Эксперимент Эддингтона был наблюдательной проверкой общей теории относительности , организованной британскими астрономами Фрэнком Уотсоном Дайсоном и Артуром Стэнли Эддингтоном в 1919 году. Наблюдения были за полным солнечным затмением 29 мая 1919 года и проводились двумя экспедициями, одной на западноафриканский остров Принсипи , а другой в бразильский город Собрал . Целью экспедиций было измерение гравитационного отклонения звездного света, проходящего вблизи Солнца . [1] Значение этого отклонения было предсказано Альбертом Эйнштейном в статье 1911 года; однако это первоначальное предсказание оказалось неверным, поскольку оно основывалось на неполной теории общей теории относительности. Позже Эйнштейн улучшил свое предсказание после завершения своей теории в 1915 году и получения решения своих уравнений Карлом Шварцшильдом . После возвращения экспедиций результаты были представлены Эддингтоном Лондонскому королевскому обществу [2] и, после некоторых раздумий, были приняты. Широкое освещение результатов в газетах привело к всемирной известности Эйнштейна и его теорий.
Одно из первых соображений гравитационного отклонения света было опубликовано в 1801 году, когда Иоганн Георг фон Зольднер указал, что ньютоновская гравитация предсказывает, что звездный свет будет отклоняться, когда он проходит вблизи массивного объекта. Первоначально, в статье, опубликованной в 1911 году, Эйнштейн неправильно рассчитал, что величина отклонения света была такой же, как ньютоновское значение, то есть 0,83 секунды дуги для звезды, которая находилась бы прямо на краю Солнца в отсутствие гравитации.
В октябре 1911 года, откликнувшись на призыв Эйнштейна, немецкий астроном Эрвин Фрейндлих связался с экспертом по солнечным затмениям Чарльзом Д. Перрином в Берлине, чтобы узнать о пригодности существующих фотографий солнечных затмений для доказательства предсказания Эйнштейна об отклонении света. Перрин, директор Аргентинской национальной обсерватории в Кордове, участвовал в четырех экспедициях по наблюдению за солнечным затмением, находясь в Ликской обсерватории в 1900, 1901, 1905 и 1908 годах. Он не считал, что существующие фотографии затмений будут полезны. В 1912 году Фрейндлих спросил, включит ли Перрин наблюдение за отклонением света в программу Аргентинской обсерватории для солнечного затмения 10 октября 1912 года в Бразилии. У. В. Кэмпбелл , директор Ликской обсерватории , одолжил Перрину свои внутримеркурианские объективы камеры. Перрин и команда Кордовы были единственной экспедицией по наблюдению за затмением, которая построила специализированное оборудование, предназначенное для наблюдения за отклонением света. К сожалению, все экспедиции пострадали от проливных дождей, которые помешали любым наблюдениям. Тем не менее, Перрин был первым астрономом, который предпринял целенаправленную попытку наблюдения за отклонением света, чтобы проверить предсказание Эйнштейна. [3] Эддингтон принимал участие в британской экспедиции в Бразилию для наблюдения за затмением 1912 года, но интересовался другими измерениями. [3] Эддингтон и Перрин провели несколько дней вместе в Бразилии и, возможно, обсуждали свои программы наблюдений, включая предсказание Эйнштейна об отклонении света. [4]
В 1914 году три экспедиции по наблюдению за затмением из Аргентины, Германии и США были направлены на проверку теории Эйнштейна путем наблюдения за отклонением света. Тремя руководителями 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 были взяты в плен русскими. Хотя американские и аргентинские астрономы не были задержаны, облака помешали провести четкие наблюдения во время затмения. Фотографии Перрина, хотя и недостаточно четкие, чтобы доказать предсказание Эйнштейна, были первыми, полученными в попытке проверить предсказание Эйнштейна об отклонении света. [3] [5] [6]
Вторая попытка американских астрономов измерить эффект во время затмения 1918 года была сорвана облаками в одном месте [7] и неоднозначными результатами из-за отсутствия необходимого оборудования в другом месте. [1] [8]
В своей статье 1911 года Эйнштейн предсказал отклонение света звезды на лимбе Солнца на 0,83 секунды дуги и призвал астрономов проверить это предсказание, наблюдая звезды вблизи Солнца во время солнечного затмения. [9] Эйнштейну повезло, что погода помешала результатам Перрина в 1912 году и Перрина, Фрейндлиха и Кэмпбелла в 1914 году. Если бы результаты были получены, они могли бы опровергнуть предсказание 1911 года, что подорвало репутацию Эйнштейна. В любом случае, Эйнштейн исправил свое предсказание в своей статье 1915 года по общей теории относительности до 1,75 секунд дуги для звезды на лимбе. Эйнштейн и последующие астрономы оба извлекли пользу из этой поправки. [10]
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, которого позже называли одним из немногих людей в то время, понимавших эту теорию, осознал ее значение и прочитал лекцию по теории относительности на собрании Британской ассоциации в 1916 году. Он подчеркивал важность проверки теории такими методами, как наблюдения за затмениями отклонения света, и королевский астроном Фрэнк Уотсон Дайсон начал строить планы на затмение в мае 1919 года, которое было бы особенно подходящим для такой проверки. Эддингтон также подготовил большой доклад по общей теории относительности 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. [a]
Военная повинность в Великобритании была введена 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 национального интереса. Это освобождение позже было обжаловано Военным министерством, и на серии слушаний в июне и июле 1918 года Эддингтон, который был квакером , заявил, что он является отказником по религиозным соображениям. [12] На последнем слушании Королевский астроном Фрэнк Уотсон Дайсон поддержал освобождение, предложив Эддингтону предпринять экспедицию для наблюдения полного затмения в мае следующего года, чтобы проверить Общую теорию относительности Эйнштейна. Апелляционная комиссия предоставила Эддингтону продление на двенадцать месяцев для этого. Хотя это продление стало спорным из-за подписания перемирия в ноябре, положившего конец войне, экспедиция состоялась, как и планировалось.
Теория, лежащая в основе эксперимента, касается предсказанного отклонения света Солнцем. Первое наблюдение отклонения света было выполнено путем наблюдения за изменением положения звезд , когда они проходили вблизи Солнца на небесной сфере . Приблизительное угловое отклонение δ φ для безмассовой частицы, приходящей из бесконечности и уходящей обратно в бесконечность, определяется следующей формулой: [b]
Здесь b можно интерпретировать как расстояние наибольшего сближения. Хотя эта формула является приблизительной, она точна для большинства измерений гравитационного линзирования из-за малости отношения r s /b . Для света, скользящего по поверхности Солнца, приблизительное угловое отклонение составляет примерно 1,75 угловых секунд . [2] Это в два раза больше значения, предсказанного расчетами с использованием ньютоновской теории гравитации. Именно эту разницу в отклонении между двумя теориями попытались наблюдать экспедиция Эддингтона и другие более поздние наблюдатели затмений.
Целью экспедиций было воспользоваться экранирующим эффектом Луны во время полного солнечного затмения и использовать астрометрию для измерения положения звезд на небе вокруг Солнца во время затмения. Эти звезды, обычно не видимые днем из-за яркости Солнца, станут видимыми в момент полного затмения, когда Луна закроет солнечный диск. Разница в наблюдаемом положении звезд во время затмения по сравнению с их обычным положением (измеренным несколькими месяцами ранее ночью, когда Солнце не находится в поле зрения) будет указывать на то, что свет от этих звезд преломился, проходя близко к Солнцу. Дайсон, планируя экспедицию в 1916 году, выбрал затмение 1919 года, потому что оно должно было произойти, когда Солнце будет находиться 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 два места: на западноафриканский остров Принсипи и в бразильский город Собрал .
Членами экспедиции Принсипи были Эддингтон и Эдвин Тернер Коттингем из Кембриджской обсерватории , в то время как членами 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. Аналогично, Кроммелин был помощником в Гринвичской обсерватории, а Дэвидсон был одним из компьютеров обсерватории .
Экспедиции были организованы Joint Permanent Eclipse Committee, совместным комитетом Королевского общества и Королевского астрономического общества , под председательством Дайсона, королевского астронома. Заявка на финансирование экспедиции была подана в правительственный комитет по грантам с просьбой выделить 100 фунтов стерлингов на инструменты и 1000 фунтов стерлингов на проезд и другие расходы.
В середине 1918 года исследователи из Бразильской национальной обсерватории определили, что город Собрал , штат Сеара , является лучшим географическим положением для наблюдения солнечного затмения. Его директор, Энрике Чарльз Мориз , отправил доклад в мировые научные учреждения по этому вопросу, включая Королевское астрономическое общество в Лондоне. [13]
Команда Гринвичской обсерватории , отправленная в Бразилию, состояла из Чарльза Дэвидсона и Эндрю Кроммелина , а Фрэнк Дайсон координировал все из Европы и, позднее, отвечал за анализ данных команды. Команда прибыла в Бразилию 23 марта 1919 года, и ее снаряжение было сдано без проверки в качестве любезности со стороны бразильского правительства. [13] Хотя Эддингтон принял участие в экспедиции Принсипи, неизвестно, почему Дайсон не отправился в Бразилию. [14]
Механизм состоял из двух астрографических телескопов, соединенных с зеркальными системами, известными как целостат; главный телескоп из Королевской Гринвичской обсерватории с 13-дюймовой апертурой, установленный на 16-дюймовом целостате, и небольшой резервный телескоп с 4-дюймовой апертурой, позаимствованный у Алоизиуса Корти . [13]
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 самое звездное поле ночью. [13] [15]
Главный телескоп зафиксировал двенадцать звезд, а резервный — семь. Главный телескоп имел размытые изображения, которые были отброшены из окончательного заключения, в то время как меньший телескоп имел самые четкие изображения и был наиболее надежным. [13] [14] [15] Дэниел Кеннефик защищает, что без фотографий Собрала результаты затмения 1919 года были бы неубедительными и что экспедиции во время будущих затмений не смогли улучшить данные. [14]
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. [16]Команда установила свое оборудование на площади перед церковью Патросинио, где сегодня находится Музей затмений. Команда сделала несколько пластин размером 24 на 18 и 9 на 12 см, запечатлевших Солнце и положение звезд вблизи его края, но, к сожалению, никаких значимых выводов из данных, полученных бразильской командой, сделано не было, и ее вклад был определен как просто логистическая поддержка британской команды и климатических наблюдений. [16] Ее пластины были восстановлены Национальной обсерваторией в 2015 году, [16] в то время как пластины британской команды были утеряны после 1979 года. [14]
Третья экспедиция того дня была сформирована Дэниелом Мейнардом Уайзом и Эндрю Томсоном из Института Карнеги . Их целью было изучение влияния затмения на магнитное поле и атмосферное электричество. [16]
В 1925 году Эйнштейн заявил бразильской прессе о результатах: «Проблема, придуманная моим мозгом, была решена ярким бразильским небом». [15] [17]
Оборудование, использованное для экспедиции на Принсипи, остров в Гвинейском заливе у побережья Западной Африки, представляло собой астрографическую линзу, заимствованную из обсерватории Рэдклиффа в Оксфорде. Эддингтон отплыл из Англии в марте 1919 года. К середине мая он установил свое оборудование на Принсипи, недалеко от тогдашней Испанской Гвинеи . Затмение должно было произойти в начале дня 29 мая, в 2 часа дня, но в то утро был шторм с сильным дождем. Эддингтон писал:
Дождь прекратился около полудня, и около 1.30... мы начали получать проблески солнца. Нам пришлось делать фотографии с верой. Я не видел затмения, так как был слишком занят сменой пластин, за исключением одного взгляда, чтобы убедиться, что оно началось, и еще одного на полпути, чтобы увидеть, сколько облаков было. Мы сделали шестнадцать фотографий. На всех них хорошо видно солнце, показывающее очень примечательную протуберанцу; но облако помешало изображениям звезд. Последние несколько фотографий показывают несколько изображений, которые, я надеюсь, дадут нам то, что нам нужно...
Эддингтон проявил фотографии на Принсипе и попытался измерить изменение положения звезд во время затмения. 3 июня, несмотря на облака, которые снизили качество пластин, Эддингтон записал в своей записной книжке: «... одна пластина, которую я измерил, дала результат, согласующийся с Эйнштейном».
Будущий британский астроном и астрофизик Сесилия Пейн-Гапошкин посетила экспедицию [ требуется проверка ] и лекцию Эддингтона и позже рассказала, как сильно это путешествие повлияло на нее. [18]
Результаты были объявлены на заседании Королевского общества в ноябре 1919 года [19] и опубликованы в «Философских трудах Королевского общества» в 1920 году [2]. После возвращения экспедиции Эддингтон выступал на обеде, устроенном Королевским астрономическим обществом , и, проявив более беззаботную сторону своей натуры, прочитал следующий стих, который он сочинил в стиле, пародирующем « Рубайят» Омара Хайяма : [ 20]
О, предоставь Мудрым сопоставить наши меры.
По крайней мере, одно несомненно: свет имеет вес.
Одно несомненно, а остальное спорно.
Лучи света, когда они находятся вблизи Солнца, не идут прямо.— Артур Стэнли Эддингтон , ужин РАН [21]
Измерения отклонения света были повторены экспедициями, которые наблюдали полное солнечное затмение 21 сентября 1922 года в Австралии . Важную роль в этом сыграли обсерватории Лик [c] и Маунт-Вильсон , обе в Калифорнии, США. [8] 12 апреля 1923 года Уильям Уоллес Кэмпбелл объявил, что предварительные новые результаты подтверждают теорию относительности Эйнштейна и предсказание величины отклонения света с помощью измерений более чем 200 звезд. [23] Окончательные результаты, опубликованные в 1928 году, использовали измерения более 3000 изображений звезд. [24]
Представление результатов на совместной сессии Королевского общества и Королевского астрономического общества 6 ноября 1919 года привело к интенсивному освещению в прессе сначала в Великобритании, а несколько дней спустя в прессе США, в частности в The New York Times , а несколько дней спустя еще и в немецкой прессе. Хотя Эйнштейн к тому времени уже несколько лет был умеренно известной публичной фигурой в Германии, рассматриваемые статьи положили начало его статусу международной знаменитости. [25] Заметным исключением была Бельгия, где результаты Эддингтона были встречены холодно — отчасти потому, что Эйнштейна считали представителем Германии, а страдания Бельгии в Первой мировой войне все еще были очень заметны в стране. [26] Внезапная популярность теорий Эйнштейна привела к «буму Эйнштейна» научно-популярных книг. [27]
Хотя существует более поздний анекдот, описывающий Эйнштейна как человека, не впечатленного результатами эксперимента, и уверенного в своей теории даже при отсутствии доказательств (заявляя на вопрос, что бы он сказал, если бы результаты были другими, «Тогда мне было бы жаль дорогого Господа. Теория в любом случае верна» [28] ), свидетельства писем Эйнштейна другим ученым, напротив, указывают на то, что он был и впечатлен, и тронут новыми результатами, и считал их важным успехом. [29]
Результаты 1919 года также использовались в качестве части систематических усилий лауреата Нобелевской премии Филиппа Ленарда по дискредитации Эйнштейна, которого Ленард, сам будучи ярым национал-социалистом и сторонником того, что он считал «немецкой физикой», считал опасным сторонником неестественной «еврейской физики». [30] Ленард указал на предсказание 1801 года, которое Иоганн Георг фон Зольднер вывел из ньютоновской гравитации для искривления звездного света вокруг массивного объекта, [31] что соответствует половине предсказания общей теории относительности, полученного Эйнштейном в 1915 году, и, таким образом, на собственный более ранний вывод Эйнштейна 1911 года, и заявил, что это доказывает, что Эйнштейн был плагиатором, и что фон Зольднер заслуживает признания за результат 1919 года.
Как сами результаты 1919 года, так и учебник Эддингтона по общей теории относительности, второе издание которого, включая результаты, было переведено на многочисленные языки по мере роста интереса к теории Эйнштейна, сыграли важную роль в восприятии теории Эйнштейна в научном сообществе. [32] Примечательно, что хотя результаты Эддингтона рассматривались как подтверждение предсказания Эйнштейна и в этом качестве вскоре попали в учебники по общей теории относительности, [33] среди других астрономов последовало десятилетнее обсуждение количественных значений отклонения света, причем точные результаты оставались спорными даже после того, как несколько экспедиций повторили наблюдения Эддингтона в случае последующих затмений. [34] Обсуждение касалось как анализа данных — например, различного веса, приписанного разным звездам в экспедициях по наблюдению за затмениями 1922 и 1929 годов, — так и вопроса о конкретных систематических эффектах, которые могли исказить результаты. [35] [36]
В целом, измерения затмений такого рода, с использованием видимого света, сохраняли значительную неопределенность, и только радиоастрономические измерения в конце 1960-х годов окончательно показали, что величина отклонения была полным значением, предсказанным общей теорией относительности, а не половиной этого числа, предсказанного «ньютоновским» расчетом. [37] Эти измерения и их последователи в настоящее время являются важной частью так называемых постньютоновских тестов гравитации, систематического способа параметризации предсказаний общей теории относительности и других теорий в терминах десяти регулируемых параметров в контексте параметризованного постньютоновского формализма , где каждый параметр представляет собой возможное отклонение от закона всемирного тяготения Ньютона. Самые ранние параметризации постньютоновского приближения были выполнены Эддингтоном (1922). Параметр, определяющий величину отклонения света гравитационным источником, называется параметром Эддингтона (γ), и в настоящее время он является наиболее ограниченным из десяти постньютоновских параметров.
Примерно во время последних серьезных измерений затмения с помощью фотопластинок, проведенных экспедицией Техасского университета, наблюдавшей в Мавритании в 1973 году, начали возникать сомнения относительно того, были ли первоначальные измерения Эддингтона достаточными для подтверждения предсказания Эйнштейна, или же предвзятый анализ Эддингтона и его коллег исказил результаты. [38] Аналогичные опасения по поводу систематических ошибок и возможной предвзятости подтверждения были высказаны в сообществе историков науки [39] и приобрели большую известность в рамках популярной книги «Голем» Тревора Пинча и Гарри Коллинза . [40] Однако современный повторный анализ набора данных предполагает, что анализ Эддингтона был точным и на самом деле менее подверженным предвзятости, чем некоторые из последующих анализов данных о солнечных затмениях. [41] [42] Часть подтверждения получена в результате повторного анализа пластин двух приборов Sobral, проведенного в 1979 году с использованием гораздо более современной машины для измерения пластин, чем та, что была доступна в 1919 году, что подтверждает результаты Эддингтона. [43]
Этот эксперимент стал центральной частью сюжета телевизионного фильма BBC 2008 года «Эйнштейн и Эддингтон» с Дэвидом Теннантом в роли Эддингтона.