Hvordan solens formørkelse gjorde Einstein til en verdensstjerne

Hvordan solens formørkelse gjorde Einstein til en verdensstjerne

Artem Korzhmanov,
cand. Sci. Sci., Ansat ved Institut for Anvendt Fysik RAS, forfatter af den populære science blog physh.ru
"Trinity Option" №18 (237), 12. september 2017

Artyom Korzhimanov

7. november 1919 London Times Det kom ud med skrigende overskrifter "Revolution in Science", "New Theory of the Universe", "Newtons ideer kastet i dumpningen". Dette øjeblik kan betragtes som den officielle begyndelse af den nye verden. En verden, hvor der ikke var absolut tid og absolut plads.

Under overskrifterne var der nyheder om en høj opdagelse lavet på baggrund af observationer af en solformørkelse i maj 1919. Det var da, at solens kraft blev fundet til at aflede lysets stråler fra en retliniebane, og størrelsen af ​​denne afvigelse blev korrekt forudsagt af den generelle relativitetsteori, der for nylig var formuleret af Albert Einstein og ikke var i overensstemmelse med den klassiske teori om Newton. Bogstaveligt overalt blev Einstein med sine usædvanlige begreber og uoverkommelig matematik omdannet til en international berømthed.

Med alt dette var nøjagtigheden af ​​at måle tyngdekraften af ​​lyset i lang tid forblev lav: det blev angivet i forskellige værkerat den målte afvigelse er en fjerdedel mindre end den, der forudsiges af Einsteins teori, så tværtimod en og en halv gange mere. Og endog at løse gåden om kviksølvs perihelion, formuleret så tidligt som i 1850'erne, overbeviste ikke skeptikere. Fraværet af andre eksperimentelle beviser til fordel for relativitetsteorien førte til, at interessen i det i 1920'erne gradvist faldt.

Renæssancen af ​​den generelle relativitetsteori kom i 1960'erne. Stigningen i antallet og nøjagtigheden af ​​astronomiske observationer samt den hurtige vækst af interesse i kosmologi har ført til, at Einsteins teori er blevet hjørnestenen i moderne astrofysik. Nu testes forudsigelserne af teorien om den tyngdefuldt afbøjning af lyset til nærmeste hundrededele af en procent. Og dens konsekvens – gravitationslinsing – var blandt de standard og almindeligt anvendte metoder for astronomi.

Fotografisk plade. Eclipse 29. maj 1919, Brasilien. Fra A. Eddingtons rapport

Når Einstein realiserede ækvivalensen af ​​tyngdekraft og inerti, indså han, at tyngdekraften skal aflede lysets stråler. I 1911 beregnede han, at afvigelsen af ​​en lysstråle, der passerer langs en tangent til solens overflade, skulle være 0,875 bue sekunder.Derefter foreslog Einstein at måle denne afvigelse under en total solformørkelse, når stjernerne tæt på solen vil være synlige. Hvis deres lys afbøjes af solen, ser det ud til at stjernen skiftes i forhold til sin normale position.

De første forsøg på at bekræfte dette påstand blev foretaget allerede i 1914. Den 21. august gik flere ekspeditioner straks til kysten på Krim. Deres planer blev hæmmet af starten af ​​første verdenskrig og det dårlige vejr. På grund af krigen sendte de russiske myndigheder de fleste af astronomernes hjem, selv arresterede nogen, og udstyret blev for det meste midlertidigt konfiskeret. På grund af vejret var formørkelsen stadig ikke tilgængelig til observation.

I november 1915 konkluderede Einstein, som netop havde afsluttet den generelle relativitetsteori og forstod sin komplicerede matematik, at lysets afvigelse faktisk skulle være dobbelt så stor som det, han tidligere havde beregnet. Fra det moderne synspunkt er denne fordobling en følge af, at Einstein oprindeligt ikke tog højde for krumningen af ​​rummet nær Solen, der skyldtes dens tyngdekraft. Halvværdien kan opnås ud fra den rent newtonske tyngdeori, og faktisk var Einstein ikke den første til at beregne den.Tilbage i 1784 blev den "newtonske afvigelse" af lys beregnet af Henry Cavendish, og i 1803 fastslog Johann von Zoldner det selvstændigt.

Arthur Eddington

Det var det, det kunne medføre, at effekten skulle være stærkere end tidligere antaget, og derfor lettere at måle. Manden, der forpligtede sig til at tage de nødvendige observationer, var Arthur Eddington (Arthur Eddington).

Under den første verden var Eddington professor i Cambridge og en førende specialist inden for observations-astronomi i sin tid. På grund af krigen blev de videnskabelige forbindelser mellem Tyskland, hvor Einstein udgav, og Storbritannien, hvor Eddington arbejdede, afbrudt, men den hollandske kosmolog Willem de Sitter var i stand til at omdirigere til Cambridge flere artikler, der beskrev den nye tyngdeorientering.

I 1917 udarbejdede Arthur Eddington en detaljeret rapport om Einsteins teori og dens konklusioner. Han præsenterede en rapport til London Physical Society og begyndte forberedelserne til at observere solformørkelsen. I dette blev Eddington assisteret af astronom Frank Dyson (Frank W. Dyson), som tilsyneladende var den første til at forstå, at formørkelsen af ​​29. maj 1919 ville være en af ​​de bedste muligheder for at teste Einsteins teori,da solen vil være på baggrund af flere lyse stjerner, hvis position vil være forholdsvis let at måle.

Til ekspeditionen tildelte den britiske regering £ 1000. Resultatet af krigen på det tidspunkt var stadig uklart, og der var en fare for, at Eddington ville blive udformet i hæren. Som Quaker blev han løsladt fra militærtjeneste. Men hæren krævede soldater, og forsvarsministeriet indgav en retssag for afskaffelsen af ​​denne udgivelse. Efter tre retsmøder og en sidste protest fra Dyson blev udgivelsen stadig forlænget til 11. juli 1918; dette skete kun en uge før krigets vigtigste øjeblik – Marne's anden kamp. Det er underholdende, at fredsforskeren blev frigivet fra militærtjeneste for at kunne teste den teori, som forskere fra et fjendtligt land førte frem.

Fire måneder efter krigens afslutning, den 8. marts 1919, satte to britiske ekspeditioner sig af sted. Eddington gik til øen Principe ud for kysten af ​​det moderne Ækvatorialguinea, og astronomen Andrew Crommelin (Andrew Crommelin) – i byen Sobral i det nordlige Brasilien.

Ideen om eksperimentet var simpelt.Under en formørkelse, når månen helt dækker solen, vises stjernens lys i himlen nær det. Ved hjælp af et teleskop og fotografiske plader tager astronomer billeder af solen gemt af månen og nærliggende stjerner. Billederne sammenlignes derefter med udskrifterne fra den samme del af himlen, opnået flere måneder før eller efter formørkelsen, når Solen er i en helt anden del af himlen. Et tegn på afvigelse af lysstråler vil være et skifte i den tilsyneladende position af stjerner beliggende tæt på solen i billeder taget under en formørkelse i forhold til stjerner beliggende langt fra det.

Den vigtigste fejlkilde var luftens naturlige turbulens. I konstant bevægelse indfører atmosfæren ukontrollable forvrængninger i stjernens tilsyneladende position. For at reducere indflydelsen af ​​denne tilfældige faktor, var det planlagt at tage flere billeder, som derefter kunne blive gennemsnitlige.

Det var også vigtigt, at himlen forblev klar. Men på dagen for observationerne i det område, hvor Eddington var placeret, begyndte en storm. Heldigvis, da han begyndte at miste håbet om at se stjernens lys, blev vejret roet ned, og da solformørken begyndte, syntes solen.Ikke desto mindre var kun 16 af de 16 fotografier, der var taget til analyse. De var synlige i alt kun fem stjerner.

Albert Einstein, 1920

Dette var imidlertid nok til at sammenligne med billeder taget på forhånd ved Oxford University for at angive, at afvigelsen af ​​lysstråler var 1,60 ± 0,31 bc-sekunder eller 0,91 ± 0,18 fra den værdi, som Einstein forudså. Ekspeditionen i Sobral havde ingen problemer med vejret, men på den anden side var en af ​​de to teleskoper, som observationerne blev foretaget, mistet fokus i sidste øjeblik, formodentlig på grund af solvarmens varme. Det resterende værktøj lavede astronomer otte gode skud, som var præget af syv stjerner. Ifølge dem var den målte afvigelse 1,98 ± 0,12 arc-sekunder eller 1,13 ± 0,07 fra Einstein-værdien.

Før det var Einstein generelt en lille kendt teoretisk fysiker. Han var kendt og respekteret i snævre kredse i det europæiske videnskabelige samfund og ikke mere. Men efter at resultaterne af Eddington-ekspeditionen blev annonceret på et møde i Royal Scientific Society den 6. november 1919, vågnede han som en verdensstjerne.

Denne herlighed var imidlertid ikke altid utvetydig.Så i 1920 organiserede Paul Weiland en offentlig høring, hvori Einstein og hans teorier blev fordømt. Samtidig offentliggjorde nobelpristageren Philipp Lenard en artikel fra Zoldner i 1803 og beskyldte Einstein for at plagiere ideerne fra en sand arisk videnskabsmand. Disse angreb var på mange måder antisemitiske; så blev relativitetsteorien ofte kaldt "jødisk videnskab". Men til deres kredit delte de fleste tyske ikke-jødiske fysikere disse synspunkter på trods af den nazistiske indflydelse. Nazisernes komme til magten tvang Einstein, som mange andre jøder, til at emigrere, og den anti-relativistiske retorik ophørte med at være relevant og kom i det hele taget til intet.

Samtidig rejste Eddingtons resultater spørgsmål. Målingernes nøjagtighed var stadig ikke for stor, og en række forskere udtrykte tvivl om, at de er pålidelige bevis for Einsteins teori. Nogle endog mistænkte Eddington, som var en kendt fortaler for den generelle relativitetsteori, af data svindel. En uafhængig analyse af de præsenterede fotografiske plader udført først i 1923, derefter i 1956 og derefter også i 1979 [1] ved hjælp af mere sofistikerede instrumenter og metoder, gav de samme resultater med mindre fejl i målinger.Dette gør det muligt for moderne videnskabshistorikere at hævde, at der ikke var nogen bedrag – hverken utilsigtet eller særligt bevidst – fra Eddington [2].

Og selvfølgelig var Eddington ikke den eneste, der tog målingerne, selvom hans eksperiment blev den mest berømte. Den næste egnede formørkelse skete allerede i 1922 i Australien. Han blev observeret af syv forskellige hold, men kun tre af dem var heldige nok til at få resultater, og de viste sig at være positive for Einsteins teori.

Yderligere lignende observationer blev udført i 1929, 1939, 1947, 1952 og 1973. Hver gang resultaterne faldt sammen med forudsigelserne af den generelle relativitetsteori, skønt målingens nøjagtighed praktisk talt ikke steg, for at være retfærdig. Selv de allerede veludviklede teknologier fra 1970'erne gav kun 0,95 ± 0,11 af Einstein-værdien [3, 4].

Signifikant øget nøjagtigheden var kun mulig med udviklingen af ​​radio astronomimetoder, og især radiointerferometri med en superlængde base – når flere teleskoper placeret i modsatte ender af Jorden arbejder sammen, hvorved målingsnøjagtigheden øges væsentligt.Denne metode tilladt i 2010 at fastslå, at afvigelsen af ​​et radiosignal (som som lys er en elektromagnetisk bølge og overholder de samme love) af Solen adskiller sig fra forudsigelsen af ​​Einsteins teori med ikke mere end 0,02% [5].

Således er den generelle relativitetsteori ikke kun den almindeligt accepterede teori om tyngdekraft, men har også overbevisende eksperimentelle beviser. Og fænomenet af lysets afbøjning ved massive genstande fra metoden til kontrol af en teori er blevet en metode til at opnå ny viden. På grund af denne effekt kan stjerner fungere som en slags linser til genstande, der ligger bag dem. En sådan gravitationslinsering giver dig mulighed for at fange billeder af fjerntliggende objekter – for eksempel kvasarer og galakser, der eksisterede for milliarder af år siden – eller for at opdage eksoplaneter, der kredser om disse stjerner, fordi de forvrænger linser.

Ved udarbejdelsen af ​​noten blev artikel [6] brugt, hvor der findes flere henvisninger til originale værker.


1. Harvey G. M. Gravitationsafbøjning af lys // Observatoriet. 1979. Vol. 99, s. 195-198.
2. Kennefick D. Test relativitet fra 1919-formørkelsen-et spørgsmål om forspænding // Fysik i dag. 2009. Vol. 62, nr. 3, s. 37-42.
3. Brune R. A. Jr., Cobb C. L., Dewitt B. S. et al. Gravitationsafbøjning af lys: solformørkelse af 30. juni 1973 I. Beskrivelse af procedurer og slutresultat // Astronomisk journal. 1976. Vol. 81, s. 452-454.
4. Jones B. F.Gravitationsafbøjning af lys: solformørkelse af 30. juni 1973 II. Plade reduktioner // Astronomisk journal. 1976. Vol. 81, s. 455-463.
5. Lambert S. B., Le Poncin-Lafitte C. Bestemmelse af den relativistiske parameter ved anvendelse af meget lang baseline interferometri // Astronomi & Astrofysik. 2009. Vol. 499, s. 331-335. arxiv: 0903.1615
6. Vil C. M. 1919 måling af lysets afbøjning // Klassisk og Quantum Gravity. 2015. Vol. 32, art. nr. 124001. arxiv: 1409.7812.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: