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.

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 Stanley Edding­ton

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

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.

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.

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 z 10 listo­pada 1919 roku.

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.
  • Teresa

    Chcia­ła­bym się upewnić, czy w przy­padku zaob­ser­wo­wa­nego zjawiska soczew­ko­wa­nia gra­wi­ta­cyj­nego wystę­pu­ją­cego podczas cał­ko­wi­tego zaćmie­nia słońca mamy do czy­nie­nia jak mi się wydaje z tzw. soczew­ko­wa­niem słabym. Rozumiem, że to zależy od masy ciała sto­ją­cego na drodze pro­mie­nieni świetl­nych i od wza­jem­nej odle­gło­ści obiektów.

    • Mroczne Gizmo

      Tak, dobrze rozu­mu­jesz

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Można tak to ująć. Każda masa zakrzy­wia prze­strzeń, a więc też drogę światła. W przy­padku prze­cięt­nej gwiazdy efekt ten jest ledwie odczu­walny, ale już przy więk­szych masach widać wyraźne “soczewki gra­wi­ta­cyjne”. Dzięki nim potra­fimy np. ziden­ty­fi­ko­wać wielkie skupiska ciemnej materii, która nie świeci, ale potrafi poważnie zaginać prze­strzeń.

    • Michał Skichał

      Ale czy przy­pad­kiem nie byłoby to mikro­so­czew­ko­wa­nie, a nie soczew­ko­wa­nie słabe?

      • Teresa

        Też się nad tym zasta­na­wia­łam, ale nie bardzo wiem gdzie leży ewen­tu­alna granica między jednym a drugim. Podobno w przy­padku mikro­so­czew­ko­wa­nia jedynym dostrze­gal­nym efektem jest poja­śnie­nie źródła światła przy przej­ściu w pobliżu soczewki, dlatego myślę, że tutaj chodzi raczej o słabe soczew­ko­wa­nie.

      • Michał Skichał

        Nie mam pojęcia Tereso.

  • n00Bv3

    Jednak los uśmiech­nął się do Edding­tona. Około godziny 13.30 niebo prze­ja­śniło się na tyle aby umoż­li­wić sfo­to­gra­fo­wa­nie zaćmie­nie Słońca.

    Mała lite­rówka, pozdra­wiam. Artykuł świetny.

    • Dominik Kurek

      Twoja lite­órwka była zamie­rzona?

      • n00Bv3

        Cieszę się, że ktoś zauważył 😀
        Tak, była zamie­rzona.

  • Mar­ko­nius

    O roku ów! Bardzo to ciekawe. Nie tak dawno czytałem o tym epi­zo­dzie‎ w bio­gra­fii Ein­ste­ina pióra Isa­ac­sona. Warto przy okazji zasta­no­wić się nad tym, dlaczego mówi się, że gra­wi­ta­cja Słońca AŻ zakrzy­wia cza­so­prze­strzeń, a nie po prostu — że TYLKO odchyla tra­jek­to­rię fotonów?

    • Dominik Kurek

      Tak jest ogólniej

  • kwantol

    “Każdy obiekt dys­po­nu­jący masą”
    Właśnie o to chodzi, że żaden obiekt nie dys­po­nuje masą. Cała zatem OTW, to farsa. Nato­miast Einstein po opu­bli­ko­wa­niu już STW powinien być wysłany do lekarza psy­chia­try.

  • Dominik Kurek

    Sły­sza­łem, że ów eks­pe­ry­ment był wątpliwy ze względu na zbyt duży w stosunku do wiel­ko­ści błąd pomiaru