Dzień, który zmienił fizykę

„Pod wrażeniem niesamowitego spektaklu, który ofiarowała  natura, ludzie parkowali w miejscach publicznych. Wydawało się, że świt się rozbija i w tej ciemności koguty zapiały, a ptaki szukały swych ubrań”. Świt się załamał, rozpadł, światło zgasło.

Skończył się rok 2019 i skończył się rok obchodów bardzo ważnej rocznicy. Z jej okazji Portugalia wydała w maju piękne znaczki, które znalazły się w mojej kolekcji.

Teoria względności - znaczek

Miasto Sobral w Brazylii  jest znane z jednego powodu: 29 maja 1919 roku sir Arthur Eddington jako pierwszy potwierdził ogólną teorię względności Einsteina – podczas obserwacji całkowitego zaćmienia Słońca (Eddington jest twórcą twierdzenia o nieskończonej liczbie małp  – że nieskończona liczba małp w nieskończonym czasie wystuka na maszynie wszystkie książki z British Museum – chociaż inni korygowali, ze małpy nie są rzeczywiste, ale rzecz nie o tym).

Eddington miał zaobserwować, czy rzeczywiście olbrzymie masy zakrzywiają promień świetlny, inaczej: czy Słońce leży niejako w studni grawitacyjnej. Jeżeli tak, to światło gwiazd leżących za nim powinno ulec zakrzywieniu. Pozornie wtedy taka gwiazda leży trochę w innym miejscu. Jeżeli nie, gwiazda leżąca za Słońcem nie jest widoczna lub leży w tym samym miejscu, jak na zdjęciach nocnych. Taki eksperyment jest możliwy w czasie całkowitego zaćmienia, gdy robi się ciemno i są widoczne gwiazdy wokół Słońca.

Studnia grawitacyjna, masywne ciało zakrzywia przestrzeń wokół siebie; Wikimedia Commons

Studnia grawitacyjna, masywne ciało zakrzywia przestrzeń wokół siebie; Wikimedia Commons

Eddington był jednym z niewielu ludzi na świecie, którzy rozumieli ogólną teorię względności. Kiedy ktoś zauważył, że jest on jednym z trzech ludzi, którzy mogli się tym poszczycić, naukowiec rzekł: „Zastanawiam się, kto może być trzeci?”

Gdy myślimy o grawitacji, prościej nam myśleć jak Newton. Grawitację widzimy w postaci liny trzymającej Ziemię koło Słońca na płaskiej powierzchni (z powodu tej liny nie możemy się oderwać od naszej gwiazdy). Ale u Einsteina Słońce leży  w zagłębieniu i planety wirują wokół niego, ale bez liny, niejako staczając się na Słońce. Określony moment pędu nie pozwala im spaść na naszą gwiazdę. Jednak światło biegnie do nas po najkrótszej drodze. Najkrótszą jest linia prosta. Gdyby Newton miał rację, światło z odległych gwiazd, przechodząc koło Słońca, nie poddawane by było odchyleniu („stoczeniu się”). Jeśli jednak rację miał Einstein, to światło powinno ulec zdeformowaniu przebiegając przez lej, jaki w dywanie, którym jest Wszechświat, tworzy Słońce. To sprawia, że gwiazda za Słońcem jest widoczna w innym miejscu niż powinna być. Trajektoria światła odchyla się.

To zjawisko pokazane jest schematycznie na powyższym znaczku, a poniżej jeszcze jedna ilustracja:

Gwiazda leży za Słońcem i jej światło odchyla się przy Słońcu. Daje to złudzenie, że znajduje się w innym miejscu. U kolejnej gwiazdy odchylenie jest mniejsze, bo jej światło ulega mniejszemu zakrzywieniu w polu grawitacyjnym Słońca. U kolejnej trajektoria światła jest prosta, bo biegnie poza studnią utworzoną przez masę Słońca /Uniwersytet w Berkeley

Gwiazda leży za Słońcem i jej światło odchyla się przy Słońcu. Daje to złudzenie, że znajduje się w innym miejscu. U kolejnej gwiazdy odchylenie jest mniejsze, bo jej światło ulega mniejszemu zakrzywieniu w polu grawitacyjnym Słońca. U kolejnej trajektoria światła jest prosta, bo biegnie poza studnią utworzoną przez masę Słońca /Uniwersytet w Berkeley

Trudno, żeby Einstein nie wiedział, że zjawisko całkowitego zaćmienia Słońca (gdy zapada ciemność i pojawiają się gwiazdy leżące w pobliżu) może być dowodem na jego hipotezę. Wyposażył z własnych pieniędzy astronoma Erwina Finlaya-Freundlicha, by ten zaobserwował zjawisko na Krymie  w 1914 r., ale  kiedy Freundlich przybył do Rosji, wybuchła I wojna światowa. Jego instrumenty zostały skonfiskowane.

Oprócz Arthura Eddingtona, entuzjasty teorii Einsteina, jeszcze jedna osoba była zainteresowana potwierdzeniem teorii względności. Był nim angielski astronom, dyrektor Królewskiego Obserwatorium Greenwich, sir Frank Dyson, ale zupełnie z innego powodu. Dyson był sceptyczny wobec odkryć niemieckiego uczonego. Jednak doskonale wiedział, że całkowite zaćmienie Słońca musi tę teorię potwierdzić lub obalić. Ponadto jako Anglik wymagał od innych większego szacunku dla Newtona.

Frank Dyson i Arthur Eddington/www.edgy.app

Frank Dyson i Arthur Eddington/www.edgy.app

Obliczenia wykazały, że w 1919 r. zaćmienie będzie widoczne w Ameryce Południowej i Afryce, a Słońce będzie  znajdowało się na tle gromady szczególnie jasnych gwiazd, Hiadów. Ich światło będzie musiało przejść obok pola grawitacyjnego Słońca. Eddington z Dysonem przygotowali dwie wyprawy: na Wyspy Książęce koło zachodniej Afryki (dokładnie była to Principe Island) i  do Sobral, w północno-zachodniej Brazylii.

Nie było to proste. Świat był jeszcze w trakcie wojny, brakowało doświadczonych astronomów i statków. Okazało się, że Dyson musi zostać w Anglii, więc ustalono, że na wyspę Principe pojedzie Eddington z zegarmistrzem ze wsi (wszyscy jego asystenci polegli w czasie wojny), a do Sobral astronomowie: Charles Davidson i Andrew Crommelin.  Ci ostatni udali się do Brazylii pierwszym powojennym rejsem na pokładzie statku „Anselm” (fot. Luis Crispino).

Sir Eddington jednak nie miał szczęścia, bo trafił na chmury po silnej burzy. Samo zaćmienie trwało długo (na Principe 5 min. 2 sek., w Sobral 5 min. 13 sek.). Z 19 ekspozycji wyszły  mu tylko dwie i to niewyraźnie. Sobral miało więcej szczęścia, bo przywieziono 8 wyraźnych zdjęć (z 27 wykonanych), dzięki którym można było potwierdzić ogólną teorię względności.

Negatyw zdjęcia zrobionego w Sobral, na godzinie 2 (około) widać czarną kropkę, to obraz gwiazdy pozorny, w tym miejscu nie powinno jej być. Zdjęcie znajduje się w Muzeum Nauki w Greenwich.

Negatyw zdjęcia zrobionego w Sobral, na godzinie 2 (około) widać czarną kropkę, to obraz gwiazdy pozorny, w tym miejscu nie powinno jej być. Zdjęcie znajduje się w Muzeum Nauki w Greenwich.

I jeszcze poniższa animacja. Należy kliknąć i poczekać na sekwencję zdjęć.

Sam proces utrwalania zjawiska był bardziej skomplikowany niż proste robienie zdjęć. Obserwacje zapisywano na szklanych płytach fotograficznych pokrytymi solami srebra. Obserwowano 12 gwiazd.  W listopadzie 1919 roku ukazały się wyniki badań, podpisane przez Dysona, Eddingtona i Davidsona i przyznające rację Einsteinowi. Co ciekawe, opinia publiczna przyjęła je o wiele bardziej entuzjastycznie niż ówcześni fizycy.

Sam przyjazd naukowców do Sobral był dużym wydarzeniem. Do ekipy angielskiej dołączyli naukowcy amerykańscy i brazylijscy.

Naukowcy w Sobral, pośrodku na biało obok siebie Davidson i Crommelin/National Observatory

Naukowcy w Sobral, pośrodku na biało obok siebie Davidson i Crommelin/National Observatory

W miasteczku i okolicy panowały susza i febra. Sobral wyglądało przygnębiająco, było szare i zakurzone. Ludzie rozpaczliwie kopali studnie, by wydobyć wodę. Rząd brazylijski wysłał ekipę lekarzy, której zadaniem było powstrzymanie choroby. Ministerstwo Rolnictwa dostarczyło druciane siatki do ochrony domów przed atakami komarów. Dla ludności wydarzenie było świętem. Zamknięto handel i wszyscy wylegli na place i ulice.  Doszło nawet do rozbicia szklanych drzwi jednego z domów, bo szukano szkła do przyciemnienia przy obserwacji fazy częściowej zaćmienia. Kościół też był pełen, bo część mieszkańców była pełna złych przeczuć.

„Pod wrażeniem niesamowitego spektaklu, który ofiarowała  natura, ludzie parkowali w miejscach publicznych. Wydawało się, że świt się rozbija i w tej ciemności koguty zapiały, a ptaki szukały swych ubrań”. Tak gazeta Folha do Littoral opisała moment fazy całkowitej.  Wszyscy obserwatorzy mieli szczęście, bo dzień był pochmurny. Wiatr przegnał chmury dosłownie na minutę przed całkowitym zasłonięciem Słońca przez Księżyc.

Ekipa angielska pozostała w Sobral aż do sierpnia, fotografując ten sam fragment nieba bez Słońca.

Stanowisko obserwacyjne w czasie całkowitego zaćmienia/National Observatory

Stanowisko obserwacyjne w czasie całkowitego zaćmienia/National Observatory

W miejscu obserwacji w Sobral powstało muzeum Eclipse, oryginalne  zdjęcia zjawiska soczewki grawitacyjnej znajdują się w posiadaniu obserwatorium w Greenwich. A samo miasteczko … zapomniało o tym wydarzeniu. Dopiero rok 2019 i seria wydarzeń upamiętniających przypomniały o dniu, który zmienił fizykę.  Einstein doczekał się pomnika przedstawiającego go  siedzącego na kamieniu – bez podpisu. Organizatorzy doszli do wniosku, że wszyscy powinni wiedzieć, kogo pomnik przedstawia i z jakiej okazji.

Teoria względności - znaczek

Portugalski znaczek na stulecie obserwacji w Sobral; pod zaćmionym Słońcem stoi grupa badaczy.

A dlaczego ptaki szukały swych ubrań? W czasie zaćmienia temperatura powietrza może spaść dosyć znacznie, nawet o 20 stopni.

Anna Pisarska-Umańska

Wyśrodkuj mapę

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *