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)
In 1916 publiceerde Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie in volledig wiskundig detail. Dat opende het venster op een radicaal nieuw kader voor de natuurkunde, waarbij gevestigde noties van ruimte en tijd werden afgeschaft en Newtons formulering van de wetten van de zwaartekracht werd vervangen. Einsteins revolutie zou de loop van de wetenschap veranderen; maar in de jaren onmiddellijk na de publicatie was er geen definitief waarneembaar bewijs dat zijn theorie correct was.
Enter Arthur Stanley Eddington. Als astronoom, geïnteresseerd in Einsteins theorie vanwege de verstrekkende gevolgen voor de astrofysica en de kosmologie, nam Eddington de taak op zich om deze te bewijzen. Door gebruik te maken van een totale zonsverduistering beweerde hij dat de afbuiging van licht door de zwaartekracht van de zon kon worden gemeten. Dit was een kritische test, omdat Einsteins theorie een afbuiging voorspelde die precies twee keer zo groot was als de waarde die werd verkregen met behulp van Isaac Newtons wet van de universele gravitatie. De benodigde verduistering vond 100 jaar geleden plaats, in 1919. Eddington is nu voor altijd verbonden met twee expedities om hem te bekijken: vanuit Sobral in Noord-Brazilië en vanaf het eiland Príncipe voor de kust van West-Afrika. Deze gedenkwaardige ondernemingen vormen de kern van drie boeken ter herdenking van het eeuwfeest: No Shadow of a Doubt van natuurkundige Daniel Kennefick, Gravity’s Century van wetenschapsjournalist Ron Cowen, en wetenschapshistoricus Matthew Stanley’s Einstein’s War.
Einstein’s theorie, acht jaar in de maak, kwam voort uit inzichten die hij had ontwikkeld nadat hij in 1905 zijn speciale relativiteitstheorie had gepubliceerd. Een van de effecten die door de nieuwe theorie werd voorspeld, was dat lichtstralen die dichtbij een massief lichaam, zoals een ster, kwamen, zouden worden afgebogen door het gravitatieveld van dat lichaam. Dit effect was kwalitatief voorspeld aan de hand van Newtons zwaartekrachttheorie. Verrassend genoeg had Newton zelf in 1704 in zijn opus Opticks geschreven: “Werken lichamen niet in op licht op afstand, en buigen door hun werking de stralen om…?” Maar er is geen bewijs dat hij de grootte van het effect heeft berekend (de eerste volledige berekening werd gepubliceerd door de Duitse wiskundige Johann Georg von Soldner, in 1804).
Newtons theorie van de zwaartekracht formuleerde de zwaartekracht natuurlijk niet als een gevolg van de gekromde ruimte. Dat was Einsteins innovatie. En toen hij het effect berekende, bevestigde hij dat licht wordt afgebogen (zoals in de Newtoniaanse theorie), maar door de gekromde ruimte. Het is deze kromming die de afbuiging verdubbelt.
Testomstandigheden
Einstein bracht de algemene relativiteitstheorie in 1915 voor het eerst in het openbaar voor de Pruisische Academie van Wetenschappen. De Eerste Wereldoorlog was op dat moment in volle gang, met al zijn verschrikkingen. Het volgende jaar slaagden Eddington en zijn collega-astronoom Frank Watson Dyson – toen respectievelijk directeur van het Cambridge Observatory en Astronomer Royal – er ondanks de in oorlogstijd verbroken communicatiekanalen in om de gepubliceerde documenten van Einstein te bemachtigen. Dyson realiseerde zich onmiddellijk dat de totale zonsverduistering in 1919 een ideale test zou zijn.
Tijdens deze verduistering zou de zon voor de Hyaden staan, een cluster van heldere sterren in het sterrenbeeld Stier. Dus, bij totaliteit, zouden veel sterren zichtbaar zijn in de buurt van de verduisterde schijf. (Dit was belangrijk omdat het door Einstein voorspelde lichtbuigende effect het grootst is voor sterren die dicht bij de zon worden waargenomen). De posities van de sterren ten opzichte van de zon konden worden vastgelegd en gemeten op fotografische platen, en vervolgens vergeleken met referentieplaten waarop de sterren te zien waren wanneer de zon niet in de buurt van het gezichtsveld was. Alle schijnbare verschuivingen, veroorzaakt door het zwaartekrachtsveld van de zon, konden dan worden berekend. Hoe meer sterren werden gemeten, des te groter was de kans dat de waarnemers systematische fouten zouden kunnen corrigeren en toevallige fouten verminderen.
Dat was het idee. Maar er waren veel praktische obstakels te overwinnen, zowel in de technische aspecten van het maken van de waarnemingen, als in de expeditie logistiek. Het totaliteitspad van de eclips liep van Noord-Brazilië over de Atlantische Oceaan naar West-Afrika, waardoor het onmogelijk was om een expeditie op te zetten vanuit Groot-Brittannië tot de vijandelijkheden gestaakt waren. De wapenstilstand in november 1918 liet net genoeg tijd over om het plan uit te voeren. Dyson, die de leiding had over de expedities, bleef in Engeland. Eddington reisde naar Príncipe; Andrew Crommelin, die werkzaam was op het Royal Greenwich Observatory in Londen, ging naar Sobral.
De details van de twee expedities komen goed tot hun recht in No Shadow of a Doubt. Nauwkeurig onderzocht en levendig geschreven, zal het verslag zeker het standaard naslagwerk worden over dit fascinerende voorbeeld van ‘Big Science’. Eddington, zo onthult Kennefick, had vreselijk veel geluk. Door het slechte weer in Príncipe kon hij minder metingen verrichten dan hij had gehoopt. Vervolgens betekende een voorgenomen staking van een stoombootmaatschappij dat hij niet lang genoeg in Príncipe kon blijven om de sterposities op zijn platen ter plaatse te meten, en in plaats daarvan de analyse moest doen nadat hij naar Engeland was teruggekeerd.
Crommelin had veel betere omstandigheden in Brazilië. Ondanks technische problemen met de apparatuur, waardoor veel platen onscherp waren, waren zijn metingen doorslaggevend, en lagen zij merkbaar dichter bij de voorspelling van Einstein dan bij de Newtoniaanse. De resultaten werden in november van dat jaar gezamenlijk bekendgemaakt op een speciale gezamenlijke bijeenkomst van de Royal Society en de Royal Astronomical Society in Londen. Het was voorpaginanieuws over de hele wereld.
Vragen en bevestiging
Die eerste conclusie van Dyson, Eddington, Crommelin en hun teams werd vervolgens bevestigd door vele verdere eclips-experimenten. Toch is Eddington er door sommigen van beschuldigd de eclipsmetingen verkeerd te hebben aangepakt. Kennefick’s titel, No Shadow of a Doubt, is dus zowel een woordspeling als een intentieverklaring om deze verdenkingen weg te nemen. Kennefick gaat vrij uitvoerig op de kritiek in. Ik kan er een paar korte punten aan toevoegen.
Eén is dat Eddington een Plan B moest aannemen bij het analyseren van de Príncipe-gegevens, nadat de pech hem tot handelen had gedwongen; maar naar mijn mening heeft hij niets onredelijks gedaan. Alle eclipsmetingen van 1919 zijn in tabelvorm weergegeven (in F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). Het is eenvoudig, en ook heel leerzaam, om ze te analyseren met moderne statistische technieken. Ik heb dit gedaan, en geen bewijs gevonden dat Eddington ‘met de boeken heeft geknoeid’. Het is een grote pech dat geen van de originele platen van beide expedities bewaard is gebleven: anders was het misschien mogelijk geweest om ze met meer geavanceerde technologie op te meten. Eddingtons platen zijn na zijn dood in 1944 verloren gegaan – zijn zuster zou ze hebben kunnen weggooien toen zij gedwongen werd te verhuizen uit het huis in Cambridge dat zij deelden. Crommelin’s platen lijken te zijn verdwenen in de loop van opeenvolgende reorganisaties bij de Royal Observatory.
Gravity’s Century concentreert zich meer op de bredere vertakkingen van Einstein’s theorie in de kosmologie en astrofysica, waaronder zwarte gaten en zwaartekrachtsgolven. Met minder dan 200 pagina’s is Cowen’s boek een luchtige en plezierige lectuur, een welkome aanvulling op een overvolle plank met boeken over deze onderwerpen.
Cowen gaat ook in op Einstein’s incarnatie als een cultureel icoon. Het ‘wonderjaar’ 1905, toen hij verhandelingen publiceerde over Brownse beweging en het foto-elektrisch effect en over speciale relativiteit, maakte Einstein tot een ster in de natuurkunde. De eclips-expedities van 1919 deden nog veel meer, door zijn reputatie onder natuurkundigen te verstevigen en hem tot een internationale superster te maken. Toch is volgens mij minstens een deel van de reden voor die plotselinge beroemdheid het feit dat de expeditie net na het einde van de oorlog plaatsvond. Bovendien was het een Brits experiment dat de ideeën van een Duitse theoreticus testte. Na vier verschrikkelijke jaren van dood en verderf, vonden de mensen in Einsteins triomf misschien een symbool van een soort verzoening.
Stanley deelt die mening in Einstein’s War. Gedetailleerd en leesbaar, vult het boek No Shadow of a Doubt aan als een verslag van de eclips expedities en hun politieke achtergrond. Het is vooral onthullend over Einsteins wetenschappelijke werk en privé-leven in de aanloop naar de gedenkwaardige gebeurtenissen van 1919 – vooral door te laten zien hoe deze werden beïnvloed door de Eerste Wereldoorlog.
Een van de interessante feiten uit Stanley’s verslag is dat Einstein al in 1911 een poging had gedaan om de buiging van het licht te berekenen, voordat hij de volledige algemene relativiteitstheorie had geformuleerd. Zijn resultaat was precies hetzelfde als de Newtoniaanse waarde. Ik vroeg me af wat er met zijn reputatie zou zijn gebeurd als er toen metingen waren gedaan. Zouden ze een tegenslag zijn geweest? Of zouden ze hem alleen maar meer hebben aangezet tot het produceren van de volledige theorie, met de cruciale factor twee?