Eksperyment Eddingtona - Eddington experiment

29 maja 1919 zaćmienie słońca .

Eksperyment Eddington był obserwacyjne badanie Ogólnej Teorii Względności , organizowana przez brytyjskich astronomów Frank Watson Dyson i Arthur Stanley Eddington w 1919 Obserwacje z całkowitego zaćmienia Słońca z dnia 29 maja 1919 roku i były prowadzone przez dwóch wypraw, po jednym na Zachód Afrykańska wyspa Principe , a druga brazylijska miejscowość Sobral . Celem ekspedycji było zmierzenie ugięcia grawitacyjnego światła gwiazd przechodzących w pobliżu Słońca. Wartość tego ugięcia została przewidziana przez Alberta Einsteina w artykule z 1911 roku i była jednym z testów zaproponowanych dla jego ogólnej teorii względności z 1915 roku. Po powrocie ekspedycji wyniki zostały przedstawione przez Eddingtona Royal Society of London i po namyśle zostały zaakceptowane. Szeroko rozpowszechnione relacje prasowe na temat wyników doprowadziły do ​​światowej sławy Einsteina i jego teorii.

Tło

Arthur Stanley Eddington, Plumian profesor astronomii

Jedno z pierwszych rozważań na temat grawitacyjnego odchylania światła zostało opublikowane w 1801 r., kiedy Johann Georg von Soldner wskazał, że grawitacja newtonowska przewiduje, że światło gwiazd zostanie odchylone, gdy przejdzie w pobliżu masywnego obiektu. Początkowo, w artykule opublikowanym w 1911 roku, Einstein błędnie obliczył, że wielkość ugięcia światła była taka sama jak wartość Newtona. Amerykański zespół z Obserwatorium Licka planował pomiar odchylenia poprzez obserwacje zaćmienia w Brazylii w 1912 roku, ale zła pogoda uniemożliwiła wykonanie obserwacji. Eddington brał udział w brytyjskiej ekspedycji do Brazylii, aby obserwować zaćmienie z 1912 roku, ale był zainteresowany różnymi pomiarami.

Chociaż główna praca Einsteina na temat ogólnej teorii względności została opublikowana dopiero w 1915 r., wiedział już wcześniej, że jego obliczenia z 1911 r. były błędne i że w rzeczywistości przewidywany efekt w modelu Newtona jest tylko o połowę niższy od wartości przewidywanej przez ogólną teorię względności. Sugerowało to możliwy test dla jego teorii, a w 1913 Einstein poprosił George'a Ellery Hale'a o zaproponowanie sposobu wykrywania odchylenia światła od gwiazdy, gdy mijała Słońce. Hale zasugerował, że można to zrobić podczas całkowitego zaćmienia Słońca. Doprowadziło to do kolejnej ekspedycji na zaćmienie z udziałem niemieckich i amerykańskich astronomów, która odbyła się w 1914 roku. Została zorganizowana przez Erwina Finlay-Freundlicha z Uniwersytetu Berlińskiego , gdzie Einstein wówczas pracował, a w jej skład wszedł amerykański astronom William Wallace Campbell. z Obserwatorium Licka . Ekspedycja udała się na Krym, aby obserwować zaćmienie dnia 21 sierpnia. Jednak I wojna światowa rozpoczęła się w lipcu tego roku, a Niemcy wypowiedziały wojnę Rosji 1 sierpnia. Astronomowie niemieccy zostali albo zmuszeni do powrotu do domu, albo zostali wzięci do niewoli przez Rosjan. Chociaż amerykańscy astronomowie nie zostali zatrzymani, chmury uniemożliwiły prowadzenie obserwacji podczas zaćmienia. Druga próba amerykańskich astronomów zmierzenia tego efektu podczas zaćmienia w 1918 roku została udaremniona przez chmury w jednym miejscu i niejednoznaczne wyniki z powodu braku odpowiedniego sprzętu w innym.

Zainteresowanie Eddingtona ogólną teorią względności zaczęło się w 1916 roku, podczas I wojny światowej , kiedy przeczytał artykuły Einsteina (przedstawione w Berlinie, Niemcy, w 1915 roku), które zostały wysłane przez neutralnego holenderskiego fizyka Willema de Sittera do Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego w Wielkiej Brytanii . Eddington, o którym później mówiono, że był jedną z niewielu osób, które w tamtym czasie zrozumiały teorię, zdał sobie sprawę z jej znaczenia i wygłosił wykład na temat względności na spotkaniu w Brytyjskim Stowarzyszeniu w 1916 roku. Podkreślił znaczenie testowania teorii metodami takimi jak obserwacje zaćmień ugięcia światła, a Astronom Royal, Frank Watson Dyson, zaczął planować zaćmienie w maju 1919, które byłoby szczególnie odpowiednie do takiego testu. Eddington stworzył również ważny raport na temat ogólnej teorii względności dla Towarzystwa Fizycznego , opublikowany jako Report on the Relativity Theory of Gravitation (1918). Eddington wykładał również na temat teorii względności na Uniwersytecie w Cambridge, gdzie od 1913 roku był profesorem astronomii.

Pobór do wojska w czasie wojny w Wielkiej Brytanii został wprowadzony w 1917 roku. W wieku 34 lat Eddington mógł zostać powołany do wojska, ale jego zwolnienie z tego uzyskał na jego uniwersytecie ze względu na interes narodowy. Zwolnienie to zostało później odwołane przez Ministerstwo Wojny, a podczas serii przesłuchań w czerwcu i lipcu 1918 r. Eddington, który był kwakierem , stwierdził, że odmawia służby wojskowej ze względu na przekonania religijne. Podczas ostatniego przesłuchania astronom królewski, Frank Watson Dyson , poparł zwolnienie, proponując, aby Eddington podjął się wyprawy w celu zaobserwowania całkowitego zaćmienia w maju następnego roku w celu przetestowania Ogólnej Teorii Względności Einsteina. Rada odwoławcza przyznała Eddingtonowi przedłużenie o dwanaście miesięcy. Chociaż rozszerzenie to zostało wykluczone z powodu podpisania rozejmu w listopadzie, kończącego wojnę, ekspedycja poszła zgodnie z planem.

Teoria

Einstein, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1921, ale nie za rozwój ogólnej teorii względności.

Teoria eksperymentu dotyczy przewidywanego ugięcia światła przez Słońce. Pierwsza obserwacja ugięcia światła została dokonana poprzez odnotowanie zmiany pozycji gwiazd przechodzących w pobliżu Słońca na sferze niebieskiej . Przybliżone ugięcie kątowe δ φ dla cząstki bezmasowej dochodzącej z nieskończoności i powracającej do nieskończoności wyraża się wzorem:

Tutaj b można interpretować jako odległość najbliższego zbliżenia. Chociaż ten wzór jest przybliżony, jest dokładny dla większości pomiarów soczewkowania grawitacyjnego , ze względu na mały stosunek r s /b . W przypadku światła ocierającego się o powierzchnię Słońca przybliżone ugięcie kątowe wynosi około 1,75  sekundy kątowej . Jest to dwukrotność wartości przewidywanej na podstawie obliczeń z użyciem newtonowskiej teorii grawitacji. To właśnie tę różnicę w odchyleniu między tymi dwiema teoriami próbowali obserwować ekspedycja Eddingtona i inni późniejsi obserwatorzy zaćmienia.

Wyprawy i obserwacje

Sir Frank Watson Dyson, królewski astronom

Celem ekspedycji było wykorzystanie efektu osłony Księżyca podczas całkowitego zaćmienia Słońca oraz wykorzystanie astrometrii do pomiaru pozycji gwiazd na niebie wokół Słońca podczas zaćmienia. Gwiazdy te, normalnie niewidoczne w ciągu dnia ze względu na jasność Słońca, stałyby się widoczne w momencie totalności, gdy Księżyc pokryłby dysk słoneczny. Różnica w obserwowanej pozycji gwiazd podczas zaćmienia, w porównaniu z ich normalną pozycją w nocy, wskazywałaby, że światło tych gwiazd załamało się podczas przechodzenia blisko Słońca. Dyson, planując wyprawę w 1916 roku, wybrał zaćmienie z 1919 roku, ponieważ miało ono miejsce ze Słońcem przed jasną grupą gwiazd zwaną Hiadami . Jasność tych gwiazd ułatwiłaby pomiar wszelkich zmian pozycji.

Dwa zespoły składające się z dwóch osób miały zostać wysłane do obserwacji zaćmienia w dwóch miejscach: na zachodnioafrykańskiej wyspie Príncipe i brazylijskim mieście Sobral .

Członkami ekspedycji Principe byli Eddington i Edwin Turner Cottingham z Obserwatorium w Cambridge , a członkami ekspedycji Sobral byli Andrew Crommelin i Charles Rundle Davidson z Obserwatorium Greenwich w Londynie. Eddington był dyrektorem Obserwatorium w Cambridge, a Cottingham był zegarmistrzem, który pracował przy instrumentach obserwatorium. Podobnie Crommelin był asystentem w Obserwatorium w Greenwich, podczas gdy Davidson był jednym z komputerów obserwatorium .

Wyprawy były organizowane przez Joint Permanent Eclipse Committee , wspólny komitet Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego i Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego , któremu przewodniczył Dyson, Królewski Astronom. Wniosek o dofinansowanie wyprawy został złożony do Rządowej Komisji ds. Dotacji, prosząc o 100 funtów na instrumenty i 1000 funtów na podróż i inne koszty.

Sobral

Instrumenty Eclipse w Sobral
Mapa ścieżki totalności na zaćmienie

Sprzęt Sobral obejmował jedną soczewkę astrograficzną z Obserwatorium w Greenwich i drugą z Królewskiej Akademii Irlandzkiej .

Książęca

Sprzęt używany w ekspedycji Principe był obiektywem astrograficznym wypożyczonym z Obserwatorium Radcliffe w Oksfordzie. Eddington wypłynął z Anglii w marcu 1919. W połowie maja zainstalował swój sprzęt na Principe, wyspie w Zatoce Gwinejskiej u wybrzeży Afryki Zachodniej, w pobliżu ówczesnej Gwinei Hiszpańskiej . Zaćmienie miało nastąpić wczesnym popołudniem 29 maja o godzinie 14, ale tego ranka była burza z ulewnym deszczem. Eddington napisał:

Deszcz przestał padać około południa i około 1.30… zaczęliśmy dostrzegać przebłysk słońca. Z wiarą musieliśmy wykonać nasze zdjęcia. Nie widziałem zaćmienia, ponieważ byłem zbyt zajęty zmienianiem płyt, z wyjątkiem jednego spojrzenia, aby upewnić się, że się zaczęło, i drugiego w połowie, aby zobaczyć, ile jest chmur. Zrobiliśmy szesnaście zdjęć. Wszystkie są dobre od słońca, wykazując bardzo niezwykłą widoczność; ale chmura ingerowała w obrazy gwiazd. Kilka ostatnich zdjęć przedstawia kilka zdjęć, które mam nadzieję dadzą nam to, czego potrzebujemy...

Eddington wywołał fotografie na Principe i próbował zmierzyć zmianę pozycji gwiazd podczas zaćmienia. 3 czerwca, pomimo chmur, które pogorszyły jakość płytek, Eddington zapisał w swoim notatniku: „… jedna płytka, którą zmierzyłem, dała wynik zgodny z Einsteinem”.

Wyniki i publikacja

JJ Thomson, prezes Royal Society , poparł wnioski Eddingtona

Wyniki zostały ogłoszone na spotkaniu Towarzystwa Królewskiego w listopadzie 1919 roku i opublikowane w Philosophical Transactions of the Royal Society w 1920 roku. Po powrocie ekspedycji Eddington przemawiał na obiedzie zorganizowanym przez Królewskie Towarzystwo Astronomiczne i pokazując jego bardziej lekki boczny, skomponował następujący werset, który parodiował styl Rubaiyat z Omar Khayyam :

Och, zostaw Mądremu nasze miary do zestawienia.
Jedna rzecz jest przynajmniej pewna, światło ma wagę
Jedna rzecz jest pewna, a reszta dyskutuje.
Promienie światła, gdy są blisko Słońca, nie idą prosto.

—  Arthur Stanley Eddington , kolacja RAS

Natychmiastowy wpływ

The New York Times z 10 listopada , 1919 , poinformował na potwierdziły przewidywania Einsteina

Wynik został uznany za spektakularną wiadomość i trafił na pierwsze strony większości liczących się gazet. Dzięki temu Einstein i jego teoria ogólnej teorii względności zyskały światową sławę. Einstein był cytowany jako opisujący, jaka byłaby jego reakcja, gdyby ogólna teoria względności nie została potwierdzona przez Eddingtona i Dysona w 1919 roku: „W takim razie żal mi drogiego Pana. Teoria i tak jest słuszna”.

Późniejsze badania

Chociaż eksperyment Eddingtona i publikacja jego wyników odniosły natychmiastowy wpływ w prasie popularnej, akceptacja przez światową społeczność naukową była mniej szybka. Zrozumienie ogólnej teorii względności wśród innych naukowców było nadal słabe, a w latach dwudziestych XX wieku sceptycyzm wobec teorii i wyników utrzymywał się, dopóki nowe obserwacje zaćmień i inne testy względności nie rozstrzygnęły sprawy.

Pomiary ugięcia światła zostały powtórzone przez ekspedycje, które obserwowały zaćmienie Słońca 21 września 1922 roku w Australii . Ważną rolę odegrało w tym Obserwatorium Licka i Obserwatorium Mount Wilson , oba w Kalifornii w USA. 12 kwietnia 1923 William Wallace Campbell ogłosił, że nowe wyniki potwierdziły teorię względności Einsteina pomiarami ponad 100 gwiazd.

W post-newtonowskich testach grawitacji sparametryzowany post-newtonowski formalizm parametryzuje, w kategoriach dziesięciu regulowanych parametrów, wszystkie możliwe odstępstwa od prawa powszechnego ciążenia Newtona. Najwcześniejsze parametryzacje aproksymacji postnewtonowskiej zostały wykonane przez Eddingtona (1922). Parametrem dotyczącym wielkości ugięcia światła przez źródło grawitacyjne jest tzw. parametr Eddingtona (γ). Jest to najlepiej ograniczony z dziesięciu parametrów postnewtonowskich.

Krytyka i dziedzictwo

Jednak wczesna dokładność pomiarów zaćmień była słaba. Dyson i in. przytoczyli optymistycznie niską niepewność w ich pomiarach, która według niektórych była nękana przez systematyczny błąd i prawdopodobnie błąd potwierdzenia , chociaż współczesna ponowna analiza zbioru danych sugeruje, że analiza Eddingtona była dokładna.

W 1801 r. Johann Georg von Soldner wskazał, że grawitacja newtonowska przewiduje, że światło gwiazd załamie się wokół masywnego obiektu, ale przewidywany efekt jest tylko połową wartości przewidywanej przez ogólną teorię względności, jak obliczył Einstein w jego pracy z 1911 roku. Wyniki Soldnera przywrócił noblista Philipp Lenard , próbując zdyskredytować Einsteina. Eddington był świadom alternatywnych przepowiedni w 1919 roku. Znaczna niepewność w tych pomiarach utrzymywała się przez prawie pięćdziesiąt lat, dopóki nie zaczęto prowadzić obserwacji na częstotliwościach radiowych . Dopiero pod koniec lat sześćdziesiątych definitywnie wykazano, że wielkość ugięcia była pełną wartością przewidywaną przez ogólną teorię względności, a nie połową tej wartości.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła i dalsza lektura

Linki zewnętrzne