Dwaj panowie A.E.

Wczesną wiosną 1919 roku – dokładnie dziewięćdziesiąt lat temu - Królewskie Towarzystwo Naukowe Anglii wysłało dwie niezależne ekspedycje naukowe w dwa różne miejsca na Ziemi ,których celem było eksperymentalne potwierdzenie wniosku z ogólnej teorii względności ogłoszonej przez Alberta Einsteina pod koniec roku 1915-go.

Według tej teorii, masy astronomiczne(gwiazdy, układy gwiazd) wpływają na przestrzeń w swym otoczeniu tak, że światło nie biegnie w pobliżu tej masy po linii prostej, lecz po krzywej wygiętej w stronę rozważanej masy np. gwiazdy.

Tym samym światło od jakiejś gwiazdy przebiegając w pobliżu Słońca dozna ugięcia w jego stronę, a obserwator nie zobaczy gwiazdy w tym miejscu gdzie zawsze, lecz w innym. Obraz gwiazdy dozna przesunięcia na niebie. Efekt będzie najlepiej widoczny podczas zaćmienia Słońca, gdyż wtedy promieniowanie tarczy słonecznej nie zakłóca pomiaru przesunięcia..

Zespół, który dokonywał pomiarów przesunięcia obrazów gwiazd w sąsiedztwie tarczy zaćmionego Słońca w Brazylii w dniu 29 maja 1919 roku, miał doskonałe warunki widoczności.

Natomiast zespół kierowany przez Sir Arthura Eddingtona wykonujący pomiary podczas tego samego zaćmienia Słońca na Wyspie Książęcej u zachodnich wybrzeży Afryki, przeżył dramatyczne chwile niepewności i zwątpienia, gdyż zachmurzenie nieba ustąpiło na kilka minut przed początkiem zaćmienia Słońca.

Jednak wyniki pomiarów opublikowała, jako pierwsza ,ekipa pod kierunkiem A.Eddingtona i T.Cottinghama , brazylijska ekipa w kilka miesięcy później.

A.Eddington, jesienią w 1919 roku

Dlatego historia podaje ,że pierwszym ,który sprawdził eksperymentalnie ogólną teorię względności Alberta Einsteina, był Sir Arthur Eddington.

Kim był Sir Arthur Eddington?

A.S.Eddington urodził się 20 grudnia 1882 roku ,w ubogiej rodzinie kwakierskiej w Kendal, wśród wzgórz Westmoreland.

OD dziecka interesował się astronomią i matematyką. W zakresie pamięciowych działań na liczbach był “cudownym dzieckiem”, wygrywał wszystkie konkursy szkolne z matematyki i do końca życia interesowała go teoria liczb, oraz relacje liczbowe między różnymi stałymi fizycznymi.

W 1939 roku w pracy Philosphy of Science przedstawił wynik swych obliczeń dotyczący liczby protonów we wszechświecie(i takiej samej liczby elektronów) :

15 747 724 136 275 002 577 605 653 961 181 555 468 044 717 914 527 116 709 366231 425 076 185 631 031 296

która to liczba jest równa

136 x 2²⁵⁶i jest znana jako liczba Eddingtona.

Jego pasja do badań nad różnymi kombinacjami stałych fizycznych doprowadziła go pod koniec życia do obsesyjnej idei, że fundamentalna teoria wszystkiego będzie miała postać jednej formuły, kombinacji algebraicznej stałych fundamentalnych fizyki, a na jej realizację daremną, poświęcił kilka ostatnich lat życia. Jednak cofnę się do lat jego startu naukowego.

Studia skończył w wyróżnieniem w wieku 19 lat.

Mając 24 lata został pierwszym zastępcą dyrektora Królewskiego Obserwatorium w Greenwich.

W 30 roku życia objął prestiżową katedrę astronomii i filozofii i zaraz potem został dyrektorem Obserwatorium Uniwersytetu w Cambridge.

Zgodna opinia świata nauki wieku XX uznała A.S.Eddingtona za najwybitniejszego astrofizyka tego wieku .

Jego badania nad budową i ewolucją gwiazd doprowadziły do rezultatów nie zakwestionowanych po dziś dzień.

W roku 1917 de Sitter przysłał mu odbitkę najnowszej pracy Einsteina na temat ogólnej teorii względności.

W następnym roku, Eddington na posiedzeniu Towarzystwa Fizycznego zreferował treść swojej pracy, pierwszej w świecie anglosaskim: Report on the relativity theory of gravitation. Chandrasekhar nazwał Eddingtona “apostołem teorii względności” podkreślając jak doskonałym znawcą tej teorii był Sir Arthur Stanley.

Był nie tylko znawcą OTW, lecz wniósł do niej swój niebagatelny wkład. Dokonał uogólnienia jednolitej teorii pola H.Weyla,był autorem transformacji układu współrzędnych która eliminowała osobliwość metryki Schwarzschilda, wyznaczył szybkość emisji fal grawitacyjnych przez wirujący, sztywny pręt i podał rozwiązanie problemu metryki czasoprzestrzeni w obecności n- ciał w OTW.

Był bliski odkrycia “czarnych dziur”, ale namiętny spór jaki wiódł z S.Chandrasekharą, odkrywcą kolapsu grawitacyjnego podczas ,którego odrzucił hipotezę zdegenerowanego gazu relatywistycznych elektronów - uniemożliwił mu to .

Wrócę do historii jego ekspedycji naukowej w celach weryfikacji wniosku z OTW dotyczącego toru światła w pobliżu astronomicznej masy.

14 czerwca 1918 roku Eddington odmówił służby wojskowej ze względu na zastrzeżenia moralne i religijne.

OD kary sądowej uratował go Królewski Astronom ,który zaproponował komisji poborowej, by w zamian za służbę wojskową nałożyła na niego obowiązek pokierowania brytyjską wyprawą naukową 29 maja 1919 roku w celach weryfikacji OTW.

Na zdjęciu nr.2 pokazana jest kopia początku rozprawy A.Einsteina :”Postawy ogólnej teorii względności “opublikowanej w Annalen der Physik w roku 1916,49,ss.769-822.

Zdjęcie nr.2

Główną ideą OTW była myśl, że grawitacja nie jest własnością ciał obdarzonych masą, lecz przejawem wewnętrznej krzywizny przestrzeni. W pobliżu wielkich mas(astronomicznych) najkrótszą odległością między dwoma dowolnymi punktami nie jest odcinek prostej, lecz tzw. geodetyka, linia krzywa ,którą wyznacza tensor krzywizny Einsteina.

Tym samym, w konsekwencji - światło biegnące od gwiazdy ,powinno w pobliżu Słońca doznać ugięcia, w tym obszarze powinno wystąpić odstępstwo od prostoliniowego biegu światła.

Na rys.1. przedstawiony jest schemat sytuacji fizycznej eksperymentu weryfikującego hipotezę A.Einsteina o ugięciu się promieni świetlnych w pobliżu wielkich mas astronomicznych.

Rys.1.

Kąt ugięcia promieni delta psi jest funkcją masy M oraz parametru d o następującej postaci:

delta psi = 4GM/dc²

Otrzymuje się go z rozwiązań równania Einsteina przedstawionych przez Schwarzschilda już w 1916 roku.

Z rysunku widać ,że światło biegnące w polu grawitacyjnym centralnym nie ogniskuje w punkcie, do czego wrócę przy temacie pierścieni Einsteina.

W pomiarze Eddingtona za d przyjmujemy wartość promienia tarczy Słonecznej i otrzymujemy z rachunków

delta psi= 1,4^”W klasycznej mechanice Newtona też przewiduje się odchylenie cząstki obdarzonej masą w pobliżu masy astronomicznej ,lecz rachunki dają wartość dwukrotnie mniejszą to jest

delta psi= 0,7^”Raport o wynikach obserwacji, Eddington przedstawił na posiedzeniu Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego 9 listopada 1919 roku. 22 września 1919 roku H.A.Lorentz wysłał do A. Einsteina telegram tej treści:

“ Eddington wykrył przesunięcie gwiazd na brzegu Słońca – wstępne pomiary między dziewięć dziesiątych sekundy a dwukrotnie większą wartością – pozdrowienia.”

Na tej podstawie Einstein w Naturwisseschft,,VII,776,1919 opublikował komunikat pod tytułem:

“Prufung der allgemeinen Relativitaetheorie :“Zgodnie z telegramem, który profesor Lorentz wysłał do autora tych słów, angielska ekspedycja kierowana przez Eddingtona i mająca na celu przeprowadzenie obserwacji zaćmienia Słońca w dn.29 maja, wykryła, przewidziane przez Ogólną Teorię Względności odchylenie promieni światła na brzegu słonecznego dysku..Według wstępnych oszacowań, obserwowana wielkość odchylenia leży między 0,9 i 1,8 sekundy kątowej .Teoria żąda 1,7 sekundy.”

Pomiary tego efektu testującego OTW były powtarzane podczas pełnych zaćmień Słońca w latach:1922, 1929, 1936, 1947, 1982.R.H.Dicke podaje ,że średni wynik tych pomiarów 1,93 a błąd nie przekracza 20 %.

W latach 1969 i 1970 dokonano pomiarów ugięcia fal radiowych w pobliżu Słońca emitowanych przez kwazary 30273 ,30279 oraz 3C279 i otrzymano dokładniejsze wyniki z błędem 10 %.

Dalsze analizy problemu ugięcia światła w pobliżu mas astronomicznych zwanego soczewkowaniem grawitacyjnym prowadzą do efektów o nazwie pierścieni Einsteina.

Rys.3.przekrojowy,podaje geometrię powstawania pierścieni Einsteina.

Natomiast zdjęcie nr.3 przedstawia pierścień Einsteina powstały kiedy biegnące do nas światło OD dalekiej gwiazdy doznaje ugięcia w pobliżu galaktyki spiralnej.

W styczniu 2008 roku ,Amerykanie opublikowali zdjęcie uzyskane przy pomocy teleskopu Hubblea efektu grawitacyjnego zwanego podwójnym pierścieniem Einsteina. Jest on spowodowany ugięciem światła biegnącego od dwóch odległych galaktyk, leżących za masywną galaktyką dokładnie na tej samej linii( promieniu widzenia).Pokazany jest na zdjęciu nr.4.

Innym niezwykłym efektem krzywoliniowego toru światła w pobliżu mas astronomicznych jest osobliwy “krzyż Einsteina “.(inna nazwa -soczewka Huchry) , wywoływany przez soczewkowanie grawitacyjne wieloogniskowe zaobserwowane na kwazarze Q2237+030. Obiekt został odkryty w roku 1984.

Zjawisko powstania wielokrotnych obrazów kwazara , jest wywołane przez galaktykę spiralną o przesunięciu ku czerwieni 0,0394, znajdującą się na linii widzenia między nami, a kwazarem. Oprócz efektu makrosoczewkowania - powstania obrazów wielokrotnych - obserwuje się w tym źródle także zjawisko mikrosoczewkowania w poszczególnych obrazach, wywołane przez ruch poszczególnych gwiazd galaktyki soczewkującej.

Krzyż Einsteina jest na zdjęciu nr.5.

Zastosowania badawcze ogniskowania grawitacyjnego, w tym efekt pierścieni Einsteina jest bardzo doniosłe w astrofizyce :

wyznaczanie masy galaktyk spiralnych

wykrywanie “ciemnej materii”.

Historia współpracy A.Eddingtona z A.Einsteinem była niezwykła przez ogromny entuzjazm Eddingtona w propagowaniu ogólnej teorii względności. Nic dziwnego ,że ci dwa panowie :jeden fizyk i kosmolog a drugi fizyk i astrofizyk darzyli się wzajemną przyjaźnią i serdecznym przywiązaniem.

Zdjęcie nr.6 przedstawia przyjacielskie spotkanie – jedno z licznych -tych dwóch osób w anegdotycznym kontekście słynnego roztargnienia Alberta E., oraz dowcipnego komentarza Sir Arthura.

Natomiast zdjęcie nr.7 ma charakter bardziej oficjalny:

oto grupa fizyków i astrofizyków przyjaciół Alberta Einsteina ,którzy jako pierwsi odnieśli się z entuzjazmem do najpiękniejszej teorii fizyki XX wieku - Ogólnej Teorii Względności i współpracowali przy pierwszym testowaniu eksperymentalnym jej hipotezy o krzywiźnie czasoprzestrzeni w otoczeniu wielkich mas astronomicznych.