Zaćmienie 1919: wielkie OTWarcie nowej fizyki

Wojna, współpraca ponad podziałami, wielka wyprawa i misja, która wisi na włosku do ostatniego momentu. Wbrew pozorom nie jest to streszczenie książki przygodowej, lecz historia pierwszego sprawdzianu ogólnej teorii względności.

Obecnie każdy dorożkarz i każdy kelner prowadzi spory, czy teoria względności jest poprawna, czy nie.

Albert Einstein

Nowa teoria grawitacji

W 1915 roku Albert Einstein po raz kolejny zaskoczył świat nauki. Po dziesięciu latach intelektualnego wysiłku, po złamaniu wielu ołówków i podarciu setek kartek, ekscentryczny fizyk ukończył pracę, która miała przynieść rozszerzenie jego własnej szczególnej teorii względności. Nowa, ogólna teoria względności, zastępowała statyczny i nudny wszechświat Izaaka Newtona, elastyczną czasoprzestrzenią o konkretnych właściwościach i żywej geometrii. W idei Einsteina, to co postrzegamy jako grawitacyjne przyciąganie obiektów, jest po prostu konsekwencją tejże geometrii. Każdy obiekt dysponujący masą naciska na czterowymiarową sieć, wpływając tym samym na ruch innych ciał wokół siebie.

Zredefiniowanie pojęcia grawitacji było posunięciem tyleż odważnym, co kontrowersyjnym i nie od razu przysporzyło Einsteinowi fanów. Mowa nie o drobnej poprawce, lecz przedstawieniu oryginalnej, całościowej wizji fizycznej rzeczywistości. To niewątpliwie rozbudzało wyobraźnię, ale bez konkretnego dowodu, pozostawało co najwyżej szaloną hipotezą. Potrzebna była obserwacja, która unaoczniłaby elastyczną naturę czasoprzestrzeni. Einstein wiedział nawet jak tego dokonać. Jeśli miał rację i masa deformuje pobliską czasoprzestrzeń, zakrzywieniu powinna podlegać również pobliska droga promieni świetlnych. Niby proste, ale jest haczyk.

Schemat działania ogólnej teorii względności
W okolicy masywnego obiektu droga światła ulega zagięciu.

Tak jak stwierdziliśmy, płótno czasoprzestrzeni daje się zniekształcać, ale czyni to bardzo niechętnie. Dlatego potrzeba naprawdę olbrzymiej masy, aby wywrzeć wyraźny efekt (przez co grawitacja pozostaje niesłychanie mizernym oddziaływaniem). Jeżeli więc nie mamy do czynienia z ekstremum w rodzaju czarnej dziury czy chociaż pulsara, zjawiska towarzyszące zakrzywieniu przestrzeni zawsze będą bardzo delikatne. Co nie oznacza, że nie da się ich zarejestrować.

Brytyjski fan Einsteina

Choć może wam się to wydać dziwne, opublikowanie OTW początkowo niemal nie zostało spostrzeżone przez świat nauki. Zwróćmy uwagę na geopolitykę tego okresu: trwała Wielka Wojna, Niemcy ścierali się na dwóch frontach z państwami Ententy, wielu uczonych pozostawało w służbie przemysłu zbrojnego, zaś korespondowanie z kolegami zza linii okopów niosło ze sobą ryzyko podejrzenia o zdradę. Tym samym, gdy w Berlinie namiętnie debatowano nad sensem ogólnej teorii względności, w Londynie i Paryżu krążyły co najwyżej pogłoski o nadchodzącym przełomie. Mądrzy panowie z Cambridge jeszcze przez rok żyli w błogim przeświadczeniu o nienaruszalności zasad nakreślonych w przeszłości przez czcigodnego Newtona.

Z letargu wyrwał ich holenderski członek Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego – Willem de Sitter. Jego ojczyzna nie brała udziału w I wojnie światowej, więc mógł dość swobodnie kursować przez Kanał La Manche, pełniąc rolę przemytnika niemieckiej myśli naukowej. Prawdopodobnie to właśnie astronom z Lejdy przywiózł na terytorium Anglii pierwszą kopię artykułu opisującego ogólną teorię względności. Aby lepiej zrozumieć nowinki z Berlina, Royal Society zażyczyło sobie przygotowania anglojęzycznego opracowania tematu. Zlecenie to przypadło świeżo upieczonemu kierownikowi Katedry Astronomii w Cambridge oraz dyrektorowi lokalnego obserwatorium – Arthurowi Eddingtonowi.

Eddington był typowym angielskim intelektualistą swojej epoki. Dystyngowany, wyniosły, często arogancki, o specyficznym poczuciu humoru. Lubił spędzać wolny czas na pykaniu fajki i rozgrywce w szachy lub golfa. Przede wszystkim jednak, widziano w nim wschodzącą gwiazdę Cambridge. W chwili powstawania OTW liczył sobie 33-lata, jednak już wtedy dysponował posłuchem i dorobkiem (szczególną popularnością cieszyły się jego publikacje z zakresu budowy gwiazd), którego mogli mu zazdrościć siwi profesorowie.

Arthur Eddington popularyzował ogólną teorię względności
Arthur Stanley Eddington – jeden z pierwszych popularyzatorów ogólnej teorii względności.

Z Einsteinem łączyło Eddingtona co najmniej jedno: obaj panowie szczerze pogardzali działaniami wojennymi, otwarcie krytykując wysiłek militarny swoich ojczyzn. U Anglika, niechęć do siłowych zmagań wynikała z wychowania w otoczeniu Kwakrów. Byli to ortodoksyjni purytanie wierzący w kontakt ze Stwórcą bez pomocy pośredników, wyrażający obrzydzenie wobec hedonizmu, niewolnictwa czy przemocy. (Na marginesie, Arthur to nie pierwszy wielki naukowiec wywodzący się z Kwakrów). Oczywiście taka postawa w samym środku światowego konfliktu budziła, lekko mówiąc, kontrowersje. Kiedy setki tysięcy chłopaków wykrwawiało się w okopach Ypres i Verdun, pacyfizm traktowano w kategoriach hańby. Dzięki wysokiej pozycji nasz bohater bardzo długo unikał kłopotów, ale w 1918 roku i nad nim zawisła groźba powołania na front. Rzecz jasna nikt wtedy nie mógł przewidzieć, że wojna potrwa jeszcze tylko kilka miesięcy. Władze uczelni obawiały się, że sprawa może skończyć poskutkować internowaniem naukowca i skandalem, więc rzucili mu koło ratunkowe. Arthur Eddington miał opuścić Wyspy Brytyjskie aby pokierować ważną ekspedycją naukową na innym kontynencie.

Brzmi jak dobry wykręt, ale sam pomysł wyprawy, jak również jej cele, były jak najbardziej poważne. Brytyjczycy pragnęli jako pierwsi w świecie poddać testowi śmiałą hipotezę Alberta Einsteina. Okazja ku temu nadarzała się w maju 1919 roku.

Historyczne zaćmienie 1919

Plan prezentował się następująco. Astronomowie wyruszyli z Anglii do Portugalii, a tam rozdzielili się na dwie grupy. Jedna, kierowana przez Andrew Crommelina trafiła do Sobral, blisko północnego wybrzeża Brazylii. Druga, na czele z naszym bohaterem, wylądowała na niewielkiej Wyspie Książęcej u wybrzeży dzisiejszego Kamerunu. Wycieczka w okolice równika miała zapewnić badaczom doskonałe warunki do obserwacji nadchodzącego całkowitego zaćmienia Słońca.

Jak wspomniałem, OTW przewidywała, iż masywne ciała zaginają wokół siebie czasoprzestrzeń, co powinno objawiać się odpowiednim zakrzywieniem promieni świetlnych. Wyobraźcie sobie teraz, że oglądacie jakiś odległy obiekt. Następnie ktoś wsuwa pomiędzy was i tenże obiekt jeszcze dodatkowe ciało, którego krawędź niemalże przysłania wam widok. Pole grawitacyjne zadziała tu niczym soczewka, deformująca wszystkie leżące za nią obrazy.

Zmiana układu gwiazd zauważona podczas zaćmienia 1919 roku
Układ gwiazd w pobliżu tarczy słonecznej uległ zniekształceniu (nie zachowano skali).

Dokładnie tego rodzaju efekt pragnęli uchwycić Brytyjczycy. W momencie całkowitego zaćmienia, za Słońcem miała znajdować się jasna gromada Hiad. Odległe gwiazdy, porozrzucane wokół tarczy słonecznej, powinny wydawać się poprzesuwane w porównaniu z obserwacjami bez udziału oddziaływania Słońca. Wystarczyło zatem wykonać wyraźną fotografię (stąd ważna rola zaćmienia) i zestawić ją z kliszą wykonaną w innym terminie. Jeżeli wyliczenia oparte o OTW były poprawne, to zakrzywienie powinno wynieść około 1,74” (sekundy kątowej). To o połowę mniej niż rozmiar Urana na ziemskim nieboskłonie. Efekt delikatny, ale przy odrobinie precyzji możliwy do zarejestrowania.

Powodzenie misji wisiało na włosku do ostatnich chwil. Każdy kto lubi od czasu do czasu zabawić się w astronoma i wyczekuje interesującego zjawiska na niebie, wie jak wiele zależy od kaprysów pogody. Nie inaczej było 29 maja 1919 roku. Poranek przywitał naukowców deszczem i koszmarnym zachmurzeniem, które nie dawało szans na dokonanie wiarygodnych obserwacji. Tak ten dzień zapisał się w pamięci naszego bohatera.

Deszcz przestał padać koło południa. Około 13.30 dojrzeliśmy zarys Słońca. Robiliśmy zdjęcia na wiarę. Nie widziałem zaćmienia, gdyż byłem zbyt zajęty zmienianiem płyt; tylko raz zerknąłem, żeby sprawdzić, czy już się zaczęło i jeszcze raz, żeby zobaczyć, ile jest chmur.

~ Arthur Eddington

Jednak los uśmiechnął się do Eddingtona. Około godziny 13.30 niebo przejaśniło się na tyle aby umożliwić sfotografowanie zaćmienia Słońca. Jeszcze przebywając w Afryce, podekscytowany uczony nałożył świeże zdjęcie z kliszą przedstawiającą rozmieszczenie Hiad pół roku wcześniej. Eddington już wiedział, że OTW to strzał w dziesiątkę, ale dał sobie czas na dokładniejsze przeanalizowanie wyników.

Klisza z zapisem obserwacji zaćmienia Słońca z 1919 roku
Jedna z klisz przedstawiających zaćmienie Słońca z 1919 roku.

Najważniejszy dzień w życiu Eddingtona

W listopadzie 1919 roku członkowie ekspedycji podzielili się wynikami swoich badań na oficjalnym zebraniu Królewskiego Towarzystwa Naukowego, przy obecności największych tuzów brytyjskiej nauki oraz mediów. Andrew Crommelin odnotował przesunięcie gwiazd o wartość 1,98”, z kolei obserwacje Eddingtona wykazały odchylenie rzędu 1,61”. Biorąc z tego średnią i uwzględniając dopuszczalny margines błędu, bez większych wątpliwości uznano ogólną teorię względności za poprawną. W ten sposób, z kontrowersyjnej hipotezy wykiełkował nowy fundament fizyki.

Atmosfera napiętego zainteresowania była dokładnie taka, jaka towarzyszyła greckim dramatom. Byliśmy chórem komentującym wyrok przeznaczenia objawiony w rozwoju najwyższego zjawiska. Sama sceneria miała w sobie także coś z dramatu: tradycyjny ceremoniał, a w tle portret Newtona przypominający nam, że największe z naukowych uogólnień miało teraz, po przeszło dwustu latach, zostać po raz pierwszy zmodyfikowane.

~ Alfred Whitehead

Arthur Eddington dołączył swój podpis do trwającej rewolucji naukowej. Jak sam podkreślał, był to najważniejszy dzień w jego życiu. Wkrótce dokończył i opublikował zlecone mu przed wyjazdem opracowanie OTW i przystąpił do tworzenia pierwszego kompleksowego podręcznika fizyki relatywistycznej pod tytułem The Mathematical Theory of Relativity. Tym samym Eddington uzyskał rangę głównego eksperta i popularyzatora teorii względności na zachód od Renu.

"New York Times" obwieszcza sukces ogólnej teorii względności
New York Times z 10 listopada 1919 roku odnotował sukces teorii Einsteina.

Nie muszę chyba wspominać, że był to również wielki moment dla Alberta Einsteina. Prawdopodobnie po raz pierwszy w dziejach wydarzenie naukowe z takim impetem wdarło się na pierwsze strony gazet i do popkultury. Genialny fizyk już w 1905 roku stał się postacią rozpoznawalną, jednak dopiero pozytywny sprawdzian ogólnej teorii względności uczynił go ikoną i jednym z najsławniejszych ludzi na Ziemi.

Literatura uzupełniająca:
A. Miller, Imperium gwiazd, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa 2006
M. Kaku, Kosmos Einsteina. Jak wizja wielkiego fizyka zmieniła nasze rozumienie czasu i przestrzeni, przeł. J. Popowski, Warszawa 2004;
A. K. Wróblewski, Historia fizyki. Od czasów najdawniejszych do współczesności, Warszawa 2015;
M. Heller, Ewolucja kosmosu i kosmologii, Warszawa 1985;
P. Coles, Einstein, Eddington and the 1919 Eclipse, [online: https://cds.cern.ch/record/489163/files/0102462.pdf].

O innych testach OTW:
Najpiękniejsza weryfikacja ogólnej teorii względności;
Nobel za fale grawitacyjne – od Einsteina, przez Trautmana, do LIGO.
Zagadka ruchu trzech ciał Architekt nowej fizyki cz.2: cudowna dekada Einsteina Sagan o aborcji – w poszukiwaniu odpowiedzi