Inne

30.10.2019

Jak potwierdzono ogólną teorię względności

Albert Einstein, ok. 1921 r. Dostawca: PAP/Photoshot Albert Einstein, ok. 1921 r. Dostawca: PAP/Photoshot

Sto lat temu ogólna teoria względności Alberta Einsteina została poddana weryfikacji obserwacyjnej. Dziś dzięki zastosowanej do tego metodzie polska grupa OGLE dokonuje seryjnych odkryć.

Ogólna teoria względności została ukończona przez Einsteina w listopadzie 1915,  ale już połowie 1913 r. autor postanowił zastosować ją do wyjaśnienia dziwnej orbity Merkurego. Peryhelium tej orbity – czyli punkt, w którym planeta zbliża się do Słońca najbardziej – przesuwa się o 43 sekundy łuku na stulecie w stosunku do ustaleń fizyki newtonowskiej. Gdy Einstein policzył odchyłkę po swojemu, otrzymał mniej niż połowę wymaganej wartości. Dopiero w 1916 r., po opracowaniu ostatecznej wersji OTW, obliczenia dały ścisły wynik.

Wcześniej jednak, bo już w 1911 r., Einstein zwrócił uwagę, że ciała o wielkich masach powinny uginać tory promieni światła. Gwiazda widoczna w pobliżu Słońca powinna zmienić swe położenie w stosunku do tego, które normalnie zajmuje na niebie. Aby się o tym przekonać, wystarczyło zmierzyć to położenie podczas zaćmienia Słońca, a następnie drugi raz po zaćmieniu. Einstein sam zachęcał do tego kolegów astronomów. Pierwsi ruszyli w 1912 r. Argentyńczycy, zamierzając obserwować zaćmienie Słońca w Brazylii, ale na miejscu panowała zła pogoda i nic nie udało się zobaczyć. 

Następne całkowite zaćmienie miało nastąpić 21 sierpnia 1914 r.; aby je obserwować, należało udać się na Krym. Niestety dwadzieścia dni przed zaćmieniem Rosja przystąpiła do I wojny światowej i ekipę aresztowano. Aparaty fotograficzne oraz urządzenia lokacyjne zostały potraktowane jako sprzęt szpiegowski i skonfiskowane, ale nawet gdyby do obserwacji doszło, nic by z tego nie wynikło, bo pogoda znowu nie sprzyjała. 

W momencie wybuchu I wojny światowej brytyjskie środowisko naukowe opanowała antyniemiecka histeria. Arthur Eddington, dyrektor obserwatorium w Cambridge oraz lider brytyjskiej astronomii, jako kwakier i pacyfista nie podzielał tych nastrojów. Zaintrygowany wieściami o teorii Einsteina nauczył się jej podstaw matematycznych. Eddington wiedział, jak zweryfikować OTW i znał termin najbliższego zaćmienia Słońca: 29 maja 1919 r. Była jedna przeszkoda: specjalny trybunał miał osądzić odszczepieńca za odmowę służby wojskowej. Na szczęście ówczesny Astronom Królewski Frank Dyson oświadczył przed sądem, że podsądny jest kluczowym badaczem Słońca i jego udział w obserwacjach zaćmienia jest nieodzowny. W efekcie Eddington został zwolniony ze względu na „znaczenie dla państwa”.

W trakcie zaćmienia dokładnie poza tarczą Słońca miało się znajdować skupisko gwiazd zwane Hiadami. Gdyby się okazało, że podczas zaćmienia stały się widoczne, byłby to dowód, iż promienie światła zostały ugięte. Według obliczeń Einsteina odchylenie miało wynieść 0,004 stopnia, czyli 1,7 sekundy łuku. Była to mikroskopijna wielkość, ale w zasięgu ówczesnej aparatury pomiarowej.

Ekspedycja Eddingtona skierowała się na Wyspę Książęcą w Zatoce Gwinejskiej, zaś rezerwowy zespół obrał za cel brazylijską wioskę Sobral. Pogoda na Wyspie była upalna, burzliwa, niebo wciąż pełne chmur, kluczowego dnia rano lał ulewny deszcz. Godzinę przed zaćmieniem chmury rozstąpiły się i można było przystąpić do akcji. O godz. 14.15 Hiady były dobrze widoczne w tle, a pod koniec zjawiska firmament pozostawał zupełnie czysty. W efekcie Eddington z pomocnikiem naświetlili aż szesnaście płyt. W Sobral zaćmienie śledzono bez przeszkód, ale panujący upał zdeformował optykę aparatu.

Pod koniec lipca płyty poddano analizie. Z szesnastu płyt Eddingtona przydatne okazały się zaledwie dwie; zmierzone ugięcie światła wyniosło 1,63 sekundy, co z grubsza odpowiadało obliczeniom Einsteina. W następnych miesiącach trwały różne dyskusje i analizy, zaś na 6 listopada 1919 r. zostało zwołane w Londynie posiedzenie Royal Society i Royal Astronomical Society, poświęcone rezultatom eksperymentu. Przewodniczył J. J. Thomson, odkrywca elektronu, sprawy naukowe omówił natomiast Frank Dyson: „Wyniki ekspedycji nie pozostawiają wątpliwości, że w pobliżu Słońca istotnie dochodzi do odchylenia światła, i to o kąt wynikający z uogólnionej teorii względności Einsteina”. Po spotkaniu do Eddingtona podszedł polski fizyk Ludwik Silberstein, autor jednego z pierwszych podręczników teorii względności w języku angielskim. –  „Podobno tylko trzech ludzi na całym świecie rozumie tę teorię” – odezwał się prowokująco. Eddington zwlekał z odpowiedzią. „Zastanawiam się, kto to jest ten trzeci” – odrzekł w końcu.  

W dniu ogłoszenia opinii Einstein przebywał w Berlinie; pragnąc uczcić sukces, kupił sobie nowe skrzypce. 

7 listopada w „Timesie” pojawił się artykuł pod wielkim nagłówkiem „Rewolucja w nauce. Nowy obszar Wszechświata. Idee Newtona obalone”. Gazeta konstatowała, że potwierdzona właśnie teoria Einsteina „wymaga nowej filozofii kosmosu, która zmiecie niemal wszystko, co było do tej pory”. Sensacyjny temat podjął również po drugiej stronie Atlantyku „New York Times”. 11 listopada w komentarzu redakcyjnym napisano: „Te wiadomości są szokujące. Zaczęto nawet wątpić w tabliczkę mnożenia”. Wieści o wydarzeniu rozeszły się błyskawicznie po anglojęzycznym świecie i Einstein niemal z dnia na dzień stał się naukową supergwiazdą.

Eddington na prawo i lewo udzielał informacji o swojej wyprawie i jej dokonaniach. Setki ludzi tłoczyły się w Trinity College w Cambridge na jego wykładzie, a drugie tyle musiało odejść z kwitkiem. W Polsce Leopold Infeld, który potem został współpracownikiem Einsteina i współautorem ich książki „Ewolucja fizyki”, był wówczas nauczycielem w Koninie. „Dawałem publiczne wykłady o teorii względności, a tłum, jaki się na nich gromadził w mroźne zimowe wieczory, był tak wielki, że nie mogła go pomieścić największa sala w mieście”. Wielu wybitnych fizyków zabrało się do popularyzacji OTW, do 1925 r. ukazało się ponad sześćset książek i artykułów poświęconych teorii względności. 

Sam Einstein zabrał głos w „Timesie” w popularnym artykule „Co to jest teoria względności?”. Jego książkę na ten sam temat, wydaną w Niemczech w 1916 r., przetłumaczono na angielski; od razu stała się bestsellerem i w następnych latach ukazywały się zaktualizowane wydania. Popularność zaskoczyła Einsteina: „Wydaje mi się, że jestem w piekle, a naczelnym listonoszem jest diabeł pokrzykujący wciąż na mnie i sypiący mi na głowę sterty nowych listów, choć na stare nie miałem jeszcze szansy odpowiedzieć” – skarżył się przyjacielowi.

Einstein już w 1912 r. wyprowadził równania na własności soczewkujące gwiazdy. Wynikało z nich, że gwiazda może powiększać obraz innej odleglejszej gwiazdy, a nawet rozszczepiać go na dwoje. Dopiero jednak w 1936 r. opublikował pracę „Działanie gwiazdy jako soczewki dzięki ugięciu światła w polu grawitacyjnym”. Opisał w niej możliwość tworzenia pierścienia świetlnego wokół gwiazdy soczewkującej – później nazwano go pierścieniem Einsteina – oraz duplikowania obrazu gwiazdy obserwowanej. Efekt ten ocenił jako pozbawiony  praktycznego znaczenia, a sam artykuł uznał za błahy. 

W tym samym roku odkrywca ciemnej materii Fritz Zwicky po przeczytaniu tekstu Einsteina zdał sobie sprawę, że o wiele skuteczniejszymi od gwiazd soczewkami grawitacyjnymi mogą być odległe galaktyki. W publikacji wskazał, że metoda ta rozszerza zasięg teleskopów na niedostępne rejony Wszechświata dzięki powiększaniu obrazów odległych galaktyk. Miał rację: w latach sześćdziesiątych XX wieku przez łamy pism naukowych przetoczyła się fala prac o tym zjawisku, w 1979 r. odkryto zaś pierwszy przypadek soczewkowania dalekiego kwazara przez bliższą nam galaktykę. Rozszczepiła ona obraz obiektu na dwa kwazary, odległe od nas o 6 mld lat świetlnych.

W następnych dekadach fenomeny takie znajdowano seryjnie; stopniowo soczewkowanie grawitacyjne weszło do repertuaru standardowych metod astronomicznych. Przykładem gigantycznej soczewki jest gromada Abell 2218, która rozciąga i powiększa obraz położonych za nią galaktyk, odległych o ponad 12 mld lat świetlnych. Spektakularnym efektem soczewkowania jest też odkryty w 1984 r. krzyż Einsteina, będący poczwórnym obrazem kwazara odległego od nas o 8 mld lat świetlnych. 

W tej dziedzinie badań poważne sukcesy odnoszą polscy naukowcy. Jeden z czołowych astronomów współczesnych, Bohdan Paczyński, w latach osiemdziesiątych XX wieku wysunął koncepcję mikrosoczewkowania grawitacyjnego, realizowanego przez małe ciała rzędu 1 – 3 mas Słońca. Na początku lat dziewięćdziesiątych doszło do powołania polskiej grupy obserwacyjnej OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) pod kierownictwem Andrzeja Udalskiego, która wykorzystuje metodę Paczyńskiego. Sam Paczyński, wymieniany w gronie murowanych kandydatów do Nagrody Nobla, zmarł przedwcześnie w 2007 r.

OGLE dysponująca od 1996 r. własnym teleskopem w obserwatorium Las Campanas w Chile koncentruje się obecnie na masowym skanowaniu nieba. Codziennie fotografuje około miliarda gwiazd; porównywanie zdjęć przez komputer pozwała uchwycić wszelkie dostrzegalne zmiany na niebie. Jak dotąd zespół Udalskiego odkrył tysiące przypadków mikrosoczewkowania grawitacyjnego, w tym planety pozasłoneczne, planety swobodne, a także pierwszy przypadek mikrosoczewkowania przez gwiazdę podwójną. W taki oto sposób sto lat po weryfikacji ogólnej teorii względności koncepcję, która do tego posłużyła, stosuje się w astronomii na skalę bez mała przemysłową. 

Autor: Marek Oramus

Źródło: MHP

Wszelkie materiały (w szczególności depesze agencyjne, zdjęcia, grafiki, filmy) zamieszczone w niniejszym Portalu chronione są przepisami ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych oraz ustawy z dnia 27 lipca 2001 r. o ochronie baz danych. Materiały te mogą być wykorzystywane wyłącznie na postawie stosownych umów licencyjnych. Jakiekolwiek ich wykorzystywanie przez użytkowników Portalu, poza przewidzianymi przez przepisy prawa wyjątkami, w szczególności dozwolonym użytkiem osobistym, bez ważnej umowy licencyjnej jest zabronione.
Do góry

Walka
o niepodległość
1914-1918

II Rzeczpospolita

II Wojna
Światowa

PRL