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)
Nel 1916, Albert Einstein pubblicò la sua teoria generale della relatività in pieno dettaglio matematico. Questo aprì la finestra su un quadro radicalmente nuovo per la fisica, abolendo le nozioni consolidate di spazio e tempo e sostituendo la formulazione delle leggi di gravità di Newton. La rivoluzione di Einstein avrebbe cambiato il corso della scienza; ma negli anni immediatamente successivi alla pubblicazione, non c’erano prove osservative definitive che la sua teoria fosse corretta.
Entra Arthur Stanley Eddington. Un astronomo interessato alla teoria di Einstein a causa delle sue ampie implicazioni per l’astrofisica e la cosmologia, Eddington si assunse il compito di dimostrarla. Sfruttando un’eclissi solare totale, sostenne che la deflessione, o piegatura, della luce da parte della gravità del Sole poteva essere misurata. Questo era un test critico, perché la teoria di Einstein prevedeva una deflessione esattamente doppia rispetto al valore ottenuto usando la legge di gravitazione universale di Isaac Newton. L’eclissi necessaria avvenne 100 anni fa, nel 1919. Eddington è ora per sempre associato a due spedizioni per vederla: da Sobral nel nord del Brasile e dall’isola di Príncipe al largo della costa dell’Africa occidentale. Queste imprese epocali formano il nucleo di tre libri che commemorano il centenario: No Shadow of a Doubt del fisico Daniel Kennefick, Gravity’s Century del giornalista scientifico Ron Cowen, e Einstein’s War dello storico della scienza Matthew Stanley.
La teoria di Einstein, otto anni di lavoro, nacque da intuizioni che aveva sviluppato dopo aver pubblicato la sua teoria della relatività speciale nel 1905. Uno degli effetti previsti dalla nuova teoria era che i raggi di luce che passano vicino a un corpo massiccio, come una stella, dovrebbero essere piegati dal suo campo gravitazionale. Questo effetto era stato previsto qualitativamente usando la teoria della gravità di Newton. In modo allettante, Newton stesso aveva scritto nel suo opus Opticks del 1704: “I corpi non agiscono forse sulla luce a distanza, e con la loro azione ne piegano i raggi…? Ma non ci sono prove che abbia calcolato la grandezza dell’effetto (il primo calcolo completo fu pubblicato dal matematico tedesco Johann Georg von Soldner, nel 1804).
La teoria della gravità di Newton non formulava, ovviamente, la gravità come conseguenza dello spazio curvo. Questa fu l’innovazione di Einstein. E quando calcolò l’effetto, confermò che la luce viene deviata (come nella teoria newtoniana), ma attraverso lo spazio curvo. È questa curvatura che raddoppia la deviazione.
Condizioni di prova
Einstein espose per la prima volta pubblicamente la teoria della relatività generale all’Accademia Prussiana delle Scienze nel 1915. La prima guerra mondiale era ormai ben avviata, in tutto il suo orrore. L’anno successivo, nonostante la separazione dei canali di comunicazione in tempo di guerra, Eddington e il collega astronomo Frank Watson Dyson – allora rispettivamente direttore dell’Osservatorio di Cambridge e Astronomo Reale – riuscirono a ottenere i documenti pubblicati da Einstein. Dyson si rese subito conto che l’eclissi solare totale del 1919 si sarebbe rivelata un test ideale.
Durante questa eclissi, il Sole si sarebbe trovato di fronte alle Iadi, un ammasso di stelle luminose nella costellazione del Toro. Così, alla totalità, molte stelle sarebbero state visibili vicino al disco eclissato. (Questo era fondamentale perché l’effetto di piegamento della luce previsto da Einstein è maggiore per le stelle osservate vicino al Sole). La posizione delle stelle rispetto al Sole poteva essere registrata e misurata su lastre fotografiche, e poi confrontata con lastre di riferimento che mostravano le stelle quando il Sole non era affatto vicino al campo visivo. Qualsiasi spostamento apparente, causato dal campo gravitazionale del Sole, poteva essere calcolato. Più stelle venivano misurate, maggiori erano le possibilità per gli osservatori di correggere gli errori sistematici e ridurre quelli casuali.
Questa era l’idea. Ma c’erano molti ostacoli pratici da superare, sia negli aspetti tecnici delle osservazioni, sia nella logistica della spedizione. Il percorso della totalità dell’eclissi passava dal nord del Brasile attraverso l’Atlantico fino all’Africa occidentale, rendendo impossibile organizzare una spedizione dalla Gran Bretagna fino alla cessazione delle ostilità. L’armistizio del novembre 1918 lasciò giusto il tempo per mettere in atto il piano. Dyson, responsabile generale delle spedizioni, rimase in Inghilterra. Eddington andò a Príncipe; Andrew Crommelin, che lavorava al Royal Greenwich Observatory di Londra, andò a Sobral.
I dettagli delle due spedizioni sono ben serviti da No Shadow of a Doubt. Ricercato meticolosamente e scritto in modo vivido, il resoconto è sicuro di diventare l’opera di riferimento standard su questo affascinante esempio di ‘Big Science’. Eddington, rivela Kennefick, ebbe una fortuna terribile. Incontrata dal cattivo tempo a Príncipe, riuscì a fare meno misurazioni di quelle che aveva sperato. Poi, uno sciopero proposto da una compagnia di navigazione a vapore significò che non poté rimanere a Príncipe abbastanza a lungo per misurare sul posto le posizioni delle stelle sulle sue tavole, e dovette invece fare l’analisi dopo essere tornato in Inghilterra.
Crommelin ebbe condizioni molto migliori in Brasile. Nonostante i problemi tecnici con l’attrezzatura che lasciarono molte lastre gravemente sfocate, le sue misurazioni furono decisive, ed erano notevolmente più vicine alla previsione di Einstein che a quella newtoniana. I risultati furono annunciati collettivamente nel novembre dello stesso anno, in una speciale riunione congiunta della Royal Society e della Royal Astronomical Society a Londra. Fece notizia in prima pagina in tutto il mondo.
Domande e conferme
Quella conclusione iniziale di Dyson, Eddington, Crommelin e dei loro team fu successivamente confermata da molti altri esperimenti di eclissi. Eppure Eddington è stato accusato da alcuni di aver gestito male le misurazioni delle eclissi. Il titolo di Kennefick, No Shadow of a Doubt, è quindi sia un gioco di parole che una dichiarazione di intenti per dissipare questi sospetti. Kennefick discute le critiche in dettaglio. Posso aggiungere un paio di brevi punti.
Una è che Eddington ha dovuto adottare un piano B nell’analisi dei dati di Príncipe, dopo che la sfortuna gli aveva forzato la mano; ma, secondo me, non ha fatto nulla di irragionevole. Tutte le misure delle eclissi del 1919 sono tabulate (in F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). È semplice, e anche abbastanza istruttivo, analizzarle con le moderne tecniche statistiche. L’ho fatto, e non ho trovato alcuna prova che Eddington abbia “truccato i conti”. È una grande sfortuna che nessuna delle tavole originali di entrambe le spedizioni sopravviva: altrimenti sarebbe stato possibile misurarle con una tecnologia più sofisticata. Le lastre di Eddington sono andate perse dopo la sua morte nel 1944 – sua sorella potrebbe averle buttate via quando fu costretta a lasciare la casa di Cambridge che condividevano. Le tavole di Crommelin sembrano essere scomparse nel corso di successive riorganizzazioni al Royal Observatory.
Gravity’s Century si concentra maggiormente sulle più ampie ramificazioni della teoria di Einstein in cosmologia e astrofisica, compresi i buchi neri e le onde gravitazionali. Con meno di 200 pagine, il libro di Cowen è una lettura leggera e piacevole, una gradita aggiunta ad un affollato scaffale di libri su questi argomenti.
Cowen approfondisce anche l’incarnazione di Einstein come icona culturale. L'”anno del miracolo” del 1905, quando pubblicò articoli sul moto browniano e l’effetto fotoelettrico, nonché sulla relatività speciale, fece di Einstein una star della fisica. Le spedizioni di eclissi del 1919 fecero molto di più, cementando la sua reputazione tra i fisici e trasformandolo in una superstar internazionale. Tuttavia, a mio parere, almeno una parte della ragione di questa improvvisa celebrità è che la spedizione arrivò subito dopo la fine della guerra. Inoltre, era un esperimento britannico che testava le idee di un teorico tedesco. Dopo quattro anni terribili di morte e distruzione, forse la gente trovò nel trionfo di Einstein un simbolo di una sorta di riconciliazione.
Stanley condivide questa visione in La guerra di Einstein. Dettagliato e leggibile, il libro completa No Shadow of a Doubt come un resoconto delle spedizioni di eclissi e del loro sfondo politico. È particolarmente rivelatore del lavoro scientifico di Einstein e della sua vita privata fino agli eventi epocali del 1919 – in particolare nel mostrare come questi furono influenzati dalla prima guerra mondiale.
Uno dei fatti interessanti del racconto di Stanley è che Einstein aveva fatto un tentativo di calcolare la curvatura della luce già nel 1911, prima di aver formulato la teoria generale della relatività. Il suo risultato era esattamente lo stesso del valore newtoniano. Mi sono chiesto cosa sarebbe successo alla sua reputazione se le misurazioni fossero state fatte allora. Sarebbero state una battuta d’arresto? O lo avrebbero solo spinto a produrre la teoria completa, con il suo cruciale fattore due?