No Shadow of a Doubt: 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)
Vuonna 1916 Albert Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteoriansa täydessä matemaattisessa tarkkuudessa. Se avasi ikkunan fysiikan radikaalisti uuteen kehykseen, joka kumosi vakiintuneet käsitykset avaruudesta ja ajasta ja korvasi Newtonin painovoimalakien muotoilun. Einsteinin vallankumouksen oli määrä muuttaa tieteen kulkua, mutta heti julkaisun jälkeisinä vuosina hänen teoriansa oikeellisuudesta ei ollut lopullista havaintotietoa.
Tulee Arthur Stanley Eddington. Tähtitieteilijä, joka oli kiinnostunut Einsteinin teoriasta, koska sillä oli laaja-alaisia vaikutuksia astrofysiikkaan ja kosmologiaan, Eddington otti tehtäväkseen sen todistamisen. Valjastamalla täydellisen auringonpimennyksen hän väitti, että Auringon painovoiman aiheuttama valon taipuminen eli taivutus voitaisiin mitata. Tämä oli kriittinen testi, sillä Einsteinin teoria ennusti poikkeaman olevan täsmälleen kaksi kertaa niin suuri kuin Isaac Newtonin universaalin gravitaatiolain avulla saatu arvo. Tarvittava pimennys tapahtui 100 vuotta sitten, vuonna 1919. Eddington on nyt ikuisesti yhdistetty kahteen retkikuntaan, joiden tarkoituksena oli tarkastella sitä: Sobralista Pohjois-Brasiliassa ja Príncipen saarelta Länsi-Afrikan rannikolla. Nämä merkittävät yritykset muodostavat satavuotisjuhlavuoden kunniaksi julkaistujen kolmen kirjan ytimen: No Shadow of a Doubt, fyysikko Daniel Kennefick, Gravity’s Century, tiedetoimittaja Ron Cowen, ja tiedehistorioitsija Matthew Stanleyn Einsteinin sota.
Einsteinin kahdeksan vuotta kestänyt teoria sai alkunsa oivalluksista, jotka hän oli kehittänyt julkaistuaan vuonna 1905 erityisen suhteellisuusteoriansa. Yksi uuden teorian ennustamista vaikutuksista oli se, että massiivisen kappaleen, kuten tähden, lähellä kulkevien valonsäteiden pitäisi taipua sen painovoimakentän vaikutuksesta. Tämä vaikutus oli ennustettu laadullisesti Newtonin painovoimateorian avulla. Kiusallista kyllä, Newton itse oli kirjoittanut vuonna 1704 ilmestyneessä teoksessaan Opticks: ”Eivätkö kappaleet vaikuta kaukana olevaan valoon ja taivuta sen säteitä…?”. Mutta ei ole todisteita siitä, että hän olisi laskenut vaikutuksen suuruuden (ensimmäisen täydellisen laskelman julkaisi saksalainen matemaatikko Johann Georg von Soldner vuonna 1804).
Newtonin painovoimateoria ei tietenkään muotoillut painovoimaa seuraukseksi kaarevasta avaruudesta. Se oli Einsteinin innovaatio. Ja kun hän laski vaikutuksen, hän vahvisti, että valo taipuu (kuten Newtonin teoriassa), mutta kaarevan avaruuden kautta. Juuri tämä kaarevuus kaksinkertaistaa taipumisen.
Testiolosuhteet
Einstein esitti ensimmäisen kerran julkisesti yleisen suhteellisuusteorian Preussin tiedeakatemialle vuonna 1915. Ensimmäinen maailmansota oli tuolloin jo pitkällä kaikessa kauheudessaan. Seuraavana vuonna Eddington ja hänen tähtitieteilijäkollegansa Frank Watson Dyson – tuolloin Cambridgen observatorion johtaja ja kuninkaallinen tähtitieteilijä – onnistuivat saamaan Einsteinin julkaisemat paperit haltuunsa sota-aikaisesta viestintäkanavien katkaisusta huolimatta. Dyson tajusi heti, että vuoden 1919 täydellinen auringonpimennys olisi ihanteellinen testi.
Tämän pimennyksen aikana Aurinko istuisi Hyadien, Tauruksen tähdistössä sijaitsevan kirkkaiden tähtien rykelmän, edessä. Täydellisyyden aikaan monet tähdet näkyisivät siis pimennyskiekon lähellä. (Tämä oli tärkeää, koska Einsteinin ennustama valoa taivuttava vaikutus on suurin Auringon lähellä havaituissa tähdissä). Tähtien sijainnit suhteessa Aurinkoon voitiin tallentaa ja mitata valokuvauslevyille, ja sitten niitä voitiin verrata vertailulevyihin, joilla tähdet näkyivät silloin, kun Aurinko ei ollut lähelläkään näkökenttää. Auringon gravitaatiokentän aiheuttamat näennäiset siirtymät voitaisiin sitten laskea. Mitä enemmän tähtiä mitattaisiin, sitä paremmat mahdollisuudet havaitsijoilla olisi korjata systemaattiset virheet ja vähentää satunnaisvirheitä.
Se oli ajatus. Mutta oli voitettava monia käytännön esteitä, jotka liittyivät sekä havaintojen tekemisen teknisiin yksityiskohtiin että retkikunnan logistiikkaan. Pimennyksen totaalisuusreitti kulki Pohjois-Brasiliasta Atlantin yli Länsi-Afrikkaan, mikä teki retkikunnan järjestämisen Britanniasta käsin mahdottomaksi ennen kuin vihollisuudet olivat lakanneet. Marraskuussa 1918 tehty aselepo jätti juuri ja juuri riittävästi aikaa suunnitelman toteuttamiseen. Dyson, joka vastasi retkikunnista, jäi Englantiin. Eddington matkusti Príncipeen, ja Andrew Crommelin, joka työskenteli Lontoon Greenwichin kuninkaallisessa observatoriossa, lähti Sobraliin.
Kaksoisretkikuntien yksityiskohdat ovat hyvin esillä teoksessa No Shadow of a Doubt. Huolellisesti tutkittu ja elävästi kirjoitettu kertomus on varmasti vakiomuotoinen hakuteos tästä kiehtovasta ”suuren tieteen” esimerkistä. Kennefick paljastaa, että Eddingtonilla oli kauhea onni. Príncipessä vallitsi huono sää, ja hän onnistui tekemään vähemmän mittauksia kuin hän oli toivonut. Sitten höyrylaivayhtiön suunniteltu lakko merkitsi sitä, että hän ei voinut viipyä Príncipessä niin kauan, että olisi voinut mitata tähtien sijainnit levyiltään paikan päällä, vaan hänen oli tehtävä analyysi palattuaan Englantiin.
Crommelinilla oli paljon paremmat olosuhteet Brasiliassa. Huolimatta teknisistä laitteisto-ongelmista, joiden vuoksi monet levyt olivat pahasti epätarkkoja, hänen mittauksensa olivat ratkaisevia, ja ne olivat huomattavasti lähempänä Einsteinin ennustetta kuin Newtonin ennustetta. Tulokset julkistettiin yhteisesti saman vuoden marraskuussa Royal Societyn ja Royal Astronomical Societyn erityisessä yhteiskokouksessa Lontoossa. Siitä tuli etusivun uutinen ympäri maailmaa.
Kysymyksiä ja vahvistusta
Tämä Dysonin, Eddingtonin, Crommelinin ja heidän työryhmiensä alustava johtopäätös vahvistettiin sittemmin monilla uusilla pimennyskokeilla. Silti jotkut ovat syyttäneet Eddingtonia pimennysmittausten virheellisestä käsittelystä. Kennefickin otsikko No Shadow of a Doubt on siis sekä sanaleikki että ilmoitus aikomuksesta kumota nämä epäilyt. Kennefick käsittelee kritiikkiä melko yksityiskohtaisesti. Voin lisätä pari lyhyttä huomautusta.
Yksi on se, että Eddington joutui ottamaan käyttöön B-suunnitelman analysoidessaan Príncipen aineistoa sen jälkeen, kun epäonni oli pakottanut hänet; mutta mielestäni hän ei tehnyt mitään kohtuutonta. Kaikki vuoden 1919 pimennysmittaukset on taulukoitu (teoksessa F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). On suoraviivaista ja myös varsin opettavaista analysoida niitä nykyaikaisilla tilastollisilla menetelmillä. Olen tehnyt näin, enkä löytänyt mitään todisteita siitä, että Eddington olisi ”väärentänyt kirjanpitoa”. On suuri onnettomuus, että kummaltakaan retkeltä ei ole säilynyt yhtään alkuperäistä levyä: muuten niitä olisi voitu mitata kehittyneemmällä tekniikalla. Eddingtonin levyt katosivat hänen kuoltuaan vuonna 1944 – hänen sisarensa on saattanut heittää ne pois, kun hän joutui muuttamaan pois heidän yhteisestä Cambridgen kodistaan. Crommelinin levyt näyttävät kadonneen kuninkaallisen observatorion peräkkäisten uudelleenjärjestelyjen yhteydessä.
Gravity’s Century keskittyy enemmän Einsteinin teorian laajempiin seurauksiin kosmologiassa ja astrofysiikassa, mukaan lukien mustat aukot ja gravitaatioaallot. Cowenin alle 200-sivuinen kirja on kevyttä ja miellyttävää luettavaa, tervetullut lisä näitä aiheita käsittelevien kirjojen täyteen ahdettuun hyllyyn.
Cowen käsittelee myös Einsteinin inkarnaatiota kulttuuri-ikonina. ”Ihmevuosi” 1905, jolloin hän julkaisi artikkelit Brownin liikkeestä ja valosähköisestä ilmiöstä sekä erityisestä suhteellisuusteoriasta, teki Einsteinista fysiikan tähden. Vuoden 1919 auringonpimennysretket tekivät paljon enemmän, lujittivat hänen mainettaan fyysikoiden keskuudessa ja tekivät hänestä kansainvälisen supertähden. Mielestäni ainakin osittain syynä tähän äkilliseen kuuluisuuteen oli kuitenkin se, että retkikunta järjestettiin juuri sodan päättymisen jälkeen. Lisäksi se oli brittiläinen koe, jossa testattiin saksalaisen teoreetikon ajatuksia. Neljän hirvittävän kuoleman ja tuhon vuoden jälkeen ihmiset ehkä löysivät Einsteinin voitosta jonkinlaisen sovinnon symbolin.
Stanley jakaa tämän näkemyksen Einsteinin sodassa. Yksityiskohtainen ja helppolukuinen kirja täydentää No Shadow of a Doubt -teosta kertomuksena pimennysretkistä ja niiden poliittisesta taustasta. Se on erityisen paljastava Einsteinin tieteellisestä työstä ja yksityiselämästä ennen vuoden 1919 mullistavia tapahtumia – varsinkin kun se osoittaa, miten ensimmäinen maailmansota vaikutti niihin.
Yksi Stanleyn kertomuksen mielenkiintoisista seikoista on se, että Einstein oli yrittänyt laskea valon taipumista jo vuonna 1911, ennen kuin hän oli muotoillut täydellisen yleisen suhteellisuusteorian. Hänen tuloksensa oli täsmälleen sama kuin Newtonin arvo. Jäin miettimään, mitä hänen maineelleen olisi tapahtunut, jos mittaukset olisi tehty silloin. Olisivatko ne olleet takaisku? Vai olisivatko ne vain ajaneet häntä kovemmin kehittämään täydellistä teoriaa ja sen ratkaisevaa kaksoiskerrointa?