Hvernig var sólmyrkvi notaður til að sýna fram á kenningar Einsteins?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvernig var sólmyrkvi notaður til að sýna fram á kenningar Einsteins?
Þann 6. nóvember 1919 var haldinn fundur sem átti eftir að hafa mikla þýðingu fyrir Albert Einstein og viðtökurnar á kenningum hans. Að fundinum stóðu tvö félög, Konunglega breska vísindafélagið (the Royal Society) og Konunglega breska stjarnfræðifélagið (the Royal Astronomical Society). Fundarstjóri var forseti Vísindafélagsins, J. J. Thomson prófessor í Cambridge, sem fengið hafði Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1906. Aðeins eitt mál var á dagskrá: Niðurstöður mælinga á sveigju ljóssins í tengslum við sólmyrkvann 29. maí 1919. Bretar höfðu gert út tvo leiðangra á fjarlægar slóðir til að fylgjast með myrkvanum og mæla hversu mikið ljós sveigði af beinni braut við það að fara fram hjá sólinni. Tilgangur mælinganna var fyrst og fremst sá að kanna, hvort sveigjan væri í samræmi við útreikninga Einsteins sem byggðir voru á þyngdarfræði hans (almennu afstæðiskenningunni).

Samkvæmt kenningum Newtons má hugsa sér ljósgeisla sem straum agna, sem þyngdarkraftur sólarinnar sveigir um ákveðið horn frá upphaflegri stefnu (sjá mynd 1). Hornið má auðveldlega reikna út frá þyngdarlögmáli Newtons. Í þyngdarfræði Einsteins er það hins vegar sveigja rúmsins umhverfis sólina sem veldur stefnubreytingu ljósbylgna (eða ljóseinda) og sveigjuhornið er tvöfalt stærra en það sem fyrrnefnd kenning Newtons segir til um.^[1] Einnig er rétt að hafa í huga, að ef þyngdarlögmáli Newtons er beitt á sígildar ljósbylgjur í stað agna er niðurstaðan sú að ljósgeislarnir breyta alls ekki um stefnu. Með því að mæla ljóssveigjuna má því greina á milli kenninga þeirra Newtons og Einsteins um þyngdaraflið.^[2]

Ástæða þess að sólin varð fyrir valinu við mælingarnar er einföld: Sveigjuhornið er almennt það lítið að vonlaust er að mæla það nema sveigjuvaldurinn sé mjög massamikill. Sólin er eina fyrirbærið í sólkerfinu sem hefur nægan massa til að valda mælanlegri sveigju, en aðeins ef ljósgeislar á leið til jarðar frá fjarlægum stjörnum fara mjög nálægt sólaryfirborðinu. Gífurleg birta sólar kemur þó í veg fyrir að hægt sé að framkvæma slíkar mælingar við venjulegar aðstæður enda sjást stjörnurnar ekki að degi til. Þær birtast hins vegar við almyrkva á sólu, þegar tunglið skyggir fullkomlega á sólarkringluna. Við slíkar aðstæður má reyna að mæla ljóssveigjuna og það var það sem Bretarnir gerðu 29. maí 1919 (sjá mynd 1).

Það var Sir Frank W. Dyson, konunglegur stjörnufræðingur Englands (Astronomer Royal), sem átti frumkvæðið að mælingunum. Hann fékk fljótlega ýmsa aðra stjörnufræðinga í lið með sér við undirbúningsvinnuna, þar á meðal helsta málsvara Einsteins í hinum enskumælandi heimi, Arthur S. Eddington prófessor í stjörnufræði við Cambridge-háskóla, sem þá þegar hafði lagt mikla vinnu í að kynna almennu afstæðiskenninguna fyrir lærðum sem leikum í Englandi.

Til að ná sem bestum árangri við myrkvarannsóknir þarf hagstæð veðurskilyrði. Því var ákveðið að fylgjast með almyrkvanum frá tveimur mismunandi stöðum, í þeirri von að veður yrði gott að minnsta kosti á öðrum þeirra. Fyrir valinu urðu þorpið Sobral í Brasilíu og eyjan Principe við vesturströnd Afríku (sjá mynd 1). Til Principe fóru Eddington og aðstoðarmaður hans, E. T. Cottingham, en stjörnufræðingarnir A. C. Crommelin og C. R. Davidson héldu til Sobral.

Bæði stjarnfræðilegar og landfræðilegar aðstæður voru sérlega hagstæðar fyrir mælingarnar. Sólin var stödd í Nautsmerki, nálægt stjörnuþyrpingunni Regnstirninu, þannig að margar stjörnur voru í bakgrunni. Að auki var sól almyrkvuð í nær 7 mínútur, sem er óvenju langur tími þegar um almyrkva er að ræða. Ætlun leiðangursmanna var að ná eins mörgum myndum og mögulegt var af stjörnunum í bakgrunni almyrkvaðrar sólar. Með samanburði við ljósmyndir teknar af sama stað á stjörnuhimninum á öðrum árstíma, þegar sólin er víðs fjarri, má finna hliðrunina eða sveigjuna sem sólin veldur á stjörnuljósinu (sjá mynd 1). Þetta var reyndar ekki auðvelt verk árið 1919, því með þeim sjónaukum sem leiðangursmenn höfðu í farteskinu svaraði ljóssveigja um 1,75 bogasekúndur til hámarkshliðrunar á ljósmyndaplötunum um aðeins 1/20 úr millimetra. Að auki þurfti að taka tillit til og leiðrétta fyrir óróa í andrúmslofti og bjögun ljósmyndaplatna, skekkjuvalda sem stjörnufræðingarnir vissu af og kunnu að taka tillit til við úrvinnsluna.

Þegar á hólminn var komið reyndist aðeins hægt að nýta lítinn hluta gagnanna úr mælingunum. Á Principe var ástæðan óhagstætt veðurfar, en þótt veðrið væri ágætt í Sobral reyndist aðalsjónaukinn þar ekki hafa verið í fókus rétt á meðan á myrkvanum stóð. Eftir mikla yfirlegu treystu þeir Eddington og Dyson sér þó að lokum til að birta niðurstöður fyrir ljóssveigjuna og reyndust þær vera í allgóðu samræmi við útreikninga Einsteins.^[3]

Niðurstöðurnar voru birtar formlega á fundinum fræga í London, 6. nóvember 1919. Þeir Dyson, Crommelin og Eddington lýstu mælingunum og úrvinnslunni í smáatriðum og Eddington fjallaði síðan um það, hvaða afleiðingar nýju niðurstöðurnar og kenningar Einsteins gætu haft í för með sér fyrir eðlisfræðina. Í kjölfarið lýsti fundarstjórinn, J. J. Thomson, því yfir, að þetta væru mikilvægustu niðurstöður í þyngdarfræði síðan á dögum Newtons. Ennfremur að rökstuðningur Einsteins hefði greinilega reynst réttur, bæði hvað varðaði ljóssveigjuna og brautarsnúning Merkúríusar og því væri um að ræða einn mesta árangur mannlegrar hugsunar fyrr og síðar.

Þeir Eddington og Dyson höfðu séð til þess að almenningur í Bretlandi var vel upplýstur, bæði um leiðangrana til Principe og Sobral og tilganginn með mælingunum. Á fundinum voru því, auk fjölda vísindamanna, nokkrir blaðamenn sem fylgdust vel með spennunni í salnum og öllu sem þar fór fram. Dagblaðið The Times í London gat því birt fréttir af fundinum strax daginn eftir, 7. nóvember, undir fyrirsögninni „Revolution in Science/New Theory of the Universe/Newtonian Ideas Overthrown.“ Áfram var haldið 8. nóvember með greininni „Revolution In Science/Einstein V. Newton“ og tveimur dögum síðar birti bandaríska blaðið The New York Times svo fréttina „Lights All Askew In The Heavens/Men Of Science More Or Less Agog Over Results Of Eclipse Observations/Einstein Theory Triumphs.“ Önnur dagblöð og tímarit víða um heim fylgdu fljótlega í kjölfarið, meðal annars Politiken 18. nóvember og Morgunblaðið 5. desember. Einstein varð þannig heimsfrægur á ótrúlega skömmum tíma og kenningar hans, skoðanir og einkalíf hafa æ síðan verið til umfjöllunar í fjölmiðlum, lærðum ritgerðum og bókum.^[4]

Fyrir fundinn í London voru kenningar Einsteins lítið sem ekkert til umræðu nema í tiltölulega fámennum hópi eðlisfræðinga og stjörnufræðinga. Þar var hann reyndar vel þekktur vegna fimm greina sem hann birti árið 1905, þá 26 ára gamall. Fullyrða má að þessar merku greinar, sem fjalla um eðli rúms og tíma, ljóss og efnis, hafi valdið þáttaskilum í þróun eðlisfræðinnar á tuttugustu öld.^[5] Í einni greinanna er takmarkaða afstæðiskenningin kynnt til sögunnar því sem næst fullsköpuð. Þar er gengið út frá því að hraði ljóssins (og annarra rafsegulbylgna) í tómi sé hinn sami fyrir alla athugendur, sem hreyfast með jöfnum innbyrðis hraða. Af því leiðir að ljósvakinn er óþarfur og rúm og tími eru afstæð hugtök. Algildur tími og algilt rúm í skilningi Newtons eru því ekki til.

Þar sem kenning Einsteins frá 1905 er takmörkuð við athugendur, sem ferðast með jöfnum afstæðum hraða, tók hann fljótlega til við að útvíkka hana, þannig að hún næði til allrar hreyfingar. Að auki vildi hann láta kenninguna gefa fullkomna lýsingu á þyngdinni, sem hin takmarkaða gerir ekki. Þetta reyndist mun erfiðara en hann taldi í fyrstu, en í nóvembermánuði 1915 tókst honum loks að móta kenningu, sem hann var ánægður með og við þekkjum undir nafninu almenna afstæðiskenningin. Þetta var kenningin sem Eddington heillaðist af og var óþreytandi við að kynna. Það var fyrst og fremst kynningarstarf hans sem leiddi til ljóssveigjumælinganna árið 1919.

Hér gefst ekki rúm til að kafa dýpra í afstæðiskenningar Einsteins. Á erlendum tungumálum hefur verið gefinn út fjöldi rita um efnið fyrir almenna lesendur, en fæst þeirra hafa verið þýdd á íslensku. Einstein skrifaði sjálfur bók um kenningar sínar árið 1917. Hún kom á íslensku árið 1970 undir nafninu Afstæðiskenningin. Árið 1990 kom svo Saga tímans, þýðing á bók Hawkings frá 1988, sem fjallar um þróun almennu afstæðiskenningarinnar á tuttugustu öld. Full ástæða er til að mæla með báðum bókunum.^[6]

Tilvísanir:

1. ^ Fyrir ljósgeisla sem rétt sleikja sólaryfirborðið er sveigjuhornið 1,75 bogasekúndur skv. afstæðiskenningunni.
2. ^ Þeim sem vilja kynna sér þessi fræði nánar, án þess að taka námskeið í almennu afstæðiskenningunni, má benda á bókina Was Einstein Right? Putting General Relativity to the Test eftir C. M. Will (2. útgáfa, New York 1993). Þetta vandaða rit er ætlað upplýstum leikmönnum og fjallar ekki aðeins um ljóssveigjuna heldur einnig þyngdarrauðvik, brautarsnúning Merkúríusar og margt fleira er tengist staðfestingu almennu afstæðiskenningarinnar.
3. ^ Þegar nokkuð var liðið frá fundinum í London fór að bera á orðrómi um það, að Eddington hefði verið svo sannfærður um sannleiksgildi almennu afstæðiskenningarinnar að hann hefði, meðvitað eða ómeðvitað, sérvalið mæligögn við úrvinnsluna sem voru í samræmi við útreikninga Einsteins, en sleppt þeim sem ekki pössuðu við þá. Þær rituðu heimildir, sem til eru um vinnu þeirra Eddingtons og Dysons, sýna að þetta er ekki rétt. Endurúrvinnsla á mæligögnunum árið 1979 leiddi hið sama í ljós. Sjá t.d. D. Kennefick: „Testing Relativity from the 1919 Eclipse: a Question of Bias.“ Physics Today 2009, 62, bls. 37-42.; D. Kennefick: „Not Only Because of Theory: Dyson, Eddington and the Competing Myths of the 1919 Eclipse Expedition.“ Í ritinu Einstein and the Changing World Views of Physics 1905-2005. Boston 2009, bls. 201-232. Þá má geta þess að allar síðari tíma mælingar sýna ótvírætt að niðurstaða Einsteins um ljóssveigjuna er rétt. Sjá t.d. C. M. Will: „The 1919 Measurement of the Deflection of Light.“ Mun birtast í tímaritinu Classical and Quantum Gravity 2015 (vefslóð: http://arxiv.org/abs/1409.7812).
4. ^ Eftirtaldar greinar og heimildirnar, sem þar er vitnað í, kafa mun dýpra í söguna en hér er gert: M. Stanley: „An Expedition to heal the Wounds of War: the 1919 Eclipse and Eddington as Quaker Adventurer.“ Isis 2003, 94, bls. 57-89; A. Sponsel: „Constructing a 'Revolution in Science': the Campaign to Promote a Favourable Reception for the 1919 Solar Eclipse Experiment.“ British Journal for the History of Science 2002, 35(4), bls. 439-467. Sjá einnig B. Almassi: „Trust in Expert Testimony: Eddington's 1919 Eclipse Expedition and the British Response to General Relativity.“ Studies in History and Philosophy of Modern Physics 2009, 40, bls. 57-67.
5. ^ Fjallað er um greinar Einsteins hjá Einari H. Guðmundssyni: „Albert Einstein og greinar hans frá 1905.“ Verpill 2005, bls. 24-27 (vefslóð: https://notendur.hi.is/~einar/Afstaediskenning/Einstein1905.pdf). Þess má einnig geta að allar greinarnar fimm eru væntanlegar í íslenskri þýðingu Þorsteins Vilhjálmssonar árið 2015.
6. ^ A. Einstein: Afstæðiskenningin. Þýðandi Þorsteinn Halldórsson. Reykjavík 1970. 2. útg. (endursk.) 1978; Stephen W. Hawking: Saga tímans. Þýðandi Guðmundur Arnlaugsson. Reykjavík 1990. Nýlega kom út alþýðlegt rit um sögu almennu afstæðiskenningarinnar á tuttugustu öld: P. G: Ferreira: The Perfect Theory: A Century of Geniuses and the Battle over General Relativity. London 2014. Önnur nýleg bók, ein af fjölmörgum sem fjalla um ævi Einsteins, er: Walter Isaacson: Einstein: His Life and Universe. London 2007.

Myndir:

• Celebrating the 1919 eclipse at Principe. (Sótt 18.03.2015).
• Solar eclipse of May 29, 1919 - Wikipedia, the free encyclopedia. (Sótt 18.03.2015).

Þetta svar er hluti af grein höfundar (https://notendur.hi.is/~einar/Afstaediskenning/Myrkvi1919.pdf) sem birtist fyrst í mars 2015. Svarið er lítillega aðlagað að Vísindavefnum og birt þar með góðfúslegu leyfi höfundar.

...