Айнщайн

Пълно слънчево затъмнение преди 100 години Доказано е общата относителност на Айнщайн | Наука

Докато сутрешното небе потъмня над Западен Орегон, трите алпаки на Ричард Бери се оттеглиха в плевнята си. Затъмняващата дневна светлина и малката тълпа, събрала се във фермата на Бери - стада извън града с картонени слънчеви очила и безпилотни летателни апарати - подчертаха животните. Междувременно луната и слънцето изпълняваха рядък небесен балет над главите си.

На 21 август 2017 г. беше в ход първото пълно затъмнение на Слънцето, което украси и двете брегове на континенталната част на САЩ от 99 години насам. Но Бери, астроном аматьор и бивш главен редактор на списание Astronomy, и група студенти от Portland Community College не бяха само там, за да се насладят на гледката. Те бяха подготвили своите телескопи и оборудване за камери, за да повторят най-известния експеримент за затъмнение за всички времена, първият успешен тест на общата теория на относителността на Алберт Айнщайн. Почти сто години преди Голямото американско затъмнение, два екипа астрономи се осмелиха да стигнат до далечни брегове, за да наблюдават затъмнение, което да убеди скептичния свят, че теориите за гравитацията на Исак Нютон са погрешни.

Едно от последствията от теорията на Айнщайн, публикувана за първи път през 1915 г., е, че масивни небесни обекти, като слънцето, огъват тъканта на пространството-времето около себе си - така Айнщайн обяснява притеглянето на гравитацията. Тази астрофизична теория е много различна от идеята на Нютон за гравитацията като притегателна сила, упражнявана от цялата материя. Според Айнщайн всяка светлина, пътуваща в близост до масивен обект, се огъва заедно с пространството-времето. В началото на 20-ти век Айнщайн измисли начин да демонстрира тази на пръв поглед нелепа теория, използвайки пълно слънчево затъмнение.





безплатни сайтове за запознанства с безплатна комуникация

Айнщайн изложи предизвикателството по следния начин: Начертайте позициите на звездите около слънцето по време на съвкупността, онези ценни моменти, когато пряката слънчева светлина е напълно блокирана от луната, позволявайки да се видят звездите на заден план. И наблюдавайте същите звезди, когато няма затъмнение. Ако теорията му за общо относително беше наистина вярна, щеше да има малка разлика в позициите на тези звезди - промяна, невидима за човешкото око, но откриваема чрез фино измерване.

През 1919 г. английските астрономи Артър Едингтън и Франк Дайсън организират експедиции до остров Принсипи край западното крайбрежие на Африка и съответно до Собрал, Бразилия, за да проверят дали Айнщайн е прав. Съдбовният ден беше 29 май. След като публикуваха резултатите си, светът никога няма да бъде същият - или поне нашето разбиране за него.



Едингтън и Дайсън

Артър Едингтън (вляво) и Франк Дайсън (вдясно).(Публичен домейн)

През 2017 г. Тоби Дитрих, професор по физика в Общинския колеж в Портланд, координира дузина наблюдателни групи, включително Бери, изпращайки двама от своите ученици във фермата на алпака, а други в планина Орегон, за да проверят дали могат да се справят поне толкова добре, колкото Едингтън и Дайсън.

И двете усилия трябваше да се борят с техническите предизвикателства и непостоянството на времето, знаейки, че прозорецът на възможностите за наблюдение на съвкупността ще бъде мимолетен.



През 1919 г. астрономите имаха отчетливия лукс на повече от пет минути цялост. През 2017 г. фазата на пълното затъмнение продължи само около две минути за американските зрители. Преминаването на облаци или вятър може да съсипе наблюденията в онези ценни моменти - всъщност облачната покривка съсипа тест за относителност по време на пълното слънчево затъмнение на САЩ от 1918 г.

Дон Бранс, астроном-аматьор, разположен в Каспър, Уайоминг за затъмнението през 2017 г. и координиращ усилията на Дитрих, беше частично вдъхновен от четири неуспешни опита да се повтори експериментът Едингтън-Дайсън между 1936 и 1954 г.

Правейки това, позволявам на астрономите да си почиват спокойно, казва Брунс.

**********

Съответният опит на Едингтън и Дайсън ги направи подходящи за тази задача за преследване на затъмнение. Дайсън е бил английски астроном Роял и е ръководил Кралската обсерватория в Гринуич. Едингтън е ръководил обсерваторията в Кеймбридж и той също се прослави в сферата на теорията, за да покаже, че слънцето е в състояние да съществува, както го познаваме, вместо да се срутва под собственото си тегло, тъй като самата светлина оказва външен натиск

Флаш спектър на Eclipse

Това изображение показва светкавичния спектър на слънчевата хромосфера, вторият до горния слой на слънчевата атмосфера, по време на затъмнението на 21 август 2017 г. над Орегон. Изображението улавя затъмнението при всяка дължина на вълната на светлината, която атомите в хромосферата излъчват. Например водородните атоми, излъчващи светлина на дължината на вълната „водороден алфа“, произвеждат червен цвят на светлината вдясно, докато калциевите атоми произвеждат лилавото вляво.(Ричард Бери / Обсерватория Алпака Медоус)

Усилията на Principe, разположени на плантация на какао в северозападната част на африканския остров, са извършени от Eddington и Edwin Cottingham. Дуетът използва предимно заимствано оборудване от Оксфордската обсерватория, тъй като собствената обсерватория на Кеймбридж на Едингтън не е специализирана за затъмнения, според новата книга на Даниел Кенефик, Няма сянка на съмнение: Затъмнението от 1919 г., което потвърждава теорията за относителността на Айнщайн .

Едингтън вероятно е направил всички анализи на данните от експедицията си лично, въпреки че не са оцелели записи, които той е направил по време на пътуването си - дори оригиналните фотографски плочи, които са изчезнали с течение на времето. Според личния разказ на астрофизика Субраманян Чандрасекар, Дайсън каза на Котингъм, че ако Едингтън наблюдава количество отклонение, двойно по-голямо от това, което Айнщайн прогнозира - странен резултат, който нито Айнщайн, нито рамката на Нютон биха очаквали - Едингтън ще полудее и вие ще имате да се прибера сам.

Междувременно Дайсън всъщност не напусна Англия за случая. В Собрал, Бразилия, той изпраща двама от служителите си, Чарлз Дейвидсън и Андрю Кроммелин, и малко оборудване от неговата обсерватория. Когато се върнаха, Дайсън ръководи анализа на данните на екипа и си сътрудничи с Едингтън по окончателния доклад.

Всеки от екипите от 1919 г. трябваше да се върне с две критични данни, кодирани на стъклени плочи. Поне едната плоча ще бъде взета през цялото време, докато другата е направена през нощта със същите звезди на небето, но без слънце и луна на преден план. Дори ако това беше направено добре, човекът, който анализира плочите, би имал истинско предизвикателство.

Звездите, разбира се, изглеждаха като малки кръгове на плочите, казва Кенефик. Оказва се, че промяната в позицията всъщност е по-малка от размера на кръга. Това е много, много фино измерване. Извършването е много трудно.

За щастие, Дайсън си изкарва прехраната, като прави подобни наблюдения. Нормалната му работа включваше внимателно проучване на звездните позиции и изследване на малки промени. Той използва малко устройство, наречено микрометров винт, което се движи през плочата от една точка до друга и измерва разстоянието между предметите.

Те имаха късмет в деня на затъмнението през 1919 г., защото слънцето беше близо до много ярък куп звезди, наречен Хиади, който Едингтън определи като най-доброто срещано звездно поле. Тяхната яркост ще ги направи по-лесни за разпознаване върху телескопната плоча, отколкото по-слабите звезди, които могат да се загубят в отблясъците на външния регион на слънчевата атмосфера, наречен корона. (Тази прегрята плазма се вижда само с просто око по време на пълно слънчево затъмнение, когато изглежда, че блести около изтритото слънце.)

1919 г. Затъмнение

Копир на експедиционната плоча на Дайсън от 1919 г., с маркировки, за които се смята, че са направени от групата на Дайсън.(Институт Нилс Бор, Университет в Копенхаген)

Въпреки че двустранният експеримент се оказа успешен, и двамата се доближиха до прогнозата на Айнщайн за размера на отклонение, не беше без противоречия. Един от двата телескопа в експедицията Собрал произвеждаше съмнително изглеждащи плочи със звезди, които приличаха повече на петна, отколкото на кръгове. Изглежда, че Дайсън е призовал да изхвърли данните и някои историци се чудят дали групата Едингтън-Дайсън е имала толкова надеждата да докаже, че Айнщайн е прав, че те неправилно са изхвърлили данни, които не са били съгласни.

Но Кенефик казва, че е малко вероятно Дайсън да измами резултатите. Едингтън беше ученият, който подкрепи гласно прогнозите на Айнщайн преди провеждането на експеримента и той нямаше нищо общо с хвърлянето на собрални плочи.

Рядко е да си напълно неутрален в науката или живота, пише Кенефик. Наказването на Едингтън за честност в формулирането на неговите предпочитания е просто искане учените нечестно да потиснат техните възгледи.

**********

Айнщайн не изглеждаше прекалено загрижен, че неговата тогавашна теория най-накрая ще бъде подложена на изпитание. Някои дори предполагат, че той е бил самодоволен за цялото изпитание, толкова сигурен в теорията си, че не е бил и най-малко нервен относно това, което ще открият експедициите от 1919 г.

Известни учени му казаха: „Не мога наистина да повярвам колко си спокоен по този въпрос“, казва Кенефик. Те бяха като „О, Боже, това е невероятно.“ И той казваше: „Да, знаех.

Алберт Айнщайн

Снимка на Алберт Айнщайн от 1921 г.(Universal History Archive / UIG чрез Getty Images)

Но въпреки липсата на съмнение на Айнщайн, той искаше експериментът да бъде проведен. Още през 1911 г. той пише на други астрономи с въпроса дали могат да направят този вид експеримент със затъмнение и той активно събира пари за каузата. Той финансира експедицията на германския астроном Ервин Фройндлих до Крим през 1914 г., за да направи наблюденията на затъмнението, които Едингтън в крайна сметка ще направи, но пътуването на Фройндлих претърпя лоша съдба. Ерцхерцог Франц Фердинанд е убит, докато Фройндлих пресича Русия, избухва Първата световна война и астрономът е арестуван от хората на царя, а оборудването му е конфискувано.

**********

Твърди се, че физикът и философ Илзе Розентал-Шнайдер е бил с Айнщайн точно след като е получил телеграма през септември 1919 г. с новина, че експериментът Едингтън-Дайсън потвърждава неговите прогнози. Тя пише, че Айнщайн изглежда щастлив, но не е екстатичен и липсата на ентусиазъм я изненадва.

какво означава банер с изпъкнали звезди

И така, тя каза: „Е, какво бихте казали, ако теорията беше открила срещу вас? В такъв случай бихте ли се разочаровали? “, Казва Кенефик. И [Айнщайн] се усмихна и каза: „Е, тогава щях да съжалявам за скъпия господар, защото теорията е вярна.“

Резултатите бяха официално представени на срещата на Кралското общество в Лондон на 6 ноември 1919 г., подтиквайки Айнщайн към световна слава. Според разказа на математика Алфред Норт Уайтхед: Цялата атмосфера на напрегнат интерес беше точно тази на гръцката драма: Ние бяхме хорът, коментиращ декрета на съдбата, разкрит при развитието на върховен инцидент. В самото представяне имаше драматично качество - традиционната церемония, а на заден план картината на Нютон, за да ни напомни, че най-голямото от церемониалните обобщения сега, след повече от два века, ще получи първата си модификация.

2017 Eclipse

Този изглед, направен от 23 отделни подредени изображения, показва 42 звезди, кръгови в жълто, около слънцето по време на съвкупността. Лицето на луната се вижда поради „земния блясък“ - слънчевата светлина, отразена от Земята - след това отскачаща от луната. Големите пръстени показват короната, уловена при различно време на експозиция.(Ричард Бери / Обсерватория Алпака Медоус)

През 1922 г. обаче имаше ново слънчево затъмнение, което даде шанс на други да потвърдят резултатите на Едингтън и Дайсън. Но естествено през 1919 г. астрономите се вълнуват. Те бяха щастливи. Бяха заредени с енергия. Но те оцениха [че можеха] да го проверят след три години, казва Кенефик. Няма смисъл да слагаме шампанското на лед в продължение на три години.

За това затъмнение от 1922 г. група от обсерваторията на Лик в Калифорния направи последващ експеримент и получи резултати, които бяха в тясно съответствие с Eddington и Dyson’s, но дотогава Айнщайн вече беше добре празнуван. (Дайсън също се опита да повтори експеримента, но гледката му беше замъглена.)

**********

Никакви професионални усилия не са се опитвали да възпроизведат експеримента на Едингтън-Дайсън от 1973 г., тъй като затъмненията вече не са необходими за измерване на отклонението на слънчевата светлина, което Айнщайн прогнозира. Радиотелескопите, например, позволиха на учените през 70-те години да наблюдават слънцето, огъващо светлина от квазарите - супер ярки галактически ядра, всяка от които се състои от гигантска черна дупка, заобиколена от диск, който излъчва огромно количество енергия - през деня без помощта на затъмнение.

Повечето от дузината аматьорски групи Dittrich се координираха през 2017 г., за да повторят версията от началото на 20-ти век на експеримента за затъмнение, научиха по колко начина може да премине един цикъл на експеримент. На десет от сайтовете участниците имаха проблеми с оборудването си, като захранване и преекспониране или атмосферна турбуленция и не получиха използваеми данни. Една група случайно ритна статива на телескопа в критичен момент. Тези гафове подчертават какъв късмет са били и двете експедиции от 1919 г., които са уловили всички използваеми звезди по време на съвкупността.

Бери и студентите от Общинския колеж в Портланд, работещи с него, бяха една от двете успешни групи в сътрудничеството на 12 места. И тогава имаше Дон Брънс, онзи астроном аматьор, готов за действие в Каспър, Уайоминг. Той се подготвяше повече от година за своите наблюдения и беше тренирал отново и отново за онези решаващи минути на цялостта. Той беше невероятно успешен със своите наблюдения, казва Дитрих.

2017 Eclipse Group

Астрономи аматьори се готвят да наблюдават пълното слънчево затъмнение през 2017 г. Отляво надясно: Абрахам Салазар (студент), Джейкъб Шаркански (студент), Ричард Бери (астроном аматьор), Стив Пинкстън (студент) и Тоби Дитрих (професор).(С любезното съдействие на Ричард Бери)

Данните от експедицията на Едингтън в Принсипи се превеждат в леко отклонение от 1,6 арсекунди - ъглово измерване на разстоянието по небето - докато плочите от екипажа на Дайсън в Собрал предполагат 1,98 дъгови секунди и граница на несигурност от около 30 процента. През 2017 г. Брунс, пенсиониран оптичен физик, направи снимки, които се превеждат точно в числото, което Айнщайн би прогнозирал - отклонение от 1,7512 дъгови секунди - с несигурност, свързана с атмосферната турбулентност, от само 3 процента.

За работата си по това начинание Брънс спечели Американското астрономическо общество Награда за аматьорски постижения Chambliss . Резултатите са публикувани в списанието Класическа и квантова гравитация .

Бери, Брунс и Дитрих вече очакват с нетърпение 2024 г., следващият път, когато пълно слънчево затъмнение ще донесе магията на цялостта в Съединените щати, преминавайки диагонално от Тексас до Мейн. Дитрих казва, че групата иска да планира по-големи усилия за повторение на експеримента, с евентуално дори по-точни резултати от Брунс през 2017 г., ако успеят да намалят несигурността поради въздушна турбуленция.

Поглеждайки назад към експеримента на Едингтън-Дайсън, Бери все още е удивен от значението на това, което екипите са правили преди 100 години.

Това беше експеримент, който трябваше да се направи, и наистина, наистина имаше значение. Ако просто проследите развитието на относителността и след това квантовата механика и нещата, които са последвали, каза Бери, нашият съвременен свят напълно зависи от случилите се тези неща.





^