Эддингтон эксперимент - Eddington experiment - Wikipedia

В 29 мая 1919 года солнечное затмение.

В Эддингтон эксперимент был наблюдательный испытание Общая теория относительности, организованный британскими астрономами Фрэнк Уотсон Дайсон и Артур Стэнли Эддингтон в 1919 году. Наблюдения были полное солнечное затмение 29 мая 1919 г. и были выполнены двумя экспедициями, одна на западноафриканский остров Príncipe, а другой - в бразильский город Собрал. Целью экспедиций было измерение гравитационного отклонения звездного света, проходящего вблизи Солнца.[1] Величина этого отклонения была предсказана Альберт Эйнштейн в статье 1911 года и был одним из тестов, предложенных для его общей теории относительности 1915 года. После возвращения экспедиции результаты были представлены Эддингтоном Королевское общество Лондона,[2] и, после некоторых размышлений, были приняты. Широкое освещение результатов в газетах привело к всемирной известности Эйнштейна и его теорий.

Фон

Артур Стэнли Эддингтон, Плумианский профессор астрономии

Одно из первых соображений о гравитационном отклонении света было опубликовано в 1801 году, когда Иоганн Георг фон Зольднер указал, что Ньютоновская гравитация предсказывает, что звездный свет будет отклоняться, когда он проходит рядом с массивным объектом. Первоначально в статье, опубликованной в 1911 году, Эйнштейн неправильно рассчитал, что величина отклонения света равна ньютоновскому значению. Были планы американской команды из Обсерватория Лика измерить величину отклонения, сделав наблюдения за затмением в Бразилии в 1912 году,[3] но плохая погода помешала проведению наблюдений. Эддингтон принимал участие в британской экспедиции в Бразилию для наблюдения за затмением 1912 года, но его интересовали другие измерения.[4]

Хотя основная работа Эйнштейна по общей теории относительности не была опубликована до 1915 года, он знал и раньше, что его расчет 1911 года был ошибочным, и что фактически предсказанный эффект в ньютоновской модели составляет лишь половину значения, предсказанного общей теорией относительности. Это предложило возможную проверку его теории, и в 1913 году Эйнштейн спросил: Джордж Эллери Хейл предложить способ обнаружения отклонения света от звезды, когда она проходит мимо Солнца. Хейл предположил, что это могло произойти во время полного солнечного затмения. Это привело к еще одной экспедиции по исследованию затмений с участием немецких и американских астрономов, которая состоялась в 1914 году. Она была организована Эрвин Финлей-Фрейндлих, от Берлинский университет, где в то время работал Эйнштейн, включая американского астронома Уильям Уоллес Кэмпбелл от Обсерватория Лика. Экспедиция отправилась в Крым для наблюдения за затмением 21 августа. Тем не менее Первая мировая война началось в июле того же года, и 1 августа Германия объявила войну России. Немецкие астрономы были либо вынуждены вернуться домой, либо попали в плен к русским. Хотя астрономов США не задерживали, облака не позволили провести наблюдения во время затмения.[5] Вторая попытка американских астрономов измерить эффект во время затмения 1918 года была сорвана облаками в одном месте.[6] и по неоднозначным результатам из-за отсутствия нужного оборудования в другом.[1][7]

Интерес Эддингтона к общей теории относительности начался в 1916 году, во время Первая Мировая Война, когда он читал статьи Эйнштейна (представленные в Берлине, Германия, в 1915 г.), присланные нейтральным голландским физиком. Виллем де Ситтер к Королевское астрономическое общество в Британии. Эддингтон, который, как позже говорили, был одним из немногих людей, понимавших теорию, осознал ее значение и прочитал лекцию по теории относительности на встрече в Британская ассоциация в 1916 году. Он подчеркнул важность проверки теории такими методами, как наблюдения за отклонением света во время затмений, а также Королевский астроном, Фрэнк Уотсон Дайсон начал строить планы на затмение в мае 1919 года, которое было бы особенно подходящим для такого испытания. Эддингтон также подготовил крупный отчет по общей теории относительности для Физическое общество, опубликовано как Отчет по теории относительности гравитации (1918). Эддингтон также читал лекции по теории относительности в Кембриджском университете, где он был профессором астрономии с 1913 года.[8]

Призыв на военную службу в Великобритании был введен в 1917 году. В возрасте 34 лет Эддингтон имел право быть призванным в армию, но его освобождение от этого было получено его университетом по соображениям национальных интересов. Это освобождение было позже обжаловано военным министерством, и на серии слушаний в июне и июле 1918 года Эддингтон, который был Квакер, заявил, что он отказник по убеждениям по религиозному признаку.[9] На последнем слушании Королевский астроном, Фрэнк Уотсон Дайсон, поддержали исключение, предложив Эддингтону предпринять экспедицию для наблюдения полного затмения в мае следующего года, чтобы проверить Общую теорию относительности Эйнштейна. Апелляционный совет предоставил Эддингтону продление на двенадцать месяцев. Хотя это расширение было признано спорным после подписания Перемирие В ноябре, завершив войну, экспедиция пошла по плану.

Теория

Эйнштейн, получивший Нобелевская премия по физике в 1921 году, хотя и не за разработку общей теории относительности.

Теория эксперимента касается предсказанного отклонения света Солнцем. Первое наблюдение свет отклонение было выполнено, отмечая изменение положения звезды когда они проходили возле Солнца на небесная сфера. Примерный угловой прогиб δφ для безмассовой частицы, приходящей из бесконечности и уходящей обратно в бесконечность, определяется следующей формулой:[10]

Здесь, б можно интерпретировать как расстояние наибольшего сближения. Хотя эта формула является приблизительной, она точна для большинства измерений гравитационное линзирование, из-за малости отношения рs/ b. Для света, скользящего по поверхности солнца, приблизительное угловое отклонение составляет примерно 1,75угловые секунды. Это вдвое больше значения, предсказанного расчетами с использованием ньютоновской теории гравитации. Именно это различие в отклонении между двумя теориями и попыталась наблюдать экспедиция Эддингтона и другие более поздние наблюдатели затмений.

Экспедиции и наблюдения

Сэр Фрэнк Уотсон Дайсон, Королевский астроном

Целью экспедиций было воспользоваться защитным эффектом Луна во время полного солнечного затмения и использовать астрометрия для измерения положения звезд на небе вокруг Солнца во время затмения. Эти звезды, которые обычно не видны днем ​​из-за яркости Солнца, станут видимыми в момент совокупность когда Луна накрыла солнечный диск. Разница в наблюдаемом положении звезд во время затмения по сравнению с их нормальным положением ночью может указывать на то, что свет от этих звезд искривлялся, когда проходил близко к Солнцу. Дайсон, планируя экспедицию в 1916 году, выбрал затмение 1919 года, потому что оно произойдет, когда Солнце будет перед яркой группой звезд, называемой Гиады. Яркость этих звезд облегчит измерение любых изменений положения.

Две группы по два человека должны были быть отправлены для наблюдения за затмением в двух местах: на западноафриканском острове Príncipe и бразильский город Собрал.

Участниками экспедиции Принсипи были Эддингтон и Эдвин Тернер Коттингем из Кембриджская обсерватория, а участники экспедиции Собрала были Эндрю Кроммелин и Чарльз Рандл Дэвидсон, от Гринвичская обсерватория В Лондоне. Эддингтон был директором Кембриджской обсерватории, а Коттингем - знатоком. часовщик которые работали на инструментах обсерватории. Точно так же Кроммелин был ассистентом в Гринвичской обсерватории, а Дэвидсон был одним из ее сотрудников. компьютеры.

Экспедиции были организованы Объединенный постоянный комитет по затмениям, совместный комитет Королевское общество и Королевское астрономическое общество под председательством Королевского астронома Дайсона. Заявка на финансирование экспедиции была подана в Комитет по государственным грантам, в котором просили 100 фунтов стерлингов на инструменты и 1000 фунтов стерлингов на проезд и другие расходы.

Собрал

Инструменты Eclipse в Собрале
Карта пути тотальности для затмения

В состав оборудования Sobral входила одна астрографическая линза из Гринвичская обсерватория, и еще один из Королевская ирландская академия.

Principe

Экспедиция в Принсипи использовала астрографический объектив, позаимствованный у Обсерватория Рэдклиффа в Оксфорде. Эддингтон отплыл из Англии в марте 1919 года. К середине мая его оборудование было установлено на Принсипи, острове в Гвинейский залив у побережья Западной Африки, недалеко от того, что было тогда Испанская Гвинея. Затмение должно было произойти днем ​​29 мая, в 14:00, но в то утро была гроза с проливным дождем. Эддингтон писал:

Дождь прекратился около полудня и около 1.30 ... мы начали мелькать на солнце. Мы должны были делать фотографии с верой. Я не видел затмения, так как был слишком занят сменой пластин, за исключением одного взгляда, чтобы убедиться, что оно началось, и еще одного взгляда на полпути, чтобы увидеть, сколько было облаков. Мы сделали шестнадцать фотографий. Все они хорошо относятся к солнцу, демонстрируя очень выдающееся положение; но облако мешало изображениям звезд. Последние несколько фотографий показывают несколько изображений, которые, я надеюсь, дадут нам то, что нам нужно ...

Эддингтон проявил фотографии на Принсипи и попытался измерить изменение положения звезд во время затмения. 3 июня, несмотря на облака, которые снизили качество пластинок, Эддингтон записал в своей записной книжке: «... одна измеренная мною пластина дала результат, совпадающий с результатами Эйнштейна».[11]

Результаты и публикация

Дж. Дж. Томсон, Президент Королевского общества, поддержал выводы Эддингтона

Результаты были объявлены на заседании Королевское общество в ноябре 1919 г.,[12] и опубликованы в Философские труды Королевского общества в 1920 г.[2] После возвращения экспедиции Эддингтон обращался к обеду, организованному Королевское астрономическое общество, и, показывая свою более беззаботную сторону, сочинил следующий стих, пародирующий стиль Рубайят из Омар Хайям:[13]

О, оставь мудрые наши меры для сопоставления
По крайней мере одно можно сказать наверняка, у легкого есть вес
Одно можно сказать наверняка, а остальные споры
Световые лучи, находясь около Солнца, не идут прямо.

— Артур Стэнли Эддингтон, RAS ужин[14]

Немедленное воздействие

Нью-Йорк Таймс из 10 ноября, 1919, сообщил о подтвержденном предсказании Эйнштейна

Результат был признан впечатляющей новостью и попал на первые полосы большинства крупных газет. Это сделало Эйнштейна и его общую теорию относительности всемирно известной. Приводились цитаты Эйнштейна, описывающего, какой была бы его реакция, если бы общая теория относительности не была подтверждена Эддингтоном и Дайсоном в 1919 году: «Тогда мне было бы жаль дорогого Господа. Теория в любом случае верна». [15]

Позднее исследование

Хотя эксперимент Эддингтона и публикация его результатов сразу же повлияли на популярную прессу, признание мировым научным сообществом было менее быстрым. Понимание общей теории относительности среди других ученых все еще было слабым, и в течение 1920-х годов скептицизм по поводу теории и результатов сохранялся до тех пор, пока новые наблюдения за затмениями и другие проверки относительности не разрешили вопрос.

Измерения отклонения света были повторены экспедициями, наблюдавшими солнечное затмение 21 сентября 1922 г. Австралия. Важную роль в этом сыграли Обсерватория Лика[5] и Обсерватория Маунт Вильсон, оба в Калифорнии, США.[7] 12 апреля 1923 г. Уильям Уоллес Кэмпбелл объявил, что новые результаты подтверждают теорию относительности Эйнштейна измерениями более 100 звезд.

в постньютоновский испытания силы тяжести, параметризованный постньютоновский формализм параметризует с помощью десяти регулируемых параметров все возможные отклонения от закона всемирного тяготения Ньютона. Самые ранние параметризации постньютоновского приближения были выполнены Эддингтоном (1922). Параметр, связанный с величиной отклонения света источником гравитации, - это так называемый параметр Эддингтона (γ). Это лучший из десяти постньютоновских параметров.

Критика и наследие

Однако ранняя точность измерений затмений была низкой. Дайсон и другие. процитировали оптимистически низкую неопределенность в их измерениях, что утверждается некоторыми[16] страдать от систематическая ошибка и возможно Подтверждение смещения, хотя современный повторный анализ набора данных показывает, что анализ Эддингтона был точным.[17][18]

В 1801 г. Иоганн Георг фон Зольднер указал, что ньютоновская гравитация предсказывает, что звездный свет будет изгибаться вокруг массивного объекта, но предсказанный эффект составляет лишь половину значения, предсказанного общей теорией относительности, рассчитанной Эйнштейном в его статье 1911 года. Результаты Зольднера возродил нобелевский лауреат Филипп Ленард в попытке дискредитировать Эйнштейна.[19] Эддингтон знал об альтернативных предсказаниях в 1919 году. Значительная неопределенность оставалась в этих измерениях почти пятьдесят лет, пока не начали проводить наблюдения радиочастоты. Только в конце 1960-х годов было окончательно показано, что величина отклонения является полной величиной, предсказанной общей теорией относительности, а не половиной этого числа.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Эрман, Джон и Глимур, Кларк (1980). "Относительность и затмения: британские экспедиции 1919 года и их предшественники. ", Исторические исследования в физических науках, Vol. 11, вып. 1. С. 49-85.
  2. ^ а б Dyson, F.W .; Эддингтон, А. С .; Дэвидсон, К. (1920). "Определение отклонения света гравитационным полем Солнца по наблюдениям, сделанным во время полного затмения 29 мая 1919 г.". Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 220 (571–581): 291–333. Bibcode:1920RSPTA.220..291D. Дои:10.1098 / рста.1920.0009.
  3. ^ Об истории этой первой попытки см. https://arxiv.org/abs/2004.02026
  4. ^ там же
  5. ^ а б Исторический обзор, в котором подчеркивается роль группы Лика в подтверждении искривления света, см. В Crelinsten, Jeffrey (19830 «Уильям Уоллес Кэмпбелл и« проблема Эйнштейна »: астроном-наблюдатель противостоит теории относительности»). Исторические исследования в физических науках, т. 14, нет. 1. С. 1–91. JSTOR Crelinsten, Джеффри (1983). «Уильям Уоллес Кэмпбелл и« проблема Эйнштейна »: астроном-наблюдатель противостоит теории относительности». Исторические исследования в физических науках. 14 (1): 1–91. Дои:10.2307/27757525. JSTOR  27757525.
  6. ^ Уилсон, Х.С. (1918). "Полное затмение 8 июня 1918 г. ", Popular Astronomy, Vol. 26, стр.447. Проверено 2 ноября 2020 года.
  7. ^ а б Берджесс, А. (11 августа 2017 г.). "Приключение 1922 года во время затмения, которое должно было подтвердить теорию относительности ", Атлас-обскура. Проверено 2 ноября 2020 года.
  8. ^ После экспедиции по затмению в 1919 году Эддингтон опубликовал Пространство-время и гравитация (1920), а его университетские лекции составили основу его великого сочинения по этому вопросу, Математическая теория относительности (1923), сказал Эйнштейн: «... лучшее изложение предмета на любом языке».[нужна цитата ]
  9. ^ Стэнли, Мэтью (2003). "'Экспедиция, чтобы залечить раны войны »: Затмение 1919 года и Эддингтон как квакерский авантюрист». Исида. 94 (1): 57–89. Bibcode:2003Isis ... 94 ... 57S. Дои:10.1086/376099. PMID  12725104.
  10. ^ Для вывода этой формулы см. Статью о Задача двух тел в общей теории относительности.
  11. ^ Crelinsten, Джеффри (2016). Жюри Эйнштейна: гонка за проверку теории относительности. Издательство Принстонского университета. п. 139.
  12. ^ "Хранитель". 12 мая 2019. Получено 27 сентября 2019.
  13. ^ О'Коннор, Дж. Дж .; Робертсон, Э. Ф. (октябрь 2003 г.). "Артур Стэнли Эддингтон". Архив истории математики MacTutor. Получено 27 мая 2019.
  14. ^ Дуглас, А. В. (1956). Жизнь Артура Стэнли Эддингтона.
  15. ^ Розенталь-Шнайдер, Ильзе (1980). Реальность и научная правда. Издательство государственного университета Уэйна. п. 74.
  16. ^ Коллинз, Гарри; Пинч, Тревор (1993). Голем. Издательство Кембриджского университета. ISBN  0521477360.
  17. ^ Кеннефик, Дэниел (2005). «Не только из-за теории: Дайсон, Эддингтон и конкурирующие мифы об экспедиции затмения 1919 года». Материалы 7-й конференции по истории общей теории относительности.. 44: 89–101. arXiv:0709.0685. Дои:10.1016 / j.shpsa.2012.07.010. S2CID  119203172.
  18. ^ Болл, Филипп (7 сентября 2007 г.). «Артур Эддингтон был невиновен». Природа. Дои:10.1038 / news070903-20. S2CID  120524925.
  19. ^ Ленард, П. (1921). "Uber die Ablenkung eines Lichtstrahls von seiner geradlinigen Bewegung der Planeten und Monde nach der Einsteinschen Gravitationstheorie". Phys. Z. 19: 156–163.

Источники и дальнейшее чтение

внешняя ссылка