Эксперимент Эддингтона

Солнечное затмение 29 мая 1919 года.

Эксперимент Эддингтона представлял собой наблюдательную проверку общей теории относительности , организованную британскими астрономами Фрэнком Уотсоном Дайсоном и Артуром Стэнли Эддингтоном в 1919 году. Наблюдения проводились за полным солнечным затмением 29 мая 1919 года и проводились двумя экспедициями, одна на Запад. Африканский остров Принсипи , а другой — бразильский город Собрал . Целью экспедиций было измерение гравитационного отклонения звездного света, проходящего вблизи Солнца. Величина этого отклонения была предсказана Альбертом Эйнштейном в статье 1911 года; однако это первоначальное предсказание оказалось неверным, поскольку оно было основано на неполной теории общей теории относительности. Позже Эйнштейн улучшил свое предсказание после завершения своей теории в 1915 году и получения решения своих уравнений от Карла Шварцшильда . После возвращения экспедиций результаты были представлены Эддингтоном королевскому обществу . Лондонскому и после некоторого обсуждения были приняты. Широкое освещение результатов в газетах привело к всемирной известности Эйнштейна и его теорий.

Фон

Артур Стэнли Эддингтон, профессор астрономии Плюмиана

Одно из первых соображений гравитационного отклонения света было опубликовано в 1801 году, когда Иоганн Георг фон Зольднер указал, что ньютоновская гравитация предсказывает, что свет звезды будет отклоняться, когда он проходит вблизи массивного объекта. Первоначально в статье, опубликованной в 1911 году, Эйнштейн неправильно рассчитал, что величина отклонения света равна ньютоновской величине, то есть 0,83 угловых секунды для звезды, которая в отсутствие Солнца находилась бы на краю Солнца. гравитация.

В октябре 1911 года, откликнувшись на поддержку Эйнштейна, немецкий астроном Эрвин Фрейндлих связался с экспертом по солнечному затмению Чарльзом Д. Перрайном в Берлине, чтобы узнать, подходят ли существующие фотографии солнечного затмения для подтверждения предсказания Эйнштейна об отклонении света. Перрин, директор Аргентинской национальной обсерватории в Кордове, участвовал в четырех экспедициях по солнечному затмению, находясь в Ликской обсерватории в 1900, 1901, 1905 и 1908 годах. Он не верил, что существующие фотографии затмений будут полезны. В 1912 году Фрейндлих спросил, включит ли Перрин наблюдение отклонения света в программу Аргентинской обсерватории по солнечному затмению 10 октября 1912 года в Бразилии. У. Кэмпбелл , директор Ликской обсерватории , одолжил Перрину линзы внутриртутной камеры. Перрин и команда Кордовы были единственной экспедицией по затмению, создавшей специализированное оборудование, предназначенное для наблюдения за отклонением света. К сожалению, все экспедиции пострадали от проливных дождей, которые помешали проведению наблюдений. Тем не менее Перрин был первым астрономом, предпринявшим целенаправленную попытку наблюдать отклонение света, чтобы проверить предсказание Эйнштейна. Эддингтон принимал участие в британской экспедиции в Бразилию для наблюдения затмения 1912 года, но интересовался другими измерениями. Эддингтон и Перрин провели вместе несколько дней в Бразилии и, возможно, обсуждали свои программы наблюдений, включая предсказание Эйнштейна об отклонении света.

В 1914 году три экспедиции по затмению из Аргентины, Германии и США были призваны проверить теорию Эйнштейна, наблюдая за отклонением света. Тремя директорами были Эрвин Финлей-Фрейндлих из Берлинской обсерватории , американский астроном Уильям Уоллес Кэмпбелл , директор Ликской обсерватории , и Чарльз Д. Перрин , директор Аргентинской национальной обсерватории в Кордове. Три экспедиции отправились в Крым в Российской империи, чтобы наблюдать затмение 21 августа. Однако в июле того же года началась Первая мировая война , и 1 августа Германия объявила войну России. Немецкие астрономы были либо вынуждены вернуться домой, либо попали в плен к русским. Хотя американские и аргентинские астрономы не были задержаны, облака помешали провести четкие наблюдения во время затмения. Фотографии Перрина, хотя и недостаточно четкие, чтобы подтвердить предсказание Эйнштейна, были первыми, полученными в попытке проверить предсказание Эйнштейна об отклонении света.

Вторая попытка американских астрономов измерить эффект во время затмения 1918 года была сорвана облаками в одном месте. и по неоднозначным результатам из-за отсутствия нужного оборудования в другом.

В статье Эйнштейна 1911 года было предсказано, что отклонение света звезд на краю Солнца составит 0,83 угловых секунды, и было предложено астрономам проверить это предсказание, наблюдая звезды вблизи Солнца во время солнечного затмения. Для Эйнштейна повезло, что погода не позволила получить результаты Перрина в 1912 году и Перрина, Фрейндлиха и Кэмпбелла в 1914 году. Если бы результаты были получены, они могли бы опровергнуть предсказание 1911 года, нанеся ущерб репутации Эйнштейна. В любом случае Эйнштейн скорректировал свое предсказание в своей статье по общей теории относительности 1915 года до 1,75 угловой секунды для звезды на лимбе. Эйнштейн и последующие астрономы извлекли выгоду из этой поправки.

Интерес Эддингтона к общей теории относительности начался в 1916 году, во время Первой мировой войны , когда он прочитал статьи Эйнштейна (представленные в Берлине, Германия, в 1915 году), которые были отправлены нейтральным голландским физиком Виллемом де Ситтером в Королевское астрономическое общество в Великобритании. . Эддингтон, который, как позже говорили, был одним из немногих людей в то время, кто понимал эту теорию, осознал ее значение и прочитал лекцию по теории относительности на собрании Британской ассоциации в 1916 году. Он подчеркнул важность проверки теории с помощью таких методов, как наблюдения затмений. отклонения света, а Королевский астроном Фрэнк Уотсон Дайсон начал строить планы майского затмения 1919 года, которое было бы особенно подходящим для такого испытания. крупный отчет по общей теории относительности Эддингтон также подготовил для Физического общества , опубликованный как «Отчет о теории относительности гравитации» (1918). Эддингтон также читал лекции по теории относительности в Кембриджском университете, где он был профессором астрономии с 1913 года.

Призыв на военную службу в Великобритании был введен в 1917 году. В возрасте 34 лет Эддингтон имел право быть призванным в армию, но его освобождение от этого было получено его университетом по соображениям национальных интересов. Это освобождение было позже обжаловано военным министерством, и на серии слушаний в июне и июле 1918 года Эддингтон, который был квакером , заявил, что он отказывался от военной службы по убеждениям по религиозным мотивам. На заключительном слушании королевский астроном Фрэнк Уотсон Дайсон поддержал исключение, предложив Эддингтону предпринять экспедицию для наблюдения полного затмения в мае следующего года, чтобы проверить общую теорию относительности Эйнштейна. Апелляционная комиссия предоставила Эддингтону отсрочку на двенадцать месяцев. Хотя это продление было поставлено под сомнение из-за подписания в ноябре перемирия , положившего конец войне, экспедиция продолжилась, как и планировалось.

Теория

Эйнштейн, лауреат Нобелевской премии по физике в 1921 году, но не за разработку общей теории относительности.

Теория, лежащая в основе эксперимента, касается предсказанного отклонения света Солнцем. Первое наблюдение отклонения света было выполнено путем наблюдения за изменением положения звезд при их прохождении вблизи Солнца на небесной сфере . Примерное угловое отклонение δ φ для безмассовой частицы, выходящей из бесконечности и возвращающейся в бесконечность, определяется следующей формулой:

$\delta \varphi \approx {\frac {2r_{s}}{b}}={\frac {4GM}{c^{2}b}}.$

Здесь b можно интерпретировать как расстояние наибольшего сближения. Хотя эта формула приблизительна, она точна для большинства измерений гравитационного линзирования из-за малости отношения r _s /b . Для света, падающего на поверхность Солнца, приблизительное угловое отклонение составляет примерно 1,75 угловых секунды . Это в два раза превышает значение, предсказанное расчетами с использованием ньютоновской теории гравитации. Именно эту разницу в отклонении между двумя теориями попытались наблюдать экспедиция Эддингтона и другие более поздние наблюдатели затмений.

Экспедиции и наблюдения

Сэр Фрэнк Уотсон Дайсон, королевский астроном

Целью экспедиций было воспользоваться защитным эффектом Луны во время полного солнечного затмения и использовать астрометрию для измерения положения звезд на небе вокруг Солнца во время затмения. Эти звезды, которые обычно не видны днем ​​из-за яркости Солнца, станут видимыми в момент полноты , когда Луна закроет солнечный диск. Разница в наблюдаемом положении звезд во время затмения по сравнению с их нормальным положением (измеренным несколькими месяцами ранее ночью, когда Солнца нет в поле зрения) указывала бы на то, что свет этих звезд отклонился, поскольку он прошел близко к Солнцу. Дайсон, планируя экспедицию в 1916 году, выбрал затмение 1919 года, потому что оно должно было произойти, когда Солнце находилось бы перед яркой группой звезд, называемых Гиадами . Яркость этих звезд облегчит измерение любых изменений положения.

Две группы по два человека должны были быть отправлены для наблюдения за затмением в двух местах: на западноафриканском острове Принсипи и в бразильском городе Собрал .

Участниками экспедиции Принсипи были Эддингтон и Эдвин Тернер Коттингем из Кембриджской обсерватории , а участниками экспедиции Собрала были Эндрю Кроммелин и Чарльз Рандл Дэвидсон из Гринвичской обсерватории в Лондоне. Эддингтон был директором Кембриджской обсерватории, а Коттингем был часовщиком , работавшим над инструментами обсерватории. обсерватории Точно так же Кроммелин был ассистентом в Гринвичской обсерватории, а Дэвидсон был одним из компьютеров .

Экспедиции были организованы Объединенным комитетом по постоянным затмениям , совместным комитетом Королевского общества и Королевского астрономического общества под председательством Дайсона, Королевского астронома. Заявка на финансирование экспедиции была подана в Государственный комитет по грантам с просьбой выделить 100 фунтов стерлингов на инструменты и 1000 фунтов стерлингов на командировочные и другие расходы.

Sobral

Eclipse instruments at Sobral

Карта пути тотальности затмения

В середине 1918 года исследователи из Бразильской национальной обсерватории определили, что город Собрал , Сеара , является лучшим географическим положением для наблюдения солнечного затмения. Ее директор Энрике Шарль Мориз разослал отчет по этому вопросу в мировые научные учреждения, включая Королевское астрономическое общество в Лондоне.

Команда Гринвичской обсерватории, отправленная в Бразилию, состояла из Чарльза Дэвидсона и Эндрю Кроммелина , а Фрэнк Дайсон координировал все действия из Европы, а позже отвечал за анализ данных команды. Команда прибыла в Бразилию 23 марта 1919 года, и от ее оборудования отказались без проверки из-за любезности бразильского правительства. Хотя Эддингтон принимал участие в экспедиции Принсипи, неизвестно, почему Дайсон не поехал в Бразилию.

Механизм был создан двумя астрографическими телескопами, соединенными с зеркальными системами, известными как целостаты; главный телескоп Королевской Гринвичской обсерватории с 13-дюймовой апертурой и установленный на 16-дюймовом целостате и небольшой резервный телескоп с 4-дюймовой апертурой, позаимствованный у Алоизиуса Корти .

30 апреля команда прибыла в Собрал. День затмения начался облачно, но небо прояснилось, и диск Луны начал закрывать Солнце незадолго до 8:56 утра; затмение длилось 5 минут 13 секунд. Команда оставалась в Собрале до июля, чтобы сфотографировать то же звездное поле ночью.

Главный телескоп зафиксировал двенадцать звезд, а резервный — семь. У основного телескопа были размытые изображения, которые были исключены из окончательного вывода, тогда как меньший телескоп имел самые четкие изображения и вызывал наибольшую достоверность. Дэниел Кеннефик утверждает, что без фотографий Собрала результаты затмения 1919 года были бы неубедительными и что экспедиции во время будущих затмений не смогли улучшить данные.

К британской команде присоединилась бразильская команда во главе с Энрике Шарлем Моризом и астрономами Лелио Гамой , Домингосом Фернандесом да Коштой, Аллирио Угенеем де Маттосом и Теофило Ли с целью проведения спектроскопических наблюдений солнечной короны.

Команда установила свое снаряжение на площади перед церковью Патросиньо, где сегодня находится Музей затмения. Команда взяла несколько пластинок размером 24х18 и 9х12 см, на которых запечатлено положение Солнца и звезд вблизи его края, но, к сожалению, на основе данных, полученных бразильской командой, не было сделано никаких значимых выводов, и ее вклад был определяется как просто логистическая поддержка британской команды и наблюдения за климатом. Его пластины были восстановлены Национальной обсерваторией в 2015 году. а таблички британской команды были утеряны после 1979 года.

Третью экспедицию с того дня сформировали Дэниел Мейнард Уайз и Эндрю Томсон из Института Карнеги . Их целью было изучение влияния затмения на магнитное поле и атмосферное электричество.

В 1925 году Эйнштейн заявил бразильской прессе о результатах: «Проблема, поставленная моим мозгом, была решена ярким бразильским небом».

Принц

Оборудование, использованное в экспедиции на Принсипи, остров в Гвинейском заливе у побережья Западной Африки, представляло собой астрографическую линзу, позаимствованную у Рэдклиффской обсерватории в Оксфорде. Эддингтон отплыл из Англии в марте 1919 года. К середине мая он установил свое оборудование на острове Принсипи, недалеко от территории, которая тогда называлась Испанской Гвинеей . Затмение должно было произойти во второй половине дня 29 мая, в 14:00, но в то утро случилась буря с проливным дождем. Эддингтон писал:

Дождь прекратился около полудня и около 1.30... нам начало проглядывать солнце. Мы должны были выполнять наши фотографии с верой. Я не видел затмения, поскольку был слишком занят сменой тарелок, за исключением одного взгляда, чтобы убедиться, что оно началось, и еще одного в середине, чтобы увидеть, сколько облаков было. Мы сделали шестнадцать фотографий. Все они благосклонны к солнцу и демонстрируют весьма заметное положение; но облако мешало изображениям звезд. Последние несколько фотографий показывают несколько изображений, которые, я надеюсь, дадут нам то, что нам нужно...

Эддингтон проявил фотографии Принсипи и попытался измерить изменение положения звезд во время затмения. 3 июня, несмотря на облака, ухудшившие качество пластинок, Эддингтон записал в своем блокноте: «...одна пластинка, которую я измерил, дала результат, согласующийся с Эйнштейном».

Будущий британский астроном и астрофизик Сесилия Пейн-Гапошкин посетила экспедицию и лекцию Эддингтона и позже рассказала, насколько сильно на нее повлияло путешествие.

Результаты и публикации

Джей Джей Томсон, президент Королевского общества , поддержал выводы Эддингтона.

Результаты были объявлены на заседании Королевского общества в ноябре 1919 года. и опубликовано в «Философских трудах Королевского общества» в 1920 году. После возвращения экспедиции Эддингтон выступал на обеде, организованном Королевским астрономическим обществом , и, показывая свою более беззаботную сторону, прочитал следующий стих, который он сочинил в стиле, пародирующем « Рубайят» Омара Хайяма :

О, оставь Мудрому наши меры для сопоставления.
По крайней мере, одно можно сказать наверняка: свет имеет вес.
Одно можно сказать наверняка, а остальное спорить
Лучи света, находясь вблизи Солнца, не идут прямо.

— Артур Стэнли Эддингтон , ужин РАН

Более поздние репликации

Измерения отклонения света были повторены экспедициями, наблюдавшими полное солнечное затмение 21 сентября 1922 года в Австралии . Важную роль в этом сыграла Ликская обсерватория. и обсерватория Маунт-Вилсон , обе в Калифорнии, США. 12 апреля 1923 года Уильям Уоллес Кэмпбелл объявил, что предварительные новые результаты подтвердили теорию относительности Эйнштейна и предсказание величины отклонения света на основе измерений более чем 200 звезд. В окончательных результатах, опубликованных в 1928 году, использовались измерения более 3000 изображений звезд.

Прием

Газета «Нью-Йорк Таймс» от 10 ноября 1919 года сообщила о подтвержденном предсказании Эйнштейна.

Презентация результатов на совместной сессии Королевского общества и Королевского астрономического общества 6 ноября 1919 года вызвала интенсивное освещение в прессе сначала в Великобритании, а через несколько дней в прессе США, особенно в The New York Times , а несколько дней спустя. все еще в немецкой прессе. Хотя к тому времени Эйнштейн уже несколько лет был умеренно известным общественным деятелем в Германии, рассматриваемые статьи положили начало его статусу международной знаменитости. Заметным исключением была Бельгия, где к результатам Эддингтона отнеслись холодно – отчасти потому, что Эйнштейна считали представителем Германии, а страдания Бельгии во время Первой мировой войны все еще присутствовали в стране. Внезапная популярность теорий Эйнштейна привела к «эйнштейновскому буму» научно-популярных книг.

Хотя есть более поздний анекдот, описывающий Эйнштейна, который не был впечатлен результатами экспериментов и был уверен в своей теории даже при отсутствии доказательств (когда его спросили, что бы он сказал, если бы результаты были иными: «Тогда мне было бы жаль Дорогой Господь, в любом случае теория верна». ) свидетельства писем Эйнштейна другим ученым указывают, напротив, на то, что он был одновременно впечатлен и тронут новыми результатами и расценил их как важный успех.

Результаты 1919 года также использовались в рамках систематических усилий нобелевского лауреата Филиппа Ленарда по дискредитации Эйнштейна, которого Ленард, сам заядлый национал-социалист и сторонник того, что он считал «немецкой физикой», считал опасным представителем неестественного». Еврейская физика». Ленард указал на предсказание 1801 года, которое Иоганн Георг фон Зольднер сделал на основе ньютоновской гравитации для звездного света, огибающего массивный объект: что соответствует половине общерелятивистского предсказания, полученного Эйнштейном в 1915 году, и, следовательно, самому раннему выводу Эйнштейна, сделанному в 1911 году, и утверждало, что оно доказывает, что Эйнштейн был плагиатором, и что фон Зольднер заслуживает похвалы за результат 1919 года.

И сами результаты 1919 года, и учебник Эддингтона по общей теории относительности, второе издание которого, включая результаты, выдержало множество переводов по мере роста интереса к теории Эйнштейна, сыграли важную роль в восприятии теории Эйнштейна в научном сообществе. Примечательно, что, хотя результаты Эддингтона рассматривались как подтверждение предсказания Эйнштейна и в этом качестве вскоре нашли свое отражение в учебниках по общей теории относительности, среди других астрономов последовала десятилетняя дискуссия о количественных значениях отклонения света, в которой точные результаты вызывали споры даже после того, как несколько экспедиций повторили наблюдения Эддингтона в случае последующих затмений. Обсуждение касалось как анализа данных (например, разного веса, присвоенного разным звездам в экспедициях по затмениям 1922 и 1929 годов), так и вопроса о конкретных систематических эффектах, которые могли исказить результаты.

В целом измерения затмений такого типа с использованием видимого света сохраняли значительную неопределенность, и только радиоастрономические измерения конца 1960-х годов окончательно показали, что величина отклонения была полной величиной, предсказанной общей теорией относительности, а не половиной. это число, предсказанное «ньютоновским» расчетом. Эти измерения и их преемники в настоящее время являются важной частью так называемых постньютоновских тестов гравитации, систематического способа параметризации предсказаний общей теории относительности и других теорий с точки зрения десяти регулируемых параметров в контексте параметризованной постньютоновской теории гравитации. формализм , где каждый параметр представляет собой возможное отклонение от закона всемирного тяготения Ньютона. Самые ранние параметризации постньютоновского приближения были выполнены Эддингтоном (1922). Параметром, связанным с величиной отклонения света источником гравитации, является так называемый параметр Эддингтона (γ), и в настоящее время он является наиболее ограниченным из десяти постньютоновских параметров.

Примерно во время последних серьезных измерений затмения с помощью фотопластин, проведенных экспедицией Техасского университета, наблюдавшей в Мавритании в 1973 году, начали появляться сомнения относительно того, были ли первоначальные измерения Эддингтона достаточными для подтверждения предсказания Эйнштейна, или же предвзятый анализ, проведенный Эддингтон и его коллеги исказили результаты. Аналогичные опасения по поводу систематических ошибок и, возможно, предвзятости подтверждения были высказаны в сообществе истории науки. и получил большую известность как часть популярной книги «Голем» и Тревора Пинч Гарри Коллинза . Однако современный повторный анализ набора данных предполагает, что анализ Эддингтона был точным и на самом деле менее подвержен предвзятости, чем некоторые последующие анализы данных солнечного затмения. Частично это подтверждает повторный анализ пластин двух инструментов Собрала, проведенный в 1979 году с использованием гораздо более современной машины для измерения пластин, чем была доступна в 1919 году, что подтверждает результаты Эддингтона.

В популярной культуре

Эксперимент занял центральное место в сюжете телевизионного фильма BBC «Эйнштейн и Эддингтон» 2008 года с Дэвидом Теннантом в роли Эддингтона.

См. также

• Тесты общей теории относительности
• Эйнштейн и Эддингтон

Источники и дальнейшее чтение

• Гейтс, Сильвестр Дж. Младший; Пеллетье, Кэти (2019). Доказывая правоту Эйнштейна: смелые экспедиции, которые изменили наш взгляд на Вселенную (Первое изд.). Нью-Йорк: PublicAffairs. ISBN  978-1541762251 .
• Кеннефик, Дэниел (2019). Никакой тени сомнения: затмение 1919 года, подтвердившее теорию относительности Эйнштейна . Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN  9780691183862 .
• Коллинз, Гарри ; Пинч, Тревор (1993). Голем: Что каждый должен знать о науке . Издательство Кембриджского университета. ISBN  0521477360 .
• Коуэн, Рон (май 2019 г.). Век гравитации: от затмения Эйнштейна к изображениям черных дыр (Иллюстрированное издание). Издательство Гарвардского университета. ISBN  978-0-674-97496-8 .
• Крелинстен, Джеффри (май 2006 г.). Жюри Эйнштейна: гонка за проверку теории относительности . Издательство Принстонского университета. ISBN  978-0-691-12310-3 .
• Стэнли, Мэтью (2019). Война Эйнштейна: как теория относительности одержала победу среди порочного национализма Первой мировой войны . Даттон. ISBN  978-1-5247-4541-7 .

Внешние ссылки

• Затмение 1919 года , сайт о затмении, экспедициях и столетних мероприятиях.
• "Затмение Эддингтона и знаменитость Эйнштейна" Эпизод открытия (аудио) (из Всемирной службы BBC)
• «Человек, который сделал Эйнштейна всемирно известным» ( BBC News , 24 мая 2019 г.)
• «Мэтью Стэнли и война Эйнштейна» . Архивировано 30 июля 2020 г. в Wayback Machine (Центр человеческого воображения Кларка, подкаст UCSD).
• «100 лет спустя: фотографии, которые изменили наш взгляд на Вселенную» ( The Observer , 12 мая 2019 г.)
• «Как солнечное затмение 1919 года сделало Эйнштейна самым известным ученым в мире» ( Discover , май 2019 г.) журнал
• «Полное солнечное затмение 100 лет назад доказало общую теорию относительности Эйнштейна» ( журнал Smithsonian , 24 мая 2019 г.)
• «Эйнштейн, Эддингтон и затмение 1919 года» ( Nature , апрель 2019)
• «Артур С. Эддингтон: от физики к философии и обратно» (Эддингтонская конференция, 27–29 мая 2019 г., Париж)