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)
W 1916 roku Albert Einstein opublikował swoją ogólną teorię względności w pełnej matematycznej szczegółowości. Otworzyło to okno na radykalnie nowe ramy dla fizyki, znosząc ustalone pojęcia przestrzeni i czasu oraz zastępując sformułowanie praw grawitacji przez Newtona. Rewolucja Einsteina miała zmienić bieg nauki; ale w latach bezpośrednio po publikacji nie było ostatecznych dowodów obserwacyjnych, że jego teoria jest poprawna.
Wejście Arthura Stanleya Eddingtona. Astronom zainteresowany teorią Einsteina z powodu jej szerokich implikacji dla astrofizyki i kosmologii, Eddington podjął się zadania jej udowodnienia. Wykorzystując całkowite zaćmienie Słońca, udowodnił, że można zmierzyć ugięcie światła przez grawitację Słońca. Był to krytyczny test, ponieważ teoria Einsteina przewidywała ugięcie dokładnie dwa razy większe niż wartość uzyskana na podstawie prawa powszechnego ciążenia Isaaca Newtona. Potrzebne zaćmienie nastąpiło 100 lat temu, w 1919 roku. Eddington jest teraz na zawsze związany z dwiema wyprawami, które miały je obserwować: z Sobral w północnej Brazylii i z wyspy Príncipe u wybrzeży Afryki Zachodniej. Te doniosłe przedsięwzięcia stanowią jądro trzech książek upamiętniających setną rocznicę: No Shadow of a Doubt fizyka Daniela Kenneficka, Gravity’s Century dziennikarza naukowego Rona Cowena oraz Wojna Einsteina historyka nauki Matthew Stanleya.
Teoria Einsteina, tworzona przez osiem lat, powstała w oparciu o spostrzeżenia, które rozwinął po opublikowaniu swojej teorii szczególnej względności w 1905 roku. Jednym z efektów przewidywanych przez nową teorię było to, że promienie świetlne przechodzące w pobliżu masywnego ciała, takiego jak gwiazda, powinny zostać ugięte przez jego pole grawitacyjne. Efekt ten został przewidziany jakościowo na podstawie teorii grawitacji Newtona. Co ciekawe, sam Newton napisał w swoim opus Opticks z 1704 roku: „Czy ciała nie oddziałują na światło na odległość i przez swoje działanie nie zaginają jego promieni…?”. Nie ma jednak dowodów na to, że obliczył wielkość tego efektu (pierwsze pełne obliczenia opublikował niemiecki matematyk Johann Georg von Soldner, w 1804 roku).
Teoria grawitacji Newtona nie formułowała, oczywiście, grawitacji jako konsekwencji zakrzywionej przestrzeni. To była innowacja Einsteina. A kiedy obliczył efekt, potwierdził, że światło jest odchylane (jak w teorii Newtona), ale przez zakrzywioną przestrzeń. To właśnie ta krzywizna podwaja ugięcie.
Warunki testowe
Einstein po raz pierwszy publicznie wyłożył ogólną teorię względności Pruskiej Akademii Nauk w 1915 roku. Trwała już wtedy I wojna światowa, w całej swej grozie. W następnym roku, mimo wojennego odcięcia kanałów komunikacyjnych, Eddingtonowi i astronomowi Frankowi Watsonowi Dysonowi – ówczesnemu dyrektorowi Obserwatorium Cambridge i Królewskiemu Astronomowi – udało się zdobyć opublikowane przez Einsteina prace. Dyson natychmiast zdał sobie sprawę, że całkowite zaćmienie Słońca w 1919 roku będzie idealnym testem.
Podczas tego zaćmienia Słońce znajdowało się przed Hyadesem, gromadą jasnych gwiazd w gwiazdozbiorze Taurusa. Tak więc, podczas całkowitości, wiele gwiazd byłoby widocznych w pobliżu zaćmionego dysku. (Było to kluczowe, ponieważ efekt ugięcia światła przewidziany przez Einsteina jest największy dla gwiazd obserwowanych blisko Słońca). Pozycje gwiazd względem Słońca mogły być rejestrowane i mierzone na płytach fotograficznych, a następnie porównywane z płytami referencyjnymi pokazującymi gwiazdy, gdy Słońca nie było w pobliżu pola widzenia. Można było wtedy obliczyć wszelkie pozorne przesunięcia spowodowane polem grawitacyjnym Słońca. Im więcej gwiazd zmierzono, tym większa szansa, że obserwatorzy będą mogli skorygować błędy systematyczne i zredukować przypadkowe.
Taka była idea. Istniało jednak wiele praktycznych przeszkód do pokonania, zarówno w technicznych aspektach prowadzenia obserwacji, jak i w logistyce ekspedycji. Ścieżka całkowitego zaćmienia przebiegała od północnej Brazylii przez Atlantyk do Afryki Zachodniej, co uniemożliwiało zorganizowanie ekspedycji z Wielkiej Brytanii do czasu zakończenia działań wojennych. Zawieszenie broni w listopadzie 1918 roku pozostawiło wystarczająco dużo czasu, by wprowadzić plan w życie. Dyson, ogólnie odpowiedzialny za ekspedycje, pozostał w Anglii. Eddington pojechał na Príncipe; Andrew Crommelin, który pracował w Królewskim Obserwatorium Greenwich w Londynie, udał się do Sobral.
Szczegóły podwójnych ekspedycji są dobrze obsługiwane przez No Shadow of a Doubt. Skrupulatnie zbadane i żywo napisane, konto jest pewne, aby stać się standardem pracy odniesienia na ten fascynujący przykład „Big Science”. Eddington, jak ujawnia Kennefick, miał strasznego pecha. Napotkany przez złą pogodę na Príncipe, zdołał dokonać mniejszej liczby pomiarów, niż się spodziewał. Następnie, proponowany strajk firmy parowej oznaczał, że nie mógł pozostać na Príncipe wystarczająco długo, aby zmierzyć pozycje gwiazd na swoich tablicach na miejscu, i zamiast tego musiał przeprowadzić analizę po powrocie do Anglii.
Crommelin miał znacznie lepsze warunki w Brazylii. Pomimo problemów technicznych ze sprzętem, które sprawiły, że wiele płyt było mocno zamazanych, jego pomiary były decydujące i wyraźnie bliższe przewidywaniom Einsteina niż Newtona. Wyniki zostały ogłoszone zbiorczo w listopadzie tego samego roku, na specjalnym wspólnym posiedzeniu Royal Society i Royal Astronomical Society w Londynie. Stało się to wiadomością z pierwszych stron gazet na całym świecie.
Pytania i potwierdzenie
Ten wstępny wniosek Dysona, Eddingtona, Crommelina i ich zespołów został następnie potwierdzony przez wiele dalszych eksperymentów zaćmieniowych. Jednak Eddington został oskarżony przez niektórych o niewłaściwe prowadzenie pomiarów zaćmienia. Tytuł pracy Kenneficka, No Shadow of a Doubt, jest więc zarówno kalamburem, jak i deklaracją intencji rozwiania tych podejrzeń. Kennefick omawia krytykę w sposób dość szczegółowy. Ja mogę dodać kilka krótkich uwag.
Jedną z nich jest to, że Eddington musiał przyjąć Plan B podczas analizy danych Príncipe, po tym jak nieszczęście zmusiło go do działania; ale, moim zdaniem, nie zrobił nic nierozsądnego. Wszystkie pomiary zaćmień z 1919 roku są zestawione w tabelach (w F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). Jest rzeczą prostą, a także dość pouczającą, przeanalizować je przy użyciu współczesnych technik statystycznych. Zrobiłem to i nie znalazłem żadnych dowodów na to, że Eddington „oszukał księgi”. Ogromnym nieszczęściem jest to, że nie zachowała się żadna z oryginalnych tabliczek z żadnej z ekspedycji: w przeciwnym razie możliwe byłoby zmierzenie ich przy użyciu bardziej wyrafinowanej technologii. Tabliczki Eddingtona zaginęły po jego śmierci w 1944 roku – jego siostra mogła je wyrzucić, gdy została zmuszona do wyprowadzenia się z domu w Cambridge, który dzielili. Wydaje się, że płyty Crommelina zaginęły w trakcie kolejnych reorganizacji w Obserwatorium Królewskim.
Stulecie grawitacji koncentruje się bardziej na szerszych konsekwencjach teorii Einsteina w kosmologii i astrofizyce, w tym na czarnych dziurach i falach grawitacyjnych. Przy mniej niż 200 stronach, książka Cowena jest lekką i przyjemną lekturą, mile widzianym dodatkiem do zatłoczonej półki z książkami na te tematy.
Cowen zagłębia się również we wcielenie Einsteina jako ikony kultury. Cudowny rok” 1905, kiedy opublikował prace na temat ruchu Browna i efektu fotoelektrycznego, jak również na temat szczególnej względności, uczynił z Einsteina gwiazdę fizyki. Ekspedycje związane z zaćmieniem słońca w 1919 roku zrobiły znacznie więcej, cementując jego reputację wśród fizyków i przekształcając go w międzynarodową supergwiazdę. Jednak moim zdaniem przynajmniej częściowo przyczyną tej nagłej sławy był fakt, że ekspedycja ta odbyła się tuż po zakończeniu wojny. Co więcej, był to brytyjski eksperyment testujący idee niemieckiego teoretyka. Po czterech strasznych latach śmierci i zniszczenia, być może ludzie znaleźli w triumfie Einsteina symbol pewnego rodzaju pojednania.
Stanley podziela ten pogląd w Wojnie Einsteina. Szczegółowa i czytelna, książka ta uzupełnia Bez cienia wątpliwości jako relacja z wypraw zaćmieniowych i ich politycznego tła. Szczególnie odkrywcza jest praca naukowa i życie prywatne Einsteina prowadzące do doniosłych wydarzeń 1919 roku – zwłaszcza jeśli chodzi o pokazanie, jak wpłynęła na nie pierwsza wojna światowa.
Jednym z interesujących faktów z relacji Stanleya jest to, że Einstein podjął próbę obliczenia ugięcia światła już w 1911 roku, zanim sformułował pełną ogólną teorię względności. Jego wynik był dokładnie taki sam jak wartość newtonowska. Zastanawiałem się, co stałoby się z jego reputacją, gdyby wtedy dokonano pomiarów. Czy byłyby to niepowodzenia? A może po prostu zmobilizowałyby go do stworzenia pełnej teorii, z jej kluczowym współczynnikiem dwa?