Ko se je južno nebo zatemnilo nad zahodnim Oregonom, so se tri alpa Richarda Berryja umaknila v svoj skedenj. Zatemnitev dnevne svetlobe in majhna množica, ki se je zbrala na kmetiji Berry - jate nepovratnih brisač s kartonskimi sončnimi očali in brezpilotnimi brezpilotnimi letali - so živali poudarile. Medtem sta luna in sonce izvajala redek nebesni balet nad glavami.
21. avgusta 2017 je prišlo do prvega popolnega Sončevega mrka, ki je popestril obe obali celinskih ZDA v 99 letih. Toda Berry, ljubiteljski astronom in nekdanji glavni urednik revije Astronomy, ter skupina študentov iz Portland Community College niso bili samo tam, da bi uživali v razgledu. Pripravili so svoje teleskope in opremo za fotoaparate, da bi ponovili najslavnejši eksperiment mrka vseh časov, prvi uspešen test splošne teorije relativnosti Alberta Einsteina. Skoraj sto let pred velikim ameriškim mrkom sta se dve ekipi astronomov odpravili na oddaljene obale, da bi opazovali mrk, ki bi prepričal skeptični svet, da so teorije Isaaca Newtona o gravitaciji napačne.
Ena od posledic Einsteinove teorije, ki je bila prvič objavljena leta 1915, je, da ogromni nebesni predmeti, kot je sonce, upogibajo tkanino vesoljskega časa okoli sebe - tako je Einstein razložil težo gravitacije. Ta teorija astrofizike se zelo razlikuje od Newtonove ideje o gravitaciji kot privlačni sili, ki jo izvaja vsa materija. Po Einsteinu je vsaka svetloba, ki potuje v bližini masivnega predmeta, upognjena skupaj s vesoljem. V zgodnjem 20. stoletju je Einstein iznašel način, kako prikazati to navidezno nesmiselno teorijo z uporabo popolnega sončnega mrka.
Einstein je izziv postavil na naslednji način: Začrtajte položaje zvezd okoli sonca v celoti, tiste dragocene trenutke, ko sonce direktno svetlobo popolnoma blokira luna, kar omogoča, da se zvezde v ozadju vidijo. In opazujte iste zvezde, ko ni mrka. Če bi bila njegova splošna teorija razmeroma pravilna, bi se v položajih teh zvezd nekoliko razlikovala - sprememba, ki je človeškemu očesu nevidna, vendar je zaznana s finim merjenjem.
Leta 1919 sta angleška astronoma Arthur Eddington in Frank Dyson organizirala ekspedicije na otok Principe ob zahodni obali Afrike oziroma v Sobral v Braziliji, da bi preverila, ali ima Einstein prav. Usodni dan je bil 29. maja. Ko bodo objavili svoje rezultate, svet nikoli ne bi bil enak - ali vsaj naše razumevanje tega.
Arthur Eddington (levo) in Frank Dyson (desno). (Javna domena) Leta 2017 je Toby Dittrich, profesor fizike na Portland Community College, koordiniral ducat opazovalnih skupin, vključno z Berryjevim, dva svoja študenta poslal na kmetijo alpake in druge na goro v Oregonu, da bi videl, če bi lahko naredili vsaj tako dobro, kot Eddington in Dyson.
Obe prizadevanji sta se morali spoprijeti s tehničnimi izzivi in neugodnimi vremenskimi razmerami, saj bi vedeli, da bo priložnost za opazovanje popolnosti minljiva.
Leta 1919 so imeli astronomi razkošno več kot pet minut popolnosti. Leta 2017 je celotna faza mrka ameriškim gledalcem trajala le približno dve minuti. Menjanje oblakov ali vetra bi lahko uničilo opažanja v tistih dragocenih trenutkih - v resnici je oblačni pokrov uničil test relativnosti med celotnim Sončevim mrkom leta 1918 v ZDA.
Don Bruns, amaterski astronom, nameščen v Casperju v Wyomingu za mrk leta 2017 in usklajen z Dittrichovim prizadevanjem, je bil deloma navdihnjen s štirimi neuspešnimi poskusi ponovitve poskusa Eddington-Dyson med letoma 1936 in 1954.
"S tem pustim astronomom, da počivajo v miru, " pravi Bruns.
**********
Eddington in Dysonovo strokovno znanje sta se dobro prilagodila tej nalogi preganjanja mrka. Dyson je bil angleški astronom Royal Astronomer in je vodil Royal Observatory v Greenwichu. Eddington je vodil observatorij Cambridge in tudi sam si je v teoriji podelil ime, s katerim je pokazal, da je sonce sposobno obstajati, kot ga poznamo, namesto da se zruši pod svojo težo, ker svetloba sama izvaja zunanji pritisk.
Na tej sliki je prikazan bliskovni spekter sončeve kromosfere, drugi zgornji sloj sončeve atmosfere, v času popolnega mrka 21. avgusta 2017 nad Oregonom. Slika zajema mrk na vsaki valovni dolžini svetlobe, ki jo oddajajo atomi v kromosferi. Na primer, vodikovi atomi, ki oddajajo svetlobo na valovni dolžini "alfa alfa", ustvarijo rdečo barvo svetlobe na desni, medtem ko atomi kalcija na levi ustvarijo vijolično. (Richard Berry / Observatorij Alpaca Meadows) Napor Principe, nameščen na zasaditvi kakava na severozahodu afriškega otoka, sta izvedla Eddington in Edwin Cottingham. Duo je uporabljal večinoma izposojeno opremo Oserfordskega observatorija v Oxfordu, saj Eddingtonova opazovalnica v Cambridgeu ni bila specializirana za mrke, po novi knjigi Daniela Kennefickovega No Shadow of Doubt: Eclipse 1919, ki je potrdila Einsteinovo teorijo relativnosti .
Eddington je vse podatke iz svoje odprave verjetno opravil osebno, čeprav ni bilo zapisov, ki jih je ustvaril med potjo - niti originalnih fotografskih plošč, ki so sčasoma izginile. Po poročanju astrofizika Subrahmanyana Chandrasekharja iz prve roke je Dyson povedal Cottinghamu, da če bi Eddington opazil količino odklona, dvakrat večjo od tistega, kar je Einstein predvidel, - bizaren rezultat, ki ga ne predvidevajo niti Einstein niti Newtonov okvir: domov moram sam. "
Medtem pa Dyson dejansko ni zapustil Anglije. V Sobral v Braziliji je poslal dva člana svojega osebja, Charlesa Davidsona in Andrewa Crommelina, ter nekaj opreme iz svojega observatorija. Ko so se vrnili, je Dyson usmeril analizo podatkov ekipe in pri končnem poročilu sodeloval z Eddingtonom.
Vsaka ekipa iz leta 1919 se je morala vrniti z dvema kritičnima podatkoma, kodiranima na steklenih ploščah. Vsaj ena plošča bi bila posneta v celoti, druga pa je bila narejena ponoči z istimi zvezdami na nebu, v ospredju pa ne sonce in luna. Tudi če bi bilo to dobro opravljeno, bi imel človek, ki analizira plošče, pravi izziv.
"Zvezde so seveda izgledale kot majhni krogi na ploščah, " pravi Kennefick. "Izkaže se, da je sprememba položaja pravzaprav manjša od velikosti kroga. Torej je treba narediti zelo, zelo fino meritev. To je zelo težko izmeriti. "
Na srečo se je Dyson preživljal s tovrstnimi opazovanji. Njegovo običajno delo je vključevalo natančno preučevanje zvezdnih položajev in preučevanje majhnih sprememb. Uporabil je majhno napravo, imenovano mikrometrski vijak, ki se je premikala po plošči od ene točke do druge in merila razdaljo med predmeti.
Na dan mrka iz leta 1919 so imeli srečo, ker je bilo sonce blizu zelo svetle skupine zvezd, imenovane Hyades, ki jo je Eddington imenoval "daleč najboljše zvezdno polje, ki ga je srečalo." Njihova svetlost bi jim olajšala opazovanje na teleskopski plošči kot nežnejše zvezde, ki bi se lahko izgubile v bleščanju zunanjega območja sončne atmosfere, imenovanega korona. (Ta pregreta plazma je vidna s prostim očesom le med popolnim Sončevim mrkom, ko se zdi, da sveti okoli zakrknjenega sonca.)
Kopijsko tablico ekspedicijske plošče Dyson iz leta 1919 z oznakami je, kot verjame, izdelala Dysonova skupina. (Inštitut Niels Bohr, Univerza v Københavnu) Čeprav se je dvostranski eksperiment izkazal za uspešnega, oba pa sta se približala Einsteinovi napovedi glede količine odklona, ni šlo brez polemike. Eden od dveh teleskopov v Sobralni odpravi je izdelal plošče dvomljivega videza, z zvezdami, ki so bile bolj podobne madežem kot krogi. Zdi se, da je Dyson poklical, naj podatke vrže ven, nekateri zgodovinarji pa se sprašujejo, ali se je skupina Eddington-Dyson tako upal dokazati Einsteinu, da so nepravilno vrgli podatke, ki se niso strinjali.
Toda Kennefick pravi, da je malo verjetno, da bi Dyson ogrozil rezultate. Eddington je bil znanstvenik, ki je glasno podpiral Einsteinove napovedi pred izvedbo eksperimenta in ni imel ničesar z metanjem Sobral plošč.
"V znanosti ali življenju je redko, da smo popolnoma nevtralni, " piše Kennefick. "Kazniti Eddingtona, da je iskren v izražanju svojih preferenc, je zgolj zahtevanje, da znanstveniki nepošteno zatretijo svoja stališča."
**********
Einstein se ni zdel pretirano zaskrbljen, da bo njegova takratna nišna teorija končno preizkušena. Nekateri so celo namigovali, da je pretihotapil celoten posel, tako prepričan v svojo teorijo, da ni bil niti najmanj nervozen zaradi tega, kaj bi se našle odprave leta 1919.
"Znani znanstveniki so mu rekli:" Ne morem res verjeti, kako umirjeni ste bili glede tega, "pravi Kennefick. "Bili so:" O moj bog, to je neverjetno. " In rekel je: "Ja, vedel sem."
Fotografija Alberta Einsteina iz leta 1921. (Univerzalni arhiv zgodovine / UIG prek Getty Images) Toda kljub pomanjkanju dvoma Einsteina je želel, da bi poskus izvedli. Že leta 1911 je pisal drugim astronomom, da bi lahko izvedli tovrstni poskus mrka, in dejavno zbiral denar za to. Leta 1914 je financiral ekspedicijo nemškega astronoma Erwina Freundlicha na Krim, da bi naredil opazke mrka, ki bi jih Eddington na koncu naredil, vendar je Freundlichova pot doživela slabo usodo. Nadvojvoda Franz Ferdinand je bil umorjen, ko je Freundlich prečkal Rusijo, izbruhnila je prva svetovna vojna, astronomi pa so ga carski možje aretirali, njegova oprema je bila zaplenjena.
**********
Fizik in filozof Ilse Rosenthal-Schneider naj bi bil z Einsteinom tik potem, ko je septembra 1919 prejel telegram z novico, da je poskus Eddington-Dyson potrdil njegove napovedi. Napisala je, da se mu zdi Einstein vesel, a ne ekstatičen, in njegovo pomanjkanje navdušenja jo je presenetilo.
"Torej, rekla je:" No, kaj bi rekel, če bi teorija našla proti tebi? Bi bili v tem primeru razočarani? "" Pravi Kennefick. "In [Einstein] se je nasmehnil in rekel:" No, potem bi mi bilo žal dragega gospoda, ker je teorija pravilna. "
Rezultati so bili uradno predstavljeni na sestanku Royal Society v Londonu 6. novembra 1919, s čimer je Einstein potegnil svetovno slavo. Po pripovedovanju matematika Alfreda North Whiteheada: "Celotno ozračje napetega zanimanja je bilo ravno v grški drami: Zbor smo komentirali odlok o usodi, razkrit v razvoju vrhovnega incidenta. V tej uprizoritvi je bila dramatična kakovost - tradicionalna slovesnost, v ozadju pa slika Newtona, ki nas opominja, da je največja ceremonialna posplošitev zdaj, po več kot dveh stoletjih, dobila svojo prvo spremembo. "
Ta pogled, sestavljen iz 23 posameznih zloženih slik, prikazuje 42 zvezdic, obkrožene v rumeni barvi, okoli sonca v celoti. Lunin obraz je viden zaradi "zemeljskega sijaja" - sončne svetlobe, ki jo odseva Zemlja - in nato odbija od lune. Veliki prstani prikazujejo zajeto korono v različnih časih izpostavljenosti. (Richard Berry / Observatorij Alpaca Meadows) Leta 1922 pa je prišlo do še enega sončnega mrka, ki je drugim omogočil, da potrdijo rezultate Eddingtona in Dysona. Seveda so se leta 1919 astronomi »navdušili. Bili so srečni. Napali so jih. Toda cenili so [lahko] to preverili čez tri leta, «pravi Kennefick. "Nima smisla tri leta postavljati šampanjca na led."
Za tisti mrk iz leta 1922 je skupina iz kalifornijskega observatorija Lick opravila nadaljnji poskus in dobila rezultate, ki so bili tesno usklajeni z Eddingtonovim in Dysonovim, toda do takrat je bil Einstein že dobro slaven. (Tudi Dyson je poskusil ponoviti poskus, toda njegov pogled je bil zamegljen.)
**********
Nobeno strokovno prizadevanje ni poskušalo ponoviti poskusa Eddington-Dyson od leta 1973, saj mrki niso več potrebni za merjenje odklona sončne svetlobe, ki ga je Einstein predvidel. Radioteleskopi so na primer znanstvenikom v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja omogočili, da so podnevi brez pomoči opazovali sonce, ki se upogiba s kvazarji - super svetla galaktična jedra, vsaka sestavljena iz velikanske črne luknje, obkrožene z diskom, ki oddaja ogromne količine energije. mrka.
Večina ducatov ljubiteljskih skupin Dittrich se je v letu 2017 uskladila, da bi ponovila različico eksperimenta za mrk v zgodnjem 20. stoletju, izvedela je, koliko načinov lahko skozi posamezen poskus poskusi. Na desetih mestih so imeli udeleženci težave z opremo, na primer z napajanjem in prekomerno izpostavljenostjo ali atmosferskimi turbulencami, zato niso dobili uporabnih podatkov. Ena skupina je v kritičnem trenutku po nesreči brcala stativ teleskopa. Te napake poudarjajo, kako srečne so bile obe odpravi iz leta 1919, da so med celoto ujeli kakršne koli uporabne zvezde.
Študenti Berry in študentje Portland Community College sta bili ena od dveh uspešnih skupin v sodelovanju na 12 mestih. In potem je bil še Don Bruns, tisti amaterski astronom, pripravljen na akcijo v Casperju v Wyomingu. Na svoja opažanja se je pripravljal več kot leto dni in vedno znova vadil tiste ključne minute popolnosti. S svojimi pripombami je bil "izjemno uspešen", pravi Dittrich.
Amaterski astronomi, ki se pripravljajo na opazovanje popolnega Sončevega mrka v letu 2017. Levo proti desni: Abraham Salazar (študent), Jacob Sharkansky (študent), Richard Berry (astronomski amater), Steve Pinkston (študent) in Toby Dittrich (profesor). (Avtor dovoljenja Richard Berry) Podatki iz Eddingtonove odprave Principe so prevedli v svetlobni odklon 1, 6 arsekunde - kotno merjenje oddaljenosti čez nebo -, medtem ko so plošče Dysonove posadke v Sobralu predlagale 1, 98 arcesekunde in mejo negotovosti približno 30 odstotkov. Leta 2017 je Bruns, upokojeni optični fizik, posnel slike, ki so jih prevedli v točno toliko, kot bi Einstein predvidel - odklon 1.7512 arcsekund - z negotovostjo, povezano z atmosferskimi turbulencami, le za tri odstotke.
Za svoje delo na tem prizadevanju je Bruns dobil nagrado ameriškega astronomskega društva Chambliss Amateur Achievement Award. Njegovi rezultati so bili objavljeni v reviji Classical and Quantum Gravity.
Berry, Bruns in Dittrich se že veselijo leta 2024, ko bo naslednjič popolni sončni mrk prinesel čarobnost popolnosti v ZDA, ki diagonalno teče od Teksasa do Maineja. Dittrich pravi, da si želi skupina večjih naporov ponoviti poskus, pri čemer bodo morda celo bolj natančni rezultati kot Bruns leta 2017, če lahko zmanjšajo negotovost zaradi zračnih turbulenc.
Če pogledamo nazaj na eksperiment Eddington-Dyson, Berryja še vedno osupne pomen tega, kar so ekipe naredile pred 100 leti.
"To je bil eksperiment, ki ga je bilo treba izvesti, in res je resnično naredil pomen. Če samo spremljate razvoj relativnosti in nato kvantno mehaniko in stvari, ki so sledile, "je dejal Berry, " je naš sodobni svet popolnoma odvisen od tega, kar se je zgodilo. "
