Ingen skugga av tvivel: The 1919 Eclipse That Confirmed Einstein’s Theory of Relativity Daniel Kennefick Princeton University Press (2019)
Gravity’s Century: Från Einsteins förmörkelse till bilder av svarta hål 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 publicerade Albert Einstein sin allmänna relativitetsteori i alla matematiska detaljer. Det öppnade fönstret för en radikalt ny ram för fysiken, som avskaffade etablerade föreställningar om rum och tid och ersatte Newtons formulering av gravitationslagarna. Einsteins revolution skulle förändra vetenskapens kurs, men under åren omedelbart efter offentliggörandet fanns det inga definitiva observationsbevis för att hans teori var korrekt.
Inför Arthur Stanley Eddington. En astronom som var intresserad av Einsteins teori på grund av dess omfattande konsekvenser för astrofysik och kosmologi, tog Eddington på sig uppgiften att bevisa den. Genom att utnyttja en total solförmörkelse hävdade han att ljusets avböjning, eller böjning, till följd av solens gravitation kunde mätas. Detta var ett kritiskt test, eftersom Einsteins teori förutspådde en avböjning som var exakt dubbelt så stor som det värde som erhölls med hjälp av Isaac Newtons lag om universell gravitation. Den nödvändiga förmörkelsen inträffade för 100 år sedan, 1919. Eddington är nu för alltid förknippad med två expeditioner för att se den: från Sobral i norra Brasilien och ön Príncipe utanför Västafrikas kust. Dessa betydelsefulla projekt utgör kärnan i tre böcker till minne av 100-årsjubileet: No Shadow of a Doubt av fysikern Daniel Kennefick, Gravity’s Century av vetenskapsjournalisten Ron Cowen och vetenskapshistorikern Matthew Stanleys Einstein’s War.
Einsteins teori, som var åtta år under utarbetande, sprang ur insikter som han hade utvecklat efter att ha publicerat sin speciella relativitetsteori 1905. En av de effekter som förutspåddes av den nya teorin var att ljusstrålar som passerar nära en massiv kropp, till exempel en stjärna, skulle böjas av dess gravitationsfält. Denna effekt hade förutsagts kvalitativt med hjälp av Newtons gravitationsteori. På ett lockande sätt hade Newton själv skrivit i sitt opus Opticks från 1704: ”Verkar inte kroppar verka på ljuset på avstånd och genom sin verkan böja dess strålar…?”. Men det finns inga bevis för att han beräknade storleken på effekten (den första fullständiga beräkningen publicerades av den tyske matematikern Johann Georg von Soldner 1804).
Newtons gravitationsteori formulerade naturligtvis inte gravitationen som en konsekvens av krökt rymd. Det var Einsteins innovation. Och när han beräknade effekten bekräftade han att ljuset avböjs (som i Newtons teori), men genom krökt rum. Det är denna krökning som fördubblar avböjningen.
Testförhållanden
Einstein luftade först offentligt den allmänna relativitetsteorin inför den preussiska vetenskapsakademin 1915. Första världskriget var då i full gång, i all sin fasa. Året därpå lyckades Eddington och astronomkollegan Frank Watson Dyson – som då var chef för Cambridge Observatory respektive Astronomer Royal – trots att kommunikationskanalerna var avbrutna under kriget, få tag på Einsteins publicerade artiklar. Dyson insåg genast att den totala solförmörkelsen 1919 skulle bli ett idealiskt test.
Under denna förmörkelse skulle solen sitta framför Hyaderna, ett kluster av ljusa stjärnor i stjärnbilden Taurus. Vid totaliteten skulle därför många stjärnor vara synliga i närheten av den förmörkade skivan. (Detta var viktigt eftersom den ljusböjande effekt som Einstein förutspådde är störst för stjärnor som observeras nära solen). Stjärnornas positioner i förhållande till solen kunde registreras och mätas på fotografiska plattor och sedan jämföras med referensplattor som visade stjärnorna när solen inte var i närheten av synfältet. Eventuella skenbara förskjutningar, orsakade av solens gravitationsfält, skulle då kunna beräknas. Ju fler stjärnor som mäts, desto större chans skulle observatörerna ha att korrigera systematiska fel och minska slumpmässiga fel.
Det var tanken. Men det fanns många praktiska hinder att övervinna, både när det gällde de tekniska detaljerna för att göra observationerna och när det gällde expeditionslogistiken. Förmörkelsens totalitetsbana gick från norra Brasilien över Atlanten till Västafrika, vilket gjorde det omöjligt att sätta upp en expedition från Storbritannien förrän fientligheterna hade upphört. Vapenvilan i november 1918 gav precis tillräckligt med tid för att genomföra planen. Dyson, som hade det övergripande ansvaret för expeditionerna, stannade kvar i England. Eddington reste till Príncipe och Andrew Crommelin, som arbetade vid Royal Greenwich Observatory i London, reste till Sobral.
Detaljerna om de dubbla expeditionerna är väl tillgodosedda i No Shadow of a Doubt. Den är noggrant undersökt och livfullt skriven och kommer säkerligen att bli ett standardreferensverk om detta fascinerande exempel på ”stor vetenskap”. Eddington, avslöjar Kennefick, hade fruktansvärd tur. Han möttes av dåligt väder i Príncipe och lyckades göra färre mätningar än vad han hade hoppats på. Sedan innebar en planerad strejk i ett ångbåtsbolag att han inte kunde stanna i Príncipe tillräckligt länge för att mäta stjärnpositionerna på sina plattor på plats, utan var i stället tvungen att göra analysen efter att han hade återvänt till England.
Crommelin hade mycket bättre villkor i Brasilien. Trots tekniska problem med utrustningen som gjorde att många plåtar blev väldigt suddiga, var hans mätningar avgörande och låg märkbart närmare Einsteins förutsägelse än Newtons. Resultaten tillkännagavs kollektivt i november samma år vid ett särskilt gemensamt möte för Royal Society och Royal Astronomical Society i London. Det blev förstasidesnyheter runt om i världen.
Frågor och bekräftelse
Denna första slutsats av Dyson, Eddington, Crommelin och deras team bekräftades senare av många ytterligare förmörkelseexperiment. Ändå har Eddington av vissa anklagats för att ha misskött eklipsmätningarna. Kenneficks titel, No Shadow of a Doubt, är alltså både ett ordvitsord och en avsiktsförklaring för att skingra dessa misstankar. Kennefick diskuterar kritiken ganska ingående. Jag kan lägga till ett par korta punkter.
En är att Eddington var tvungen att anta en plan B när han analyserade Príncipe-data, efter att olyckan hade tvingat honom till det; men enligt min mening gjorde han inget orimligt. Alla mätningar av förmörkelsen från 1919 är tabellerade (i F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). Det är enkelt, och även ganska lärorikt, att analysera dem med hjälp av moderna statistiska tekniker. Jag har gjort detta och har inte funnit några bevis för att Eddington skulle ha ”lurat bokföringen”. Det är en stor olycka att ingen av originalplattorna från någon av expeditionerna finns kvar: annars hade det kanske varit möjligt att mäta dem med hjälp av mer sofistikerad teknik. Eddingtons plåtar försvann efter hans död 1944 – hans syster kan ha kastat dem när hon tvingades flytta från det hem i Cambridge som de hade delat. Crommelins plattor verkar ha försvunnit i samband med successiva omorganisationer vid Royal Observatory.
Gravity’s Century koncentrerar sig mer på de bredare förgreningarna av Einsteins teori inom kosmologi och astrofysik, inklusive svarta hål och gravitationsvågor. På mindre än 200 sidor är Cowens bok en luftig och trevlig läsning, ett välkommet tillskott till en överfylld hylla av böcker om dessa ämnen.
Cowen går också in på Einsteins inkarnation som kulturell ikon. ”Mirakelåret” 1905, då han publicerade artiklar om Brownsk rörelse och den fotoelektriska effekten samt om den speciella relativitetsteorin, gjorde Einstein till fysikens stjärna. Eklipseexpeditionerna 1919 gjorde mycket mer och befäste hans rykte bland fysikerna och förvandlade honom till en internationell superstjärna. Jag anser dock att åtminstone en del av orsaken till detta plötsliga kändisskap är att expeditionen ägde rum strax efter krigsslutet. Dessutom var det ett brittiskt experiment som testade en tysk teoretikers idéer. Efter fyra fruktansvärda år av död och förstörelse kanske folk i Einsteins triumf fann en symbol för någon sorts försoning.
Stanley delar den uppfattningen i Einsteins krig. Boken är detaljerad och lättläst och kompletterar No Shadow of a Doubt som en redogörelse för förmörkelseexpeditionerna och deras politiska bakgrund. Den är särskilt avslöjande om Einsteins vetenskapliga arbete och privatliv som ledde fram till de betydelsefulla händelserna 1919 – särskilt genom att visa hur dessa påverkades av första världskriget.
En av de intressanta uppgifterna i Stanleys redogörelse är att Einstein hade gjort ett försök att beräkna ljusets böjning redan 1911, innan han hade formulerat den fullständiga allmänna relativitetsteorin. Hans resultat var exakt detsamma som det newtonska värdet. Jag blev fundersam över vad som skulle ha hänt med hans rykte om mätningar hade gjorts då. Skulle de ha varit ett bakslag? Eller skulle de bara ha drivit honom att arbeta hårdare för att ta fram den fullständiga teorin, med dess avgörande faktor två?