Преди сто години екип от британски учени доказа истинността на теорията на относителността на Айнщайн, като проследи отклонението на звездната светлина по време на пълно слънчево затъмнение през май 1919 г. Статията описва подробно какви трудности трябваше да преодолеят участниците в експеримента, как премина самият експеримент и какъв беше резултатът от неговия успех.
Обикновено, когато учените тестват теория, те успяват да държат ситуацията под контрол. Въпреки това през 1919 г., в края на Първата световна война, британският астроном и физик сър Артър Стенли Едингтън (сър Arthur Stanley Eddington) няма такъв лукс. Той щеше да тества теорията на относителността на Алберт Айнщайн със слънчево затъмнение, което можеше да се наблюдава само на няколко хиляди мили от най-близката лаборатория, предоставяща точни измервания. Не беше лесно. „Когато пътува, за да наблюдава пълно слънчево затъмнение, астрономът прекъсва измерения поток на работата си и влиза в жестока игра със съдбата“, пише младият Едингтън. В неговия случай беше още по-трудно да се осигури пълен контрол над ситуацията - заради коварното време и войната.
Положението на Айнщайн също беше изключително нестабилно. В Берлин, в познатото му научно пространство, царува все повече и повече хаос. Лекциите му за теорията на относителността трябваше да бъдат отложени поради липсата на въглища за отопление на университетските класове. Докато временно изнася лекции в Цюрих, Айнщайн също не проявява особен интерес към работата си там; само 15 студенти се записаха за неговата лекция за относителността - и университетът отмени събитието.
В Берлин беше трудно да се разбере, че войната е приключила, освен това истинският мир беше възможен едва след като воюващите страни се съгласиха да сключат обвързващо споразумение. По време на преговорите беше обсъдено създаването на Лигата на нациите, както и разделянето на Африка и Близкия изток на нови колониални владения. Докато учените провеждаха своите изследвания, победените империи завзеха все повече и повече земи.
Тези нови граници на империи имат голямо значение за астрономите, планиращи експедиции за наблюдение на слънчевото затъмнение през май 1919 г. Първата стъпка за Едингтън и неговия колега, физик и астроном Royal Frank Watson Dyson, беше просто да разберат къде и кога може да се види затъмнение. Зоната на тоталността - мястото, от което може да се види Луната, напълно затъмняващо Слънцето - обикновено е широко няколко хиляди мили, но затъмнението може да се види само за няколко минути (ако имате късмет). Сянката на Луната преминава над повърхността на Земята с над хиляда мили в час, а астрономите със своите телескопи и камери трябва да са на правилното място в точното време. Пътят на тоталността се простираше през Южното полукълбо от Африка до Южна Америка. Много фактори са повлияли върху избора на местоположението за наблюдението:колко благоприятно е времето по това време на годината? Колко ниско в небето ще премине затъмнението? Има ли пароплавни и железопътни мрежи в района за превоз на астрономи и тежката им техника? Има ли наблизо телеграфна станция?
В крайна сметка Дайсън и Едингтън решиха, че две места от противоположните страни на Атлантическия океан са най-подходящи за тези условия - всеки учен ще разполага с около пет минути общо количество. Едно от тези места - бразилският град Собрал, на 80 мили от брега - имаше железопътни връзки. Градът не беше разположен точно в центъра на тоталната зона, така че периодът на затъмнението продължи няколко секунди по-малко. Този недостатък обаче беше повече от компенсиран от логистичните предимства. Смяташе се, че сезонът на дъждовете приключва в този район до май, въпреки че никой не може да даде гаранции за това.
Принсипи, остров на 110 мили от западния бряг на Африка северно от екватора, беше избран за друго място. Островът е бил част от императорските владения на Португалия и е бил известен с износа на какао. Процъфтяващата шоколадова индустрия означаваше, че от Лисабон има двуседмичен параход и че островът вероятно ще има инфраструктура в европейски стил. Отдалечеността на острова игра в ръцете на учените, тъй като околните водни маси осигуряват по-стабилни температури през целия ден и лесна гледка към хоризонта.
През 1918 г. Дайсън е отпуснат хиляда паунда (по днешните стандарти 75 хиляди долара) за пътни разходи. Като се има предвид военното време, това беше много впечатляваща субсидия - Дайсън реши, че с тези пари може да покрие разходите и на двете експедиции, което беше важна застраховка срещу лошо време или други аварии и драстично увеличи шансовете за успех.
Промоционално видео:
Беше договорено Едингтън да пътува до Принсипи, придружен от Едвин Т. Котингъм, часовникар, работил дълги години в обсерваториите „Дайсън“и „Едингтън“, като поддържа хронометрите там. Междувременно наблюденията в Собрал бяха водени от Чарлз Дейвидсън, който имаше репутация на абсолютен магьосник с механични устройства и научни инструменти. Дайсън би могъл напълно да му се довери на всеки механизъм.
Оборудването, което Дейвидсън подготвяше, включваше три внимателно подбрани телескопа. Едингтън се нуждаеше от ясни образи на звездите, а не това, което обикновено искат наблюдателите на затъмнението. Затова екипите решили да използват астрографски телескопи - специално проектирани за получаване на точни изображения на фини обекти. Дайсън се опитваше да се сдобие с два телескопа от вида, използвани в предишните затъмнения. Един от тях, инсталиран в Гринуич, не беше трудно да се получи. Другият беше в Оксфордската обсерватория, която беше ръководена от Х. Търнър, най-яростният враг на Германия сред домашните астрономи. Не знаем как Дайсън убеждава Търнър да даде този ценен инструмент на разположение на експедицията, чиято основна задача беше да тества теорията на Айнщайн, но някак си успя.
Дори и с подходящото оборудване този вид измерване през 1919 г. беше изключително трудно да се извърши. Докато Земята се върти, Слънцето е във фаза на затъмнение и звездите също се движат по небето. Поради това, дори и да става въпрос само за секунди, фотографските изображения се размиват. Едно решение на този проблем е да монтирате телескопа на ос и да го завъртите бавно в съответствие с движението на Земята. За експедиция обаче това не е най-подходящият вариант: телескопите са тежки и тромави и се преместват много трудно - по невнимание можете да разклатите обектива или да промените наклона и по този начин да развалите крайното изображение. Традиционното решение беше колелостат, един вид "люлеещо се огледало", което Едингтън е използвал в миналото.
Телескопът е поставен хоризонтално и е стабилизиран. Лещата на телескопа е насочена към огледалото на целостата, което е настроено така, че изображението на Слънцето да попадне в центъра на камерата. И тогава по време на затъмнение огледалото може да се завърти плавно и по този начин да поддържа ясно изображение в центъра.
В Гринуич имаше цял набор от такива кололостати - те вече бяха използвани повече от веднъж в експедиции. За съжаление, тези устройства се използваха много дълго време и на тях не можеше да се разчита. По правило модернизацията на тези устройства беше непретенциозен, но доста досаден процес, но първите приготовления за експедицията се проведоха във военно време и беше необходимо съответното разрешение от Министерството на военното снабдяване за извършване на прецизна обработка. Така като резерв изследователите взеха със себе си няколко малки четири инчови телескопа - за всеки случай.
Членовете на експедициите в никакъв случай не са пасивни наблюдатели, които по време на затъмнение се опитват да открият всякакви любопитни явления. Целта им беше да тестват специфичното предсказване на теорията на относителността на Айнщайн. Айнщайн предложи да погледнете звезда, която изглежда е в самия край на слънчевия диск (всъщност тази звезда може да е на трилиони мили от Слънцето - просто е, че в момента е в съответствие с ръба на диска). Образът на тази звезда се предава от лъч светлина. Когато светлинен поток премине близо до Слънцето, кривината на пространство-време (създадена от слънчевата гравитация) ще огъне този светлинен лъч. Всеки, който следва образа на звезда от Земята, ще забележи леко изместване от първоначалното й положение, което е следствие от огъването. Общата относителност предсказва точния ъгъл между точката, в която звездата трябва да бъде при липса на слънчева гравитация по пътя си, и където тя ще бъде под нейното влияние. Този ъгъл се измерва в дъгови секунди (една-60-та от една -60-та степен). Според Айнщайн тази промяна трябва да бъде 1,75 дъгови секунди. На фотографските табели, които Едингтън щеше да използва, тази цифра беше приблизително една шестдесета милиметър.тази цифра беше равна на около една шестдесета милиметър.тази цифра беше равна на около една шестдесета милиметър.
Астрономите успяха да направят тези точни измервания, защото се опитаха да вземат предвид всички фактори. Фотографиите, направени по време на затъмнението, бяха обект на сравнение със снимки на същото поле от звезди, където Слънцето вече не беше пред тях по време на фазата на затъмнението. Учените се интересували преди всичко от промяната в позицията на звездата - за това им била необходима надеждна отправна точка. Може да отнеме месеци, докато Слънцето ще се движи достатъчно далеч по небето, за да не бъдат изкривени изображенията от неговата гравитация.
Това означава, че втората серия от снимки трябва да бъде направена няколко месеца преди или след самото затъмнение. Освен това при създаването на тези изображения трябва да се използват едни и същи обективи и фотографски настройки - всички лещи са малко по-различни един от друг и е наложително да се уверите, че видимата промяна в положението на звездата не се дължи на неточности в другия обектив. По този начин, снимките на звездите, които изследователите щяха да измерват, бяха направени в Англия с лещите, които планираха да използват в експедицията.
Желаейки да получат предварителните констатации вкъщи възможно най-скоро, Едингтън и Дайсън дори излязоха със специален телеграфен код. Преди да напусне, Едингтън написа статия, в която предостави на колегите си цялата необходима информация, за да знаят как да интерпретират резултатите, докато експедицията се върне. Едингтън обяви три варианта: без отхвърляне; отклонението е 1,75 дъгови секунди, както е предвидено от Айнщайн; или това е 0,87 дъгови секунди - индикатор, който свидетелства в полза на гравитацията на Нютон и предизвиква идеите на Айнщайн. Предлагайки този вид формулировка, Едингтън беше доста умен. Внезапно експериментът се превърна в открита борба между Айнщайн и Нютон - уникален случай, когато този изстрелян германец може да хвърли пиедестала на най-великия мислител в историята. Едингтън създаде разказ и завладяващ контекст, в който могат да бъдат представени резултатите от експедициите.
Едингтън бързаше да започне своето шоу. В началото на март той тръгна на пътя, преодоля пет хиляди мили отвъд океана, а на 26 април пристигна с Котингъм до бреговете на Африка. Мъжете прекарали около седмица в пристанището на Свети Антоний на остров Принсипи, търсейки подходящи наблюдателни точки. Накрая те избраха плантацията Roça Sundy в северозападната част на острова, далеч от планините, над които обикновено се събираха облаци - това беше плато с изглед към залива, разположено на 500 фута над морското равнище.
Мястото и датата - 29 май - се оказаха изключително благоприятни. Както се оказва, точно това затъмнение трябва да се е случило точно пред Хиадес, доста ярко съзвездие, което е идеално за измерване на отклонението на Айнщайн. Едингтън се нуждаеше от точно такива ярки звезди, за да могат лесно да се видят на снимката. В допълнение, няколко звезди, за разлика от една, биха могли да демонстрират различни степени на отклонение, тъй като са били отстранени от Слънцето: звезда точно в края на слънчевия диск трябва да показва отклонение от 1,75 секунди; друга звезда, разположена малко по-нататък, е малко по-нисък индикатор; и най-отдалечената звезда на съзвездието трябваше да не показва почти никакви отклонения. Айнщайн предсказа не само отклонение, но и как ще се промени според разстоянието от ръба на Слънцето. Наличието на съзвездието даде възможност да се провери този аспект на неговите прогнози.
Астрономите от минали или бъдещи епохи може да се наложи да чакат такива благоприятни условия в продължение на векове или хилядолетия. Хиадите са разположени в съзвездието Телец. Те образуват главата на бик и се намират точно до искрящата червена звезда Алдебаран. Звездите бяха кръстени на петте нимфи, дъщери на Атлас. Оплаквайки смъртта на брат си, те бяха на небето в непосредствена близост до волнищия Орион. Един от най-ярките звездни групи, хиадите са видими с просто око и привличат вниманието на астрономите още от древни времена. Те принадлежат към съзвездията, поставени на щита на Ахил, заедно с Орион и Майор Урса. Предвид древните тези звезди са действали като пратеници на небесното царство.
Едингтън, за разлика от Ахил, нямаше щит, на който да може да хване тези звезди - той можеше да улови значението им само чрез телескоп. За да провери отклонението на светлината от тези звезди, той трябваше да насочи телескопа към тъмнината на пълно затъмнение, когато температурата на околната среда спадне, птиците спират да пеят и (най-важното за Айнщайн) звезди стават видими.
В четвъртък, 29 май 1919 г., в Собрал беше облачно. Местната общност възнамеряваше да превърне затъмнението в публично събитие, а подготовката за него беше в разгара си. Малка обсерватория, разположена в края на затъмнението, продава билети на желаещите да погледнат през телескоп. До началото на затъмнението небето беше покрито с гъсти облаци. Когато водещият ръб на Луната докосна слънчевия диск (наречен „първо докосване“), астрономът Андрю Кроммелин, който придружаваше Дайсън, пое 90-процентов облачен покрив. Но бързо започна да избледнява и по време на тоталния период Слънцето беше в доста голяма пропаст между облаците.
Всичко потъна в сюрреалистична тъмнина и астрономите започнаха да работят. Един от бразилците гледаше часовника и броеше секундите на глас, за да може да има време да направи снимки. С помощта на голям телескоп са направени деветнадесет снимки за експониране, а с помощта на малки четири инчови обективи - осем. Небето беше ясно през цялото затъмнение; експериментът премина гладко. Учените веднага изпратиха у дома телеграма: „Великолепно затъмнение“.
Отвъд Атлантическия океан почетните гости на остров Принсипи дойдоха в Роза Санди сутринта на затъмнението. И те бяха посрещнати с обилен излив - който британските субекти никога не бяха изпитвали досега и който не беше типичен за онова време на годината. То приключи около обяд, само няколко часа преди затъмнението. Облаците, по думите на Едингтън, „почти ни лишиха от последната ни надежда“.
При първото докосване слънцето не се виждаше зад облаците. Едва в 13:55 астрономите започнаха да разпознават диска му в небето, преобразуван в полумесец от неумолимо пълзящата луна. След това той се появи от облаците, след което отново се потопи в тях. Дори и в добри условия, последните секунди преди тоталността бяха описани като "почти болезнени". Можем само да гадаем какво са изпитвали учените в този момент. Изчислено е, че съвкупността е трябвало да дойде пет секунди след 14:13. В този момент астрономите се превръщаха в машини, които стриктно спазваха последователността на планираните процедури, независимо от това, което можеха да видят с просто око - те бяха машини, задвижвани от надежда и очакване. Едингтън го каза така: „Трябваше да изпълним вярно програмата си от планирани изображения“. Цялото им внимание беше погълнато от телескопа. Котингъм наблюдаваше механизма на целостата и дава на Едингтън свежи плочи; Едингтън премахна готовите снимки и постави нови плочи. След всяка смяна той трябваше да направи пауза за секунда, в противен случай движението може да предизвика мъничко треперене, което да съсипе изображението.
Когато тоталността приключи, светът се върна в предишното си състояние, сякаш изобщо няма нарушение на природния ред. Едингтън може да си пое дъх. Кратката му телеграма към Дайсън изглеждаше така: „През облаците. Не губим надежда “.
Взето е решение да се разработят снимките на място: в Бразилия и на остров Принсипи - но това се обяснява не само с „нетърпение“. Стъклените чинии бяха твърде крехки и лесно можеха да се повредят при дълго пътуване. Разработването им на полето и извършването на предварителни измервания гарантираха поне някои резултати, макар и не получени в най-перфектните условия. На следващата нощ в Собрала, Дейвидсън и Кроммелин отпечатаха четири астрографски фотографии. Те бяха шокирани, когато видяха, че изображенията на звездите са леко изкривени, сякаш фокусът на самия телескоп се променя.
Тази промяна във фокуса може да се обясни само с неравномерното разширяване на огледалото поради слънчевата топлина. Показанията на фокусната скала бяха проверени на следващия ден: през това време те останаха непроменени при 11 мм маркировка. Качеството на плочите остави много да се желае. В хода на обикновени наблюдения на слънчево затъмнение този ефект не би бил отчетен. Обаче отклонението, посочено от Айнщайн, беше толкова малко, че подобно явление може лесно да го усвои.
Изображенията от четири инчовия телескоп, които те заснеха за всеки случай, се оказаха много по-добри. Така че имаше надежда. Във всеки случай астрономите чакаха дълго чакане. Те трябваше да останат в Бразилия до юли, за да снимат хиадите във време, когато Слънцето вече не им е на път. Едингтън не беше в настроение да седи и да чака. Въпреки че имаше добри технически причини за изследване на снимките веднага, изглежда, че неговият стимул беше по-личен. В продължение на шест нощи след затъмнението той и Котингъм разработваха по две плочи всяка вечер. Резултатите не бяха напълно задоволителни: „Първите 10 снимки не показват почти никакви звезди. Изображенията на последните шест, надявам се, ще ни дадат това, което търсим; но всичко това е много досадно."
Едингтън прекара всички следващи дни в снимки, опитвайки се да направи точни измервания с помощта на сложно устройство, наречено микрометър. Дори и с легендарната математическа скорост на Едингтън все пак му бяха необходими три дни трескава работа. Тази задача се оказа по-трудна, отколкото очакваше, защото изображенията на облачното небе го принудиха да използва методи, които са различни от предварително планираните. Но един ден през първата седмица на юни 1919 г. Едингтън остави настрана писалката, с която правеше своите изчисления. Получи се отговорът: „Разбрах, че теорията на Айнщайн е издържала на изпитанието и отсега нататък трябва да надделее нова посока на научната мисъл“.
Вярно, това твърдение на Едингтън беше по-скоро като самохипноза. Предварителните му изчисления в никакъв случай не бяха достатъчни, за да убедят британските си колеги в получените резултати. Това все още изискваше много работа. Едингтън се надяваше да остане на Принсипи, за да завърши част от тази работа, но плановете му бяха осуетени от проблеми с местната корабоплавателна компания. Той беше информиран, че ако ученият не тръгне веднага на пътя, той рискува да остане на острова за неопределено време. Губернаторът на Принсипи уредил той и Котингъм да седнат на последния кораб, който да напусне острова това лято (SS Zaire). Връщайки се у дома, Едингтън се озова в нов свят на „международната“наука, който официално включваше „всички, с изключение на Германия и Австрия“. Междувременно той донесе със себе си куфар, пълен със снимки,тясно свързана с теорията, разработена в Берлин.
Научните наблюдения не говорят сами за себе си и не бързат да разкриват своите тайни. На Едингтън бяха нужни месеци досадни измервания и изчисления, за да убеди света, че Айнщайн е прав въз основа на своите заключения.
Дайсън и Едингтън продължиха да работят поотделно, дори докато анализираха данните. Вероятно са мислили, че независимите измервания ще бъдат по-надеждни. Снимките от остров Принсипи са анализирани в Кеймбридж и от Собрал в Гринуич. По всяка вероятност Едингтън сам направи измерванията и изчисленията за бившия, докато Дейвидсън работеше с персонала на Кралската обсерватория; членовете на експедицията на Собрал се изправиха пред не толкова трудна задача. Тъй като успяха да направят тестови снимки in situ, те можеха директно да ги сравнят с фотографиите на затъмнението. Освен това и в двата случая снимките са направени на едно и също място с помощта на един и същ телескоп. Учените трябваше просто да измерват разстоянието, на което изображението на определена звезда се движи в присъствието на слънчева гравитация.
Вярно е, че за това не беше достатъчно да закачите линийка и да очертаете линия по око. Измерванията бяха направени с помощта на микрометър, който ни позволи да преценим много по-малки разстояния извън обсега на човешката ръка. Тези измервания изискваха много подготовка и търпение, но бяха част от стандартната практика на астронома.
Едингтън трябваше да направи допълнителна стъпка. Той не успя да получи изображения за проверка от острова, така че директните измервания бяха изключени. Ученият трябваше да сравнява образа на хиадите, получени от него по време на затъмнението, с образа на тези звезди, направен от същия телескоп в Оксфорд. Но той трябваше да обмисли възможността между двете групи изображения да има някаква фина разлика. Затова и на двете места (Принисипе и Оксфорд) той направи снимки на друго звездно поле и, сравнявайки тези снимки, можеше да разбере каква е разликата.
Въоръжен с тази информация, ученият би могъл да я използва при окончателните си измервания. Изключително трудно е да се избегне изкривяване или грешка в научните измервания. По-скоро трикът е да разберете и коригирате тези проблеми. Експедицията до остров Принсипи доведе до 16 снимки, въпреки че поради облачност само седем от тях бяха полезни. За щастие и всичките седем имат звездите с най-високо прогнозирано отклонение. За надеждно измерване обаче са необходими поне пет звезди като кибрит, а само две табели предоставиха такава информация. Най-малкото тази информация беше последователна и средното отклонение беше 1,61 дъгови секунди, ± 0,30. Тази степен на несигурност беше напълно адекватна, макар и висока. Прогнозираното отклонение на Айнщайн беше 1,75. Не е лош резултат за първото измерване на напълно непознато физическо явление, помисли Едингтън.
Що се отнася до резултатите от експедицията до Собрал, тук ситуацията беше спасена от четири инчов резервен телескоп, взет в последния момент. Седем от осемте плочи, които е снимал, дадоха отлични изображения на всички необходими седем звезди учени. Измерванията въз основа на тях дават много по-добри резултати: 1,98 дъгови секунди, ± 0,12.
Заети с безкрайни измервания и изчисления, Едингтън и Дайсън някак си отделиха време, за да поставят сцената за представяне на резултатите. Дайсън поиска Съвета на Кралското общество да насрочи специална среща за 6 ноември, за да представи официално резултатите. Обратният път беше затворен. Въпреки това все още не беше възможно да се докладва за това директно на Берлин, така че изследователите направиха различно. Холандският физик Хендрик Лоренц изпрати на Айнщайн спешна и кратка телеграма, която гласеше: „Едингтън предварително отклони звездите на слънчевия диск между девет десети от секундата и два пъти по-голяма степен“.
За съжаление нямаме свидетелства на очевидци, които са били близо до Айнщайн по време на получаването на телеграмата. След това той показа телеграма на всички, които дойдоха в неговия апартамент, което ни позволява да проследим реакцията на учения през очите на хората около него. Илзе Розентал-Шнайдер, млад студент по физика, седеше с Айнщайн на бюрото си, преглеждайки книга, пълна с критики към неговата теория на относителността. Айнщайн внезапно прекъсна четенето си, за да вземе документ от перваза на прозореца. Той хладно отбеляза: „Това може да ви заинтересува“и й подаде телеграмата на Лоренц. Айнщайн не можеше да мисли за нищо друго и очевидно не беше готов да скрие тази новина от другите.
Това беше отношението, което Едингтън се надяваше да наложи на британските си колеги в залите на Кралското общество в Бърлингтън Хаус на Пикадили. Слушателите седяха на пейки, а тези, които нямаха достатъчно място, бяха претъпкани между колоните по стените. В тази стая присъства и Алфред Норт Уайтхед, изтъкнат философ и математик. Той описа вълнението сред публиката по този начин: "Атмосферата на силен интерес беше точно като атмосферата на гръцката драма."
На следващия ден лондонският вестник „Таймс“публикува най-голямото научно заглавие в историята: „Революция в науката“. Откритието се приписва на "известния лекар Айнщайн" (той не е нито единият, нито другият). В събота излезе следващата статия със същото заглавие и допълнение „Айнщайн срещу Нютон“. Това беше първото публично излагане на Айнщайн и ученият се появи пред света точно както Едингтън искаше: в ролята на мирен гений, който отхвърля стереотипите на немския милитаризъм, характерни за военно време.
Вълна от вълнение премина през Атлантическия океан и на 10 ноември 1919 г. The New York Times извика от първите страници: „Учените очакват наблюденията на затъмнението“. Важно е да погледнем назад и да си припомним, че това всъщност беше първото споменаване на Таймс от Айнщайн.
Този срив накрая позволи на Едингтън и Айнщайн да пишат директно един на друг. "Цяла Англия говори за вашата теория … това е най-доброто нещо, което може да се случи в научните отношения между Англия и Германия", пише Едингтън на Айнщайн същата година. Благодарение на Едингтън експедицията се превърна в символ на германско-британската солидарност. Айнщайн от своя страна реши да се бори с милитаризма в германската наука, като увеличи залозите. Това беше чудесен момент за науката, разделена от войната, защото някои учени успяха да я превърнат в едно цяло.
Тази статия е редактиран откъс от книгата на Матю Стенли „Войната на Айнщайн: Как относителността завладя национализма и разтърси света 2019“, публикувана от Penguin Books