Kaip saulės užtemimas padarė Einšteino žvaigždę

Kaip saulės užtemimas padarė Einšteino žvaigždę

Artem Коржманов,
Cand. Fiz. Mat. Sci., Darbuotojas Taikomosios fizikos instituto anksčiau, populiariosios mokslo žurnalo physh.ru autorius
"Trejybės pasirinkimas" № 18 (237), rugsėjo 12 d. 2017 m

Artyom Korzhimanov

1919 m. Lapkričio 7 d. Londonas Times išėjo su kritikuojančiomis antraštėmis "Revolution in Science", "Naujoji visatos teorija", "Niutono idėjos, išmestos į sąvartyną". Šią akimirką galima laikyti oficialiu naujojo pasaulio pradžia. Pasaulis, kuriame nebuvo absoliutaus laiko ir absoliučios erdvės.

Antraštėse buvo naujienos apie garsų atradimą, padarytą remiantis 1919 m. Gegužės mėn. Saulės užtemimo stebėjimais. Tada buvo nustatyta, kad Saulės jėga nukreipė šviesos spindulius iš tiesios linijos trajektorijos, o šio nuokrypio dydį teisingai numatė bendroji reliatyvumo teorija, kurią neseniai suformulavo Albertas Einšteinas ir kuris neatitinka klasikinės Niutono teorijos. Vien per naktį Einšteinas su savo neįprastomis sąvokomis ir neįperkama matematika tapo tarptautine garsenybe.

Visa tai ilgą laiką šviesos gravitacinio deformacijos matavimo tikslumas išliko žemas: jis buvo nurodytas įvairiuose darbuosekad matuojamas nuokrypis yra ketvirtadalis mažesnis už Einšteino teorijoje numatytą, o priešingai – pusantro karto daugiau. Ir netgi išsprendus Mercury perihelio mįstelį, suformuluotą jau 1850-aisiais, skeptikai neįtikino. Kitų eksperimentinių įrodymų, skirtų reliatyvumo teorijai, nebuvimas lėmė tai, kad 20-ajame dešimtmetyje susidomėjimas juo palaipsniui mažėjo.

Bendrosios reliatyvumo teorijos renesansas prasidėjo 1960-aisiais. Astronominių stebėjimų skaičiaus ir tikslumo augimas, taip pat spartus kosmologijos susidomėjimo augimas lėmė tai, kad Einšteino teorija tapo šiuolaikinės astrofizikos kertiniu akmeniu. Dabar šviesos gravitacinio deformacijos teorijos prognozės išbandomos iki artimiausių šimtųjų procentų. Ir jo pasekmė – gravitacinis lęšis – buvo vienas iš standartinių ir plačiai naudojamų astronomijos metodų.

Fotografijos plokštė. Eclipse 1919 m. Gegužės 29 d., Brazilija. Iš A. Eddingtono pranešimo

Kai Einšteinas suvokė gravitacijos ir inercijos lygiavertiškumą, jis suprato, kad gravitacija turi nukreipti šviesos spindulius. 1911 m. Jis apskaičiavo, kad šviesos spinduliuotės, nukreiptos palei liestą, nukrypimas nuo saulės paviršiaus turėtų būti 0,875 kampo sekundės.Tada Einšteinas pasiūlė šį nuokrypį matuoti per visą saulės užtemimą, kai bus matomos žvaigždės, esančios netoli Saulės. Jei jų šviesa nukrypsta nuo saulės, atrodo, kad žvaigždė yra perkelta, palyginti su įprasta padėtimi.

Pirmieji bandymai patikrinti šį teiginį buvo pradėti dar 1914 m. Rugpjūčio 21 d. Keletas ekspedicijų iš karto vyko į Krymo krantus. Jų planus trukdė I pasaulinio karo pradžia ir blogas oras. Dėl karo Rusijos valdžios institucijos išsiųsdavo daugumą astronomų namuose, netgi suėmė kažką, o įranga daugiausia buvo laikinai konfiskuota. Dėl oro, užtemimas vis dar nebuvo prieinamas stebėjimui.

1915 m. Lapkritį Einšteinas, kuris ką tik baigė bendrą reliatyvumo teoriją ir suprato jo sudėtingą matematiką, suprato, kad šviesos nukrypimas iš tiesų turi būti du kartus didesnis nei anksčiau apskaičiuotas. Šiuolaikiniu požiūriu šis dvigubėjimas yra tai, kad Einšteinas iš pradžių neatsižvelgė į erdvės kreivumą netoli saulės, kurią sukėlė jos sunkio jėga. Pusiausvyrą galima gauti iš grynos Niutono gravitacijos teorijos, o iš tiesų Einšteinas nebuvo pirmasis, kuris jį apskaičiavo.1784 m. "Šviesos Niutonio nuokrypis" buvo apskaičiuotas Henriko Cavendisho, o 1803 m. Johanas fon Zoldneris jį savarankiškai nustatė.

Arthur Eddington

Kad ir kaip būtų, naujas rezultatas reiškia, kad poveikis turėtų būti stipresnis nei anksčiau, ir todėl jį lengviau išmatuoti. Vyras, kuris įsipareigojo atlikti reikiamas pastabas, buvo Arthur Eddington (Arthur Eddington).

Pirmajame pasaulyje Eddingtonas buvo Kembridžo profesorius ir vienas iš pirmaujančių jo laikų astronomijos specialistų. Dėl karo buvo nutraukti moksliniai ryšiai tarp Vokietijos, kurioje paskelbta Einšteina, ir Didžioji Britanija, kur dirbo Eddingtonas, tačiau olandų kosmologas Willem de Sitter sugebėjo nukreipti į Kembridžą keletą straipsnių, kuriuose aprašyta nauja gravitacijos teorija.

1917 m. Arthur Eddington parengė išsamų pranešimą apie Einšteino teoriją ir jo išvadas. Jis pristatė pranešimą Londono fizinei draugijai ir pradėjo pasiruošimą stebėti saulės užtemimą. Eddingtonui padėjo astronomas Frankas Dysonas (Frank W. Dyson), kuris, matyt, buvo pirmasis suprasti, kad 1919 m. Gegužės 29 d. Užtemimas būtų viena iš geriausių galimybių išbandyti Einšteino teoriją,nes saulė bus ant kelių ryškių žvaigždžių, kurių padėtį bus palyginti lengva išmatuoti.

Ekspedicijai Britanijos vyriausybė skyrė 1000 svarų sterlingų. Tuo metu karo rezultatas vis dar buvo neaiškus ir kilo pavojus, kad Eddingtonas bus įformintas į kariuomenę. Kaip kvarkeris, jis buvo paleistas iš karo tarnybos. Tačiau kariuomenei reikėjo karių, o Gynybos ministerija pateikė ieškinį dėl šio išleidimo panaikinimo. Po trijų teismo posėdžių ir paskutinės minutės apeliacijos iš Dysono spaudai buvo dar pratęstas iki 1918 m. Liepos 11 d .; tai įvyko tik savaitę iki pagrindinio karo momento – antrojo Marne mūšio. Tai juokinga, kad taikos mokslininkas buvo paleistas iš karo tarnybos, kad galėtų išbandyti priešiškos šalies mokslininkų sukurtą teoriją.

Praėjus keturiems mėnesiams po karo pabaigos, 1919 m. Kovo 8 d., Dvi britų ekspedicijos iškart prasidėjo. Eddingtonas nuvyko į Principe salą prie šiuolaikinės Pusiaujo Gvinėjos pakrantės ir astronomą Andrew Crommelin (Andrew Crommelin) – Sobralo mieste Šiaurės Brazilijoje.

Eksperimento idėja buvo paprasta.Uždegimo metu, kai mėnulis visiškai užsičia saulę, atsiranda žvaigždžių danga šalia jo. Naudodami teleskopą ir fotografavimo plokštes, astronomai fotografuoja Saulę, paslėptą Mėnulio ir gretimų žvaigždžių. Tada vaizdai lyginami su tos pačios dalies dangaus nuotraukomis, gautomis kelis mėnesius iki arba po užtemimo, kai saulė yra visiškai kitoje dangaus dalyje. Šviesos spindulių nukrypimo ženklas – tai žvaigždžių, esančių šalia Saulės, nuotraukos, paimtos per užtemimą, matomoje padėtyje, atsižvelgiant į žvaigždutes, esančias toli nuo jo.

Pagrindinis klaidų šaltinis buvo natūralus oro sūkurys. Esant nuolatiniam judesiui, atmosfera sukelia nekontroliuojamus iškraipymus akivaizdoje žvaigždžių padėtyje. Siekiant sumažinti šio atsitiktinio faktoriaus įtaką, buvo planuojama nufotografuoti keletą nuotraukų, kurios vėliau galėtų būti vidurkomos.

Taip pat svarbu, kad dangus liktų aiškus. Tačiau dieną stebėjimų rajone, kuriame buvo Eddingtonas, prasidėjo audra. Laimei, kai jis pradėjo prarasti vilties pamatyti žvaigždžių šviesą, oras nuramino, o kai užtemimas prasidėjo, atrodė saulė.Nepaisant to, iš 16 fotografuotų nuotraukų tik du buvo tinkami analizei. Iš viso jie buvo matomi tik penkių žvaigždučių.

Albertas Einšteinas, 1920 m

Vis dėlto tai pakanka pasakyti, lyginant su vaizdais, iš anksto pateiktais Oksfordo universitete, kad šviesos spindulių nukrypimas buvo 1,60 ± 0,31 lanko sekundės arba 0,91 ± 0,18 nuo Einšteino numatytos vertės. Sobralo ekspedicija neturėjo jokių problemų su oru, bet, kita vertus, vienas iš dviejų teleskopų, su kuriuo buvo atliktos pastabos, paskutinį momentą prarado dėmesį, tariamai dėl saulės spindulių. Likęs įrankis, astronomai padarė aštuoni geri šūviai, kurie buvo pažymėti septynių žvaigždžių pozicija. Pasak jų, išmatuotas nukrypimas buvo 1,98 ± 0,12 lanko-sekundės, arba 1,13 ± 0,07 nuo Einšteino vertės.

Prieš tai Einšteinas paprastai buvo mažai žinomas teorinis fizikas. Jis buvo gerai žinomas ir gerbiamas siauruose Europos mokslo bendruomenės ratuose ir ne daugiau. Tačiau po Eddingtono ekspedicijos rezultatų buvo paskelbta Karališkosios mokslinės draugijos susitikime 1919 m. Lapkričio 6 d., Jis prabudau kaip pasaulio žvaigždė.

Tačiau ši šlovė ne visada buvo vienareikšmė.Taigi, 1920 m. Paul Weiland surengė viešą svarstymą, kuriame Einšteinas ir jo teorijos buvo pasmerkti. Tuo pačiu metu Nobelio premijos laureatas Philippas Lenardas paskelbė Zoldnerio straipsnį 1803 m., Kaltinamas Einšteinu plagiarizuojant tikro arijos mokslininko idėjas. Šie išpuoliai daugeliu atžvilgių buvo antisemitiniai; tada reliatyvumo teorija dažnai vadinama "žydų mokslu". Tačiau, jų nuomone, dauguma Vokietijos ne žydų fizikų nepalaiko šių nuomonių, nepaisant nacių įtakos augimo. Nacių atėjimas į valdžią privertė Einšteino, kaip ir daugelio kitų žydų, emigruoti, o antirelativizmo retorika nustojo būti svarbi ir apskritai prarasta.

Tuo pat metu Eddingtono rezultatai iškėlė klausimų. Matavimų tikslumas dar nebuvo pernelyg didelis, o daugelis mokslininkų išreiškė abejonių, kad jie yra patikimi Einšteino teorijos įrodymai. Kai kurie įtaria Eddingtoną, kuris buvo gerai žinomas bendrosios reliatyvumo teorijos šalininkas, ir sugadino duomenis. Tačiau nepriklausoma atliktų fotografinių plokščių analizė, atlikta pirmą kartą 1923 m., Tada 1956 m., O vėliau ir 1979 m. [1] naudojant sudėtingesnes priemones ir metodus, davė tokius pačius rezultatus, kai buvo mažiau matavimo klaidų.Tai leidžia šiuolaikiniams mokslo istorikams teigti, kad Eddingtonui [2] nebuvo apgaulės – nei atsitiktinio, nei ypač apgalvoto.

Ir, žinoma, Eddingtonas nebuvo vienintelis, kuris ėmėsi matavimų, nors jo eksperimentas tapo labiausiai žinomu. Kitas tinkamas užtemimas įvyko jau 1922 m. Australijoje. Jį stebėjo septynios skirtingos komandos, tačiau tik trims iš jų pasisekė gauti rezultatus, o tie, kurie pasirodė teigiami Einšteino teorijai.

Kitos panašios pastabos buvo atliktos 1929 m., 1939 m., 1947 m., 1952 m. Ir 1973 m. Kiekvieną kartą rezultatai sutapo su bendrosios reliatyvumo teorijos prognozėmis, nors, teisingai, matavimų tikslumas praktiškai nepadidėjo. Net jau gerai išvystytos 1970-ųjų technologijos suteikė tik 0,95 ± 0,11 Einšteino vertės [3, 4].

Žymiai padidintas tikslumas buvo įmanomas tik radijo astronomijos metodų kūrimui, ypač radijo interferometrijai su labai ilgu pagrindu – kai keli teleskopai, esantys priešingi Žemės kraštai, kartu veikia, todėl žymiai padidėja matavimo tikslumas.Šis metodas leido iki 2010 m. Nustatyti, kad Saulė radijo signalo (kuris, kaip šviesa, yra elektromagnetinė banga ir atitinka tuos pačius įstatymus) nuokrypis skiriasi nuo Einšteino teorijos prognozės ne daugiau kaip 0,02% [5].

Taigi dabar bendra teorija apie reliatyvumą yra ne tik visuotinai pripažinta gravitacijos teorija, bet ir įtikinamų eksperimentinių įrodymų. Ir šviesos deformacijos fenomenas iš masyvių objektų iš teorijos tikrinimo metodo tapo naujų žinių gavimo metodu. Dėl šio poveikio žvaigždės gali veikti kaip objektyvai, už kurių yra už objektų. Toks gravitacinis objektyvas leidžia užfiksuoti labai nutolusių objektų vaizdus, ​​pvz., Prieš pusę milijardus metų egzistuojančių kvazarų ir galaktikų, arba aptikti ekspozicijas, kurios orbituoja aplink šias žvaigždes dėl to, kad jie iškraipo objektyvą.

Rengiant pastabą buvo naudojamas straipsnis [6], kuriame galima rasti daugiau nuorodų į originalius kūrinius.


1. Harvey G. M. Gravitacinė šviesos deformacija // Observatorija. 1979. Vol. 99, p. 195-198.
2. Kennefick D. Testavimo reliatyvumas nuo 1919 m. Užtemimo – klausimas apie šališkumą // Fizika šiandien. 2009. Vol. 62, No. 3, p. 37-42.
3. Brune R. A. Jr., Cobb C. L., Dewitt B.S. ir kt. Gravitacinė šviesos deformacija: 1973 m. Birželio 30 d. Saulės užtemimas I. Procedūrų apibūdinimas ir galutinis rezultatas // Astronomijos žurnalas. 1976. Vol. 81, p. 452-454.
4. Jonesas B. F.Gravitacinė šviesos deformacija: 1973 m. Birželio 30 d. Saulės užtemimas II. Plokštelės sumažinimas Astronomijos žurnalas. 1976. Vol. 81, p. 455-463.
5. Lambert S. B., Le Poncin-Lafitte C. Reliatyvizmo parametro nustatymas, naudojant labai didelę bazinę interferometriją // Astronomija ir astrofizika. 2009. Vol. 499, p. 331-335. arxiv: 0903.1615
6. Will C. M. 1919 m. Šviesos deformacijos matavimas // Klasikinė ir kvantinė gravitacija. 2015 m. Tomas. 32 str. Nr 124001. arxiv: 1409.7812.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: