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)
În 1916, Albert Einstein și-a publicat teoria generală a relativității în toate detaliile matematice. Aceasta a deschis fereastra unui cadru radical nou pentru fizică, abolind noțiunile consacrate de spațiu și timp și înlocuind formularea legilor gravitației de către Newton. Revoluția lui Einstein avea să schimbe cursul științei; însă, în anii imediat după publicare, nu existau dovezi observaționale definitive că teoria sa era corectă.
Intra Arthur Stanley Eddington. Un astronom interesat de teoria lui Einstein datorită implicațiilor sale de mare anvergură pentru astrofizică și cosmologie, Eddington și-a asumat sarcina de a o demonstra. Prin valorificarea unei eclipse totale de soare, el a susținut că devierea, sau curbarea luminii de către gravitația Soarelui poate fi măsurată. Acesta a fost un test critic, deoarece teoria lui Einstein prezicea o deviație exact de două ori mai mare decât valoarea obținută cu ajutorul legii gravitației universale a lui Isaac Newton. Eclipsa necesară a avut loc cu 100 de ani în urmă, în 1919. Eddington este acum asociat pentru totdeauna cu două expediții pentru a o vedea: de la Sobral, în nordul Braziliei, și de pe insula Príncipe, în largul coastei Africii de Vest. Aceste aventuri memorabile formează nucleul a trei cărți care comemorează centenarul: No Shadow of a Doubt, de fizicianul Daniel Kennefick, Gravity’s Century, de jurnalistul științific Ron Cowen, și Einstein’s War, de istoricul de știință Matthew Stanley.
Teoria lui Einstein, care a durat opt ani, a pornit de la intuițiile pe care le-a dezvoltat după ce și-a publicat teoria relativității speciale în 1905. Unul dintre efectele prezise de noua teorie a fost acela că razele de lumină care trec în apropierea unui corp masiv, cum ar fi o stea, ar trebui să fie curbate de câmpul gravitațional al acestuia. Acest efect fusese prezis calitativ cu ajutorul teoriei gravitaționale a lui Newton. Tentant, Newton însuși a scris în lucrarea sa Opticks din 1704: „Nu cumva corpurile acționează asupra luminii de la distanță și, prin acțiunea lor, îi îndoaie razele…?”. Dar nu există nicio dovadă că ar fi calculat magnitudinea efectului (primul calcul complet a fost publicat de matematicianul german Johann Georg von Soldner, în 1804).
Teoria gravitației a lui Newton nu a formulat, desigur, gravitația ca o consecință a spațiului curbat. Aceasta a fost inovația lui Einstein. Iar când a calculat efectul, el a confirmat că lumina este deviată (ca în teoria newtoniană), dar prin spațiul curbat. Această curbură este cea care dublează deviația.
Condiții de testare
Einstein a expus pentru prima dată public teoria generală a relativității în fața Academiei Prusace de Științe în 1915. Primul Război Mondial era pe atunci în plină desfășurare, în toată grozăvia sa. În anul următor, în ciuda întreruperii canalelor de comunicare pe timp de război, Eddington și colegul său astronom Frank Watson Dyson – pe atunci director al Observatorului din Cambridge și, respectiv, astronom regal – au reușit să obțină lucrările publicate de Einstein. Dyson și-a dat seama imediat că eclipsa totală de soare din 1919 se va dovedi un test ideal.
În timpul acestei eclipse, Soarele s-ar fi așezat în fața Hyadelor, un grup de stele strălucitoare din constelația Taurus. Astfel, la momentul totalității, multe stele ar fi vizibile în apropierea discului eclipsat. (Acest lucru a fost esențial deoarece efectul de curbare a luminii prezis de Einstein este mai mare pentru stelele observate în apropierea Soarelui). Pozițiile stelelor în raport cu Soarele puteau fi înregistrate și măsurate pe plăci fotografice, iar apoi comparate cu plăci de referință care arătau stelele atunci când Soarele nu se afla în apropierea câmpului vizual. Orice deplasare aparentă, cauzată de câmpul gravitațional al Soarelui, ar putea fi apoi calculată. Cu cât mai multe stele măsurate, cu atât mai mari vor fi șansele observatorilor de a corecta erorile sistematice și de a le reduce pe cele aleatorii.
Aceasta era ideea. Dar existau multe obstacole practice de depășit, atât în ceea ce privește aspectele tehnice ale efectuării observațiilor, cât și în ceea ce privește logistica expediționară. Calea de totalitate a eclipsei trecea din nordul Braziliei peste Atlantic până în Africa de Vest, ceea ce făcea imposibilă organizarea unei expediții din Marea Britanie până la încetarea ostilităților. Armistițiul din noiembrie 1918 a lăsat suficient timp pentru a pune planul în aplicare. Dyson, responsabilul general al expedițiilor, a rămas în Anglia. Eddington a călătorit în Príncipe; Andrew Crommelin, care lucra la Observatorul Regal Greenwich din Londra, a mers la Sobral.
Detaliile celor două expediții sunt bine servite de cartea No Shadow of a Doubt. Cercetată cu meticulozitate și scrisă în mod viu, relatarea va deveni cu siguranță lucrarea de referință standard despre acest exemplu fascinant de „Big Science”. Eddington, dezvăluie Kennefick, a avut un noroc teribil. Întâmpinat de vremea nefavorabilă din Príncipe, el a reușit să facă mai puține măsurători decât spera. Apoi, o grevă propusă de o companie de vapoare a însemnat că nu a putut rămâne în Príncipe suficient de mult timp pentru a măsura la fața locului pozițiile stelelor de pe plăcile sale, fiind nevoit, în schimb, să facă analiza după ce s-a întors în Anglia.
Crommelin a avut condiții mult mai bune în Brazilia. În ciuda problemelor tehnice cu echipamentul care a lăsat multe plăci foarte neclare, măsurătorile sale au fost decisive și au fost sensibil mai aproape de predicția lui Einstein decât de cea newtoniană. Rezultatele au fost anunțate în mod colectiv în luna noiembrie a aceluiași an, în cadrul unei reuniuni speciale comune a Societății Regale și a Societății Regale Astronomice din Londra. A fost pe prima pagină a ziarelor din întreaga lume.
Întrebări și confirmări
Această concluzie inițială a lui Dyson, Eddington, Crommelin și a echipelor lor a fost ulterior confirmată de multe alte experimente de eclipsă. Cu toate acestea, Eddington a fost acuzat de unii că a manipulat greșit măsurătorile eclipsei. Titlul lui Kennefick, No Shadow of a Doubt, este, așadar, atât un joc de cuvinte, cât și o declarație de intenție de a risipi aceste suspiciuni. Kennefick discută criticile în detaliu. Eu pot adăuga câteva puncte scurte.
Unul este că Eddington a trebuit să adopte un plan B atunci când a analizat datele de la Príncipe, după ce ghinionul i-a forțat mâna; dar, în opinia mea, nu a făcut nimic nerezonabil. Toate măsurătorile eclipsei din 1919 sunt tabelate (în F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). Este simplu și, de asemenea, destul de instructiv, să le analizăm folosind tehnici statistice moderne. Am făcut acest lucru și nu am găsit nicio dovadă că Eddington ar fi „falsificat cărțile”. Este o mare nenorocire faptul că nu a supraviețuit niciuna dintre plăcile originale ale celor două expediții: altfel, ar fi fost posibil să le măsurăm folosind o tehnologie mai sofisticată. Plăcile lui Eddington au fost pierdute după ce acesta a murit în 1944 – este posibil ca sora sa să le fi aruncat atunci când a fost nevoită să se mute din casa din Cambridge pe care o împărțeau. Plăcile lui Crommelin par să fi dispărut în cursul reorganizărilor succesive de la Observatorul Regal.
Secolul gravitației se concentrează mai mult pe ramificațiile mai largi ale teoriei lui Einstein în cosmologie și astrofizică, inclusiv găurile negre și undele gravitaționale. La mai puțin de 200 de pagini, cartea lui Cowen este o lectură ușoară și plăcută, o completare binevenită la un raft aglomerat de cărți despre aceste subiecte.
Cowen se ocupă, de asemenea, de întruchiparea lui Einstein ca icoană culturală. „Anul miraculos” 1905, când a publicat lucrări despre mișcarea browniană și efectul fotoelectric, precum și despre relativitatea specială, l-a transformat pe Einstein într-o vedetă a fizicii. Expedițiile de eclipsă din 1919 au făcut mult mai mult, consolidându-i reputația în rândul fizicienilor și transformându-l într-un superstar internațional. Cu toate acestea, după părerea mea, cel puțin o parte din motivul acestei celebrități bruște se datorează faptului că expediția a avut loc imediat după încheierea războiului. În plus, a fost un experiment britanic care testa ideile unui teoretician german. După patru ani teribili de moarte și distrugere, poate că oamenii au găsit în triumful lui Einstein un simbol al unui fel de reconciliere.
Stanley împărtășește acest punct de vedere în Războiul lui Einstein. Detaliată și ușor de citit, cartea completează cartea No Shadow of a Doubt ca o relatare a expedițiilor de eclipsă și a contextului lor politic. Este deosebit de revelatoare în ceea ce privește activitatea științifică și viața privată a lui Einstein până la evenimentele epocale din 1919 – în special prin faptul că arată modul în care acestea au fost afectate de Primul Război Mondial.
Unul dintre faptele interesante din relatarea lui Stanley este că Einstein a făcut o încercare de calculare a curburii luminii încă din 1911, înainte de a formula teoria generală completă a relativității. Rezultatul său a fost exact același cu valoarea newtoniană. M-am întrebat ce s-ar fi întâmplat cu reputația sa dacă măsurătorile ar fi fost făcute atunci. Ar fi fost un eșec? Sau l-ar fi impulsionat și mai mult să elaboreze teoria completă, cu factorul său crucial de doi?