 – især ved at vise, hvordan disse blev påvirket af Første Verdenskrig.
En af de interessante fakta fra Stanleys beretning er, at Einstein havde gjort et forsøg på at beregne lysets bøjning tilbage i 1911, før han havde formuleret hele den generelle relativitetsteori. Hans resultat var præcis det samme som den newtonske værdi. Jeg undrede mig over, hvad der ville være sket med hans omdømme, hvis der var blevet foretaget målinger dengang. Ville de have været et tilbageslag? Eller ville de blot have drevet ham endnu mere til at udarbejde den fulde teori med dens afgørende faktor to?