Eddington eksperiment - Eddington experiment

Den 29. maj 1919 solformørkelse .

Den Eddington eksperiment var en observerende test af generelle relativitetsteori , arrangeret af de britiske astronomer Frank Watson Dyson og Arthur Stanley Eddington i 1919. Observationerne var af den totale solformørkelse den 29. maj 1919 og blev udført af to ekspeditioner, den ene til Vesten Den afrikanske ø Príncipe og den anden til den brasilianske by Sobral . Formålet med ekspeditionerne var at måle tyngdekraftens afbøjning af stjernelys, der passerer nær Solen. Værdien af ​​denne afbøjning var blevet forudsagt af Albert Einstein i et papir fra 1911 og var en af ​​de test, der blev foreslået for hans 1915 -teori om generel relativitet. Efter ekspeditionernes tilbagevenden blev resultaterne præsenteret af Eddington for Royal Society of London, og efter en del overvejelser blev de accepteret. Udbredt avisdækning af resultaterne førte til verdensomspændende berømmelse for Einstein og hans teorier.

Baggrund

Arthur Stanley Eddington, plumian professor i astronomi

En af de første overvejelser om gravitationsbøjning af lys blev offentliggjort i 1801, da Johann Georg von Soldner påpegede, at Newtons tyngdekraft forudsiger, at stjernelys vil blive afbøjet, når det passerer nær et massivt objekt. Indledningsvis havde Einstein i et papir, der blev offentliggjort i 1911, forkert beregnet, at mængden af ​​lysbøjning var den samme som den newtonske værdi. Der havde været planer fra et amerikansk team fra Lick Observatory om at måle nedbøjningsmængden ved at foretage observationer af en formørkelse i Brasilien i 1912, men dårligt vejr forhindrede observationer. Eddington havde deltaget i en britisk ekspedition til Brasilien for at observere formørkelsen i 1912, men var interesseret i forskellige målinger.

Selvom Einsteins hovedværk om generel relativitet først blev offentliggjort i 1915, var han inden da klar over, at hans beregning fra 1911 havde været forkert, og at den faktisk forudsagte effekt i den newtonianske model kun er halvdelen af ​​den værdi, der forudsiges af generel relativitet. Dette foreslog en mulig test for hans teori, og i 1913 bad Einstein George Ellery Hale om at foreslå en måde at opdage nedbøjning af lys fra en stjerne, da den passerede Solen. Hale foreslog, at dette kunne gøres under en total solformørkelse. Dette førte til en anden formørkelsesekspedition med tyske og amerikanske astronomer, der fandt sted i 1914. Den blev organiseret af Erwin Finlay-Freundlich , fra University of Berlin , hvor Einstein arbejdede dengang, og omfattede den amerikanske astronom William Wallace Campbell fra Lick -observatoriet . Ekspeditionen rejste til Krim for at observere formørkelsen den 21. august. Men den, Første Verdenskrig startede i juli samme år, og Tyskland erklærede krig mod Rusland den 1. august. De tyske astronomer blev enten tvunget til at vende hjem eller blev taget til fange af russerne. Selvom de amerikanske astronomer ikke blev tilbageholdt, forhindrede skyer observationer under formørkelsen. Et andet forsøg fra amerikanske astronomer til at måle effekten under formørkelsen i 1918 blev forhindret af skyer på et sted og af tvetydige resultater på grund af manglen på det korrekte udstyr på et andet.

Eddingtons interesse for generel relativitet begyndte i 1916, under første verdenskrig , da han læste papirer af Einstein (fremlagt i Berlin, Tyskland i 1915), som var blevet sendt af den neutrale hollandske fysiker Willem de Sitter til Royal Astronomical Society i Storbritannien . Eddington, der senere blev sagt at være en af ​​de få mennesker på det tidspunkt, der forstod teorien, indså dens betydning og foredrog om relativitet på et møde i British Association i 1916. Han understregede vigtigheden af ​​at teste teorien ved hjælp af metoder som formørkelsesobservationer af lysbøjning, og Astronomer Royal, Frank Watson Dyson begyndte at lægge planer for formørkelsen i maj 1919, hvilket ville være særligt velegnet til en sådan test. Eddington producerede også en større rapport om generel relativitet for Physical Society , udgivet som Report on the Relativity Theory of Gravitation (1918). Eddington holdt også foredrag om relativitet ved Cambridge University, hvor han havde været professor i astronomi siden 1913.

Krigstjeneste i Storbritannien blev indført i 1917. I en alder af 34 år var Eddington berettiget til at blive indkaldt til militæret, men hans fritagelse for dette blev opnået af hans universitet på grund af national interesse. Denne undtagelse blev senere appelleret af krigsministeriet, og ved en række høringer i juni og juli 1918 erklærede Eddington, der var kvæker , at han var en samvittighedsnægter , baseret på religiøse grunde. Ved den sidste høring støttede Astronom Royal, Frank Watson Dyson , undtagelsen ved at foreslå, at Eddington foretog en ekspedition for at observere den totale formørkelse i maj året efter for at teste Einsteins generelle relativitetsteori. Ankenævnet meddelte Eddington en forlængelse på tolv måneder. Selvom denne forlængelse blev fremskyndet ved underskrivelsen af våbenhvilen i november og afslutningen af ​​krigen, gik ekspeditionen som planlagt.

Teori

Einstein, modtager af Nobelprisen i fysik i 1921, dog ikke for sin udvikling af generel relativitet.

Teorien bag eksperimentet vedrører Solens forudsagte nedbøjning af lys. Den første observation af lys afbøjning blev udført ved at bemærke ændringen i stilling stjerner , da de passerede tæt på Solen på himmelkuglen . Den omtrentlige vinkelafbøjning δ φ for en masseløs partikel, der kommer ind fra uendeligt og går tilbage til uendeligt, er givet ved følgende formel:

Her kan b tolkes som afstanden til den nærmeste tilgang. Selvom denne formel er omtrentlig, er den nøjagtig for de fleste målinger af gravitationslinser på grund af lilleheden i forholdet r s /b . For let græsning af solens overflade er den omtrentlige vinkelafbøjning omtrent 1,75  buesekunder . Dette er to gange den værdi, der forudsiges ved beregninger ved hjælp af den newtonske tyngdekraftsteori. Det var denne forskel i afbøjningen mellem de to teorier, Eddingtons ekspedition og andre senere formørkelsesobservatører ville forsøge at observere.

Ekspeditioner og observationer

Sir Frank Watson Dyson, Royal Astronom

Formålet med ekspeditionerne var at drage fordel af Månens afskærmende effekt under en total solformørkelse og at bruge astrometri til at måle stjernernes positioner på himlen omkring Solen under formørkelsen. Disse stjerner, der normalt ikke er synlige i dagtimerne på grund af Solens lysstyrke, ville blive synlige i totaliteten, når månen dækkede solskiven. En forskel i stjernernes observerede position under formørkelsen i forhold til deres normale position om natten ville indikere, at lyset fra disse stjerner havde bøjet, da det passerede tæt på Solen. Dyson, da han planlagde ekspeditionen i 1916, havde valgt formørkelsen i 1919, fordi den ville finde sted med solen foran en lys gruppe af stjerner kaldet Hyades . Disse stjerners lysstyrke ville gøre det lettere at måle ændringer i position.

To hold på to personer skulle sendes for at foretage observationer af formørkelsen på to steder: den vestafrikanske ø Príncipe og den brasilianske by Sobral .

Príncipe -ekspeditionsmedlemmerne var Eddington og Edwin Turner Cottingham, fra Cambridge Observatory , mens Sobral -ekspeditionsmedlemmerne var Andrew Crommelin og Charles Rundle Davidson , fra Greenwich Observatory i London. Eddington var direktør for Cambridge Observatory, og Cottingham var en urmager, der arbejdede på observatoriets instrumenter. På samme måde var Crommelin assistent ved Greenwich Observatory, mens Davidson var en af ​​observatoriets computere .

Ekspeditionerne blev organiseret af Joint Permanent Eclipse Committee , et fælles udvalg mellem Royal Society og Royal Astronomical Society , ledet af Dyson, Astronomer Royal. Finansieringsansøgningen til ekspeditionen blev indgivet til regeringens tilskudsudvalg, hvor han bad om £ 100 for instrumenter og £ 1000 for rejse- og andre omkostninger.

Sobral

Formørkelsesinstrumenter i Sobral
Kort over totaliteten for formørkelsen

Sobral -udstyret omfattede en astrografisk linse fra Greenwich Observatory og en anden fra Royal Irish Academy .

Principe

Udstyret, der blev brugt til Principe -ekspeditionen, var en astrografisk linse lånt fra Radcliffe -observatoriet i Oxford. Eddington sejlede fra England i marts 1919. I midten af ​​maj fik han sit udstyr sat op på Principe, en ø i Guineabugten ud for Vestafrikas kyst, nær det dengang spanske Guinea . Formørkelsen skulle finde sted tidligt på eftermiddagen den 29. maj kl. 14, men den morgen var der storm med kraftig regn. Eddington skrev:

Regnen stoppede omkring middagstid og omkring 1.30 ... vi begyndte at få et glimt af solen. Vi var nødt til at udføre vores fotografier i tro. Jeg så ikke formørkelsen, da jeg havde for travlt med at skifte tallerkener, bortset fra et blik for at sikre, at den var begyndt og en anden halvvejs igennem for at se, hvor meget sky der var. Vi tog seksten fotografier. De er alle gode for solen og viser en meget bemærkelsesværdig fremtrædelse; men skyen har forstyrret stjernebillederne. De sidste par fotografier viser et par billeder, som jeg håber vil give os det, vi har brug for ...

Eddington udviklede fotografierne på Principe og forsøgte at måle ændringen i stjernernes positioner under formørkelsen. Den 3. juni, på trods af skyerne, der havde reduceret pladernes kvalitet, registrerede Eddington i sin notesbog: "... en plade, jeg målte, gav et resultat, der var enig med Einstein."

Resultater og offentliggørelse

JJ Thomson, formand for Royal Society , støttede Eddingtons konklusioner

Resultaterne blev annonceret på et møde i Royal Society i november 1919 og offentliggjort i Philosophical Transactions of the Royal Society i 1920. Efter ekspeditionens tilbagevenden talte Eddington til en middag holdt af Royal Astronomical Society og viste hans mere lethjertede side, sammensatte følgende vers, der parodierede stilen i Rubaiyat af Omar Khayyam :

Oh leave the Wise vores foranstaltninger til at samle
Én ting er i hvert fald sikkert, lys har vægt
En ting er sikkert, og resten debatterer
Lysstråler, når de er nær solen, går ikke lige.

-  Arthur Stanley Eddington , RAS -middag

Umiddelbar påvirkning

The New York Times i november 10 , 1919 , berettede om Einsteins bekræftet forudsigelse

Resultatet blev betragtet som en spektakulær nyhed og kom på forsiden af ​​de fleste store aviser. Det gjorde Einstein og hans teori om generel relativitetsteori verdensberømt. Einstein er blevet citeret for at beskrive, hvad hans reaktion ville have været, hvis generel relativitet ikke var blevet bekræftet af Eddington og Dyson i 1919: "Så ville jeg have ondt af den kære Herre. Teorien er alligevel korrekt."

Senere forskning

Selvom Eddington -eksperimentet og offentliggørelsen af ​​dets resultater havde en umiddelbar indvirkning i den populære presse, var det verdensomspændende videnskabelige samfunds accept mindre hurtig. Forståelsen af ​​generel relativitet blandt andre videnskabsmænd var stadig dårlig, og i løbet af 1920'erne skepsis over for teorien og resultaterne fortsatte, indtil nye formørkelsesobservationer og andre relativitetstest afgjort sagen.

Lysbøjningsmålingerne blev gentaget af ekspeditioner, der observerede solformørkelsen 21. september 1922 i Australien . En vigtig rolle i dette blev spillet af Lick Observatory og Mount Wilson Observatory , begge i Californien, USA. Den 12. april 1923 meddelte William Wallace Campbell , at de nye resultater bekræftede Einsteins relativitetsteori med målinger fra over 100 stjerner.

I de post-newtoniske tyngdekraftstest parametrerer den parametrerede post-newtoniske formalisme alle mulige afvigelser fra Newtons lov om universel gravitation i form af ti justerbare parametre. De tidligste parameteriseringer af den post-newtoniske tilnærmelse blev udført af Eddington (1922). Parameteren, der vedrører mængden af ​​lysets afbøjning af en gravitationskilde, er den såkaldte Eddington-parameter (γ). Det er den bedst begrænsede af de ti post-newtoniske parametre.

Kritik og arv

Den tidlige nøjagtighed af formørkelsesmålinger var imidlertid dårlig. Dyson et al. citerede en optimistisk lav usikkerhed i deres måling, som af nogle hævdes at have været plaget af systematiske fejl og muligvis bekræftelseskrævninger , selvom moderne genanalyse af datasættet tyder på, at Eddingtons analyse var nøjagtig.

I 1801 havde Johann Georg von Soldner påpeget, at Newtonsk tyngdekraft forudsiger, at stjernelys vil bøje omkring et massivt objekt, men den forudsagte effekt er kun halvdelen af ​​den værdi, der forudsiges af generel relativitet som beregnet af Einstein i hans papir fra 1911. Resultaterne fra Soldner blev genoplivet af nobelpristageren Philipp Lenard i et forsøg på at miskreditere Einstein. Eddington havde i 1919 været opmærksom på de alternative forudsigelser. Betydelig usikkerhed forblev i disse målinger i næsten halvtreds år, indtil observationer begyndte at blive foretaget ved radiofrekvenser . Det var først i slutningen af ​​1960'erne, at det endeligt blev vist, at nedbøjningsmængden var den fulde værdi, der forudsiges af generel relativitet, og ikke halvdelen af ​​dette tal.

Se også

Referencer

Kilder og videre læsning

eksterne links