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)
1916-ban Albert Einstein teljes matematikai részletességgel közzétette általános relativitáselméletét. Ez megnyitotta az ablakot egy radikálisan új fizikai keretrendszer előtt, amely eltörölte a tér és az idő bevett fogalmait, és felváltotta a gravitációs törvények Newton-féle megfogalmazását. Einstein forradalma megváltoztatta a tudomány menetét, de közvetlenül a publikálást követő években még nem volt végleges megfigyelési bizonyíték arra, hogy elmélete helyes volt.
Megjelenik Arthur Stanley Eddington. Eddington csillagász, akit Einstein elmélete az asztrofizikára és kozmológiára gyakorolt széleskörű hatásai miatt érdekelt, elvállalta az elmélet bizonyítását. Egy teljes napfogyatkozás felhasználásával azt állította, hogy a fénynek a Nap gravitációja által okozott elhajlása vagy elhajlása mérhető. Ez kritikus teszt volt, mivel Einstein elmélete pontosan kétszer akkora eltérést jósolt, mint amit Isaac Newton egyetemes gravitációs törvénye alapján kaptunk. A szükséges napfogyatkozásra 100 évvel ezelőtt, 1919-ben került sor. Eddington nevéhez két expedíció is fűződik, amelyek ezt a napfogyatkozást akarták megfigyelni: az észak-brazíliai Sobralból és a Nyugat-Afrika partjainál fekvő Príncipe szigetéről. Ezek a nagy jelentőségű vállalkozások képezik a centenáriumra emlékező három könyv magját: Daniel Kennefick fizikus No Shadow of a Doubt, Ron Cowen tudományos újságíró Gravity’s Century és Matthew Stanley tudománytörténész Einstein’s War című könyve.
Einstein nyolc évig tartó elmélete a speciális relativitáselmélet 1905-ös publikálása után kialakult felismerésekből indult ki. Az új elmélet által megjósolt egyik hatás az volt, hogy egy tömeges test, például egy csillag közelében elhaladó fénysugarakat annak gravitációs mezejének el kell hajlítania. Ezt a hatást Newton gravitációs elmélete alapján minőségileg megjósolták. Kínzó módon maga Newton is ezt írta 1704-ben megjelent Opticks című művében: “Nem hatnak-e a testek a távolban lévő fényre, és nem hajlítják-e el a sugarakat…?”. Arra azonban nincs bizonyíték, hogy kiszámította volna a hatás nagyságát (az első teljes számítást Johann Georg von Soldner német matematikus tette közzé 1804-ben).
Newton gravitációs elmélete természetesen nem a görbült tér következményeként fogalmazta meg a gravitációt. Ez Einstein újítása volt. És amikor kiszámította a hatást, megerősítette, hogy a fény elhajlik (mint a newtoni elméletben), de a görbült téren keresztül. Ez a görbület az, ami megduplázza az eltérítést.
Kísérleti feltételek
Einstein először 1915-ben a Porosz Tudományos Akadémia előtt szellőztette meg nyilvánosan az általános relativitáselméletet. Az első világháború ekkor már javában zajlott, annak minden borzalmaival együtt. A következő évben a kommunikációs csatornák háborús megszakadása ellenére Eddingtonnak és csillagász társának, Frank Watson Dysonnak – akkoriban a Cambridge-i Obszervatórium igazgatója, illetve királyi csillagász – sikerült megszereznie Einstein közzétett tanulmányait. Dyson azonnal rájött, hogy az 1919-es teljes napfogyatkozás ideális tesztnek bizonyulna.
A napfogyatkozás során a Nap a Hyadok, a Bika csillagképben található fényes csillagok halmaza előtt helyezkedne el. Így a totalitáskor sok csillag lenne látható a fogyatkozó korong közelében. (Ez azért volt kulcsfontosságú, mert az Einstein által megjósolt fénytorzító hatás a Naphoz közel megfigyelt csillagok esetében a legnagyobb). A csillagok Naphoz viszonyított helyzetét fotólemezeken lehetett rögzíteni és megmérni, majd összehasonlítani olyan referencialemezekkel, amelyek a csillagokat mutatták, amikor a Nap nem volt a látómező közelében. Ezután ki lehetett számítani a Nap gravitációs mezeje által okozott látszólagos elmozdulásokat. Minél több csillagot mértek, annál nagyobb esélyük volt a megfigyelőknek a szisztematikus hibák korrigálására és a véletlen hibák csökkentésére.
Ez volt az elképzelés. De sok gyakorlati akadályt kellett leküzdeni, mind a megfigyelések technikai kivitelezésében, mind az expedíció logisztikájában. A napfogyatkozás teljességi útvonala Észak-Brazíliától az Atlanti-óceánon át Nyugat-Afrikáig haladt, ami lehetetlenné tette, hogy Nagy-Britanniából expedíciót indítsanak az ellenségeskedések megszűnéséig. Az 1918. novemberi fegyverszünet éppen elég időt hagyott a terv megvalósítására. Dyson, aki az expedíciók általános vezetője volt, Angliában maradt. Eddington Príncipe-be utazott; Andrew Crommelin, aki a londoni Greenwichi Királyi Obszervatóriumban dolgozott, Sobralba ment.
A kettős expedíció részleteit jól szolgálja a No Shadow of a Doubt. Az aprólékosan kutatott és szemléletesen megírt beszámoló minden bizonnyal a “nagy tudomány” e lenyűgöző példájáról szóló szabványos referenciaművé válik. Eddingtonnak – derül ki Kennefickből – szörnyű szerencséje volt. Príncipe-ben rossz időjárás fogadta, és kevesebb mérést tudott végezni, mint remélte. Aztán egy gőzhajózási társaság tervezett sztrájkja miatt nem tudott elég sokáig Príncipében maradni ahhoz, hogy a helyszínen megmérje a csillagok helyzetét a lemezein, és helyette Angliába való visszatérése után kellett elvégeznie az elemzést.
Crommelinnek sokkal jobbak voltak a körülményei Brazíliában. A felszereléssel kapcsolatos technikai problémák ellenére, amelyek miatt sok lemez csúnyán elmosódott, mérései döntőek voltak, és érezhetően közelebb álltak az Einstein-féle előrejelzéshez, mint a newtoniakéhoz. Az eredményeket közösen jelentették be még ugyanezen év novemberében, a Királyi Társaság és a Királyi Csillagászati Társaság rendkívüli közös ülésén Londonban. Az egész világon címlapra került a hír.
Kérdések és megerősítés
A Dyson, Eddington, Crommelin és csapataik kezdeti következtetését később számos további fogyatkozási kísérlet is megerősítette. Eddingtont mégis azzal vádolták egyesek, hogy rosszul kezelte a napfogyatkozás méréseit. Kennefick címe, A kétely árnyéka nélkül tehát egyszerre szójáték és szándéknyilatkozat e gyanú eloszlatására. Kennefick részletesen tárgyalja a kritikákat. Én is hozzátehetek néhány rövid pontot.
Az egyik az, hogy Eddington kénytelen volt B-tervet elfogadni a Príncipe-adatok elemzésekor, miután a balszerencse rákényszerítette; de véleményem szerint semmi ésszerűtlen dolgot nem tett. Az összes 1919-es napfogyatkozási mérést táblázatba foglalták (in F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). Egyszerű és egyben igen tanulságos ezeket modern statisztikai technikákkal elemezni. Ezt megtettem, és nem találtam bizonyítékot arra, hogy Eddington “meghamisította volna a könyveket”. Óriási szerencsétlenség, hogy egyik expedíció eredeti lemezei sem maradtak fenn: különben lehetett volna kifinomultabb technológiával mérni őket. Eddington lemezei 1944-ben bekövetkezett halála után elvesztek – a nővére dobhatta el őket, amikor kénytelen volt kiköltözni a közös cambridge-i otthonukból. Úgy tűnik, hogy Crommelin lemezei a Királyi Obszervatórium egymást követő átszervezései során tűntek el.
A gravitáció évszázada inkább Einstein elméletének a kozmológiára és az asztrofizikára gyakorolt szélesebb körű következményeire koncentrál, beleértve a fekete lyukakat és a gravitációs hullámokat. Kevesebb mint 200 oldalas, Cowen könyve könnyed és élvezetes olvasmány, szívesen látott kiegészítője az e témákról szóló könyvek zsúfolt polcának.
Cowen kitér Einstein kulturális ikonná válására is. Az 1905-ös “csodaév”, amikor a Brown-mozgásról és a fotoelektromos effektusról, valamint a speciális relativitáselméletről publikált dolgozatokat, Einsteint a fizika sztárjává tette. Az 1919-es napfogyatkozási expedíciók ennél sokkal többet tettek, megszilárdították hírnevét a fizikusok körében, és nemzetközi szupersztárrá tették. Véleményem szerint azonban a hirtelen híressé válás legalább részben annak köszönhető, hogy az expedícióra közvetlenül a háború vége után került sor. Ráadásul ez egy brit kísérlet volt, amely egy német teoretikus elképzeléseit tesztelte. A halál és pusztítás négy szörnyű éve után az emberek talán Einstein diadalában valamiféle megbékélés szimbólumát látták.
Stanley osztja ezt a nézetet Einstein háborújában. A részletes és olvasmányos könyv a Napfogyatkozás-expedíciókról és azok politikai hátteréről szóló beszámolóként kiegészíti A kétség árnyéka nélkül című könyvet. Különösen sokat elárul Einstein tudományos munkájáról és magánéletéről, amely az 1919-es nagy jelentőségű eseményeket előzte meg – különösen azáltal, hogy bemutatja, hogyan befolyásolta ezeket az első világháború.
Stanley beszámolójának egyik érdekessége, hogy Einstein már 1911-ben megpróbálkozott a fény elhajlásának kiszámításával, még mielőtt megfogalmazta volna a teljes általános relativitáselméletet. Eredménye pontosan megegyezett a newtoni értékkel. Elgondolkodtam azon, hogy mi lett volna a hírnevével, ha akkor méréseket végeznek. Visszaesést jelentettek volna? Vagy csak még inkább arra ösztönözték volna, hogy még keményebben dolgozza ki a teljes elméletet, a döntő fontosságú kétszeres tényezővel?