Když se ranní obloha zatemnila nad západním Oregonem, tři alpaky Richarda Berryho ustoupily do své stodoly. Stmívající denní světlo a malý dav, který se shromáždil na farmě Berry - hejna mimoměstských obyvatel s kartonovými solárními brýlemi a kvadrokoptérními drony - zvířata strhla. Měsíc a slunce mezitím prováděli nad hlavami vzácný nebeský balet.
21. srpna 2017 proběhlo první úplné zatmění Slunce, které za 99 let ozdobilo obě pobřeží kontinentálních Spojených států. Ale Berry, amatérský astronom a bývalý šéfredaktor časopisu Astronomy a skupina studentů z Portland Community College nebyli jen proto, aby si ten pohled užili. Připravili své dalekohledy a fotoaparáty tak, aby zopakovali nejslavnější zatmění experiment všech dob, první úspěšný test obecné teorie relativity Alberta Einsteina. Téměř sto let před Velkým americkým zatměním se dva týmy astronomů pustily do vzdálených břehů, aby pozorovaly zatmění, které by přesvědčilo skeptický svět, že teorie gravitace Isaaca Newtona se mýlila.
Jedním z důsledků Einsteinovy teorie, která byla poprvé zveřejněna v roce 1915, je to, že masivní nebeské objekty, jako je slunce, ohýbají strukturu časoprostoru kolem sebe - což Einstein vysvětlil přitažlivost gravitace. Tato astrofyzikální teorie se velmi liší od Newtonovy myšlenky gravitace jako přitažlivé síly vyvíjené veškerou hmotou. Podle Einsteina je každé světlo cestující v blízkosti masivního objektu ohýbáno spolu s časoprostorem. Na počátku 20. století přišel Einstein se způsobem, jak tuto zdánlivě absurdní teorii demonstrovat pomocí úplného zatmění Slunce.
Einstein stanovil tuto výzvu následovně: Zaznamenejte si polohu hvězd kolem Slunce během totality, tyto vzácné okamžiky, kdy je sluneční světlo úplně blokováno Měsícem, což umožňuje vidět hvězdy v pozadí. A pozorujte stejné hvězdy, když není zatmění. Kdyby byla jeho teorie obecně relativně správná, došlo by k mírnému rozdílu v pozicích těchto hvězd - změna neviditelná pro lidské oko, ale detekovatelná jemným měřením.
V roce 1919 zorganizovali angličtí astronomové Arthur Eddington a Frank Dyson expedice na ostrov Principe u západního pobřeží Afriky a do Sobralu v Brazílii, aby zjistili, zda má Einstein pravdu. Osudný den byl 29. května. Jakmile zveřejnili své výsledky, svět by nikdy nebyl stejný - nebo alespoň naše chápání.
Arthur Eddington (vlevo) a Frank Dyson (vpravo). (Veřejná doména) V roce 2017 Toby Dittrich, profesor fyziky na Portland Community College, koordinoval tucet pozorovacích skupin, včetně Berryho, a poslal dva jeho studenty na alpakovou farmu a další na horu Oregon, aby zjistili, zda by mohli dělat alespoň stejně dobře, jako Eddington a Dyson.
Obě snahy se musely vypořádat s technickými výzvami a nestálostí počasí, protože by bylo prchavé vědět, že okno pro pozorování totality by bylo prchavé.
V roce 1919 měli astronomové zřetelný luxus více než pěti minut totality. V roce 2017 trvala celková zatmění pro americké diváky pouze asi dvě minuty. Projíždění mraků nebo větru by mohlo zničit pozorování v těchto vzácných okamžicích - ve skutečnosti oblačnost zničila test relativity během úplného zatmění Slunce v roce 1918 v USA.
Don Bruns, amatérský astronom umístěný v Casperu ve Wyomingu pro zatmění roku 2017 a koordinovaný s Dittrichovým úsilím, byl částečně inspirován čtyřmi neúspěšnými pokusy replikovat experiment Eddington-Dyson mezi lety 1936 a 1954.
"Tímto jsem nechal astronomy v klidu, " říká Bruns.
**********
Eddingtonová a Dysonovy odborné znalosti z nich učinily dobře vhodné pro tento úkol zatmění. Dyson byl anglický astronom Royal a řídil Royal Observatory v Greenwichi. Eddington režíroval Cambridge Observatory, a on také udělal jméno pro sebe v říši teorie pro ukázat, že slunce je schopné existovat jak my to známe, spíše než se zhroutit pod jeho vlastní váhou, protože světlo sám vyvíjí vnější tlak.
Tento obrázek ukazuje zábleskové spektrum sluneční chromosféry, druhou až horní vrstvu sluneční atmosféry, během úplného zatmění 21. srpna 2017 nad Oregonem. Snímek zachycuje zatmění při každé vlnové délce světla, které atomy v chromosféře emitují. Například atomy vodíku vyzařující světlo na vlnové délce „vodík alfa“ vytvářejí červenou barvu světla vpravo, zatímco atomy vápníku vytvářejí fialovou barvu nalevo. (Richard Berry / Alpaca Meadows Observatory) Úsilí Principe, rozmístěné na kakaové plantáži v severozápadní části afrického ostrova, provedli Eddington a Edwin Cottingham. Duo používalo většinou vypůjčené vybavení od Oxfordské observatoře, protože Eddingtonova vlastní Cambridge Observatory nebyla specializována na zatmění, podle nové knihy Daniela Kenneficka, Žádný stín pochybností: Eclipse z roku 1919, která potvrdila Einsteinovu teorii relativity .
Eddington pravděpodobně provedl všechny analýzy dat z jeho expedice osobně, ačkoli během jeho cesty nepřežijí žádné záznamy - ani původní fotografické desky, které časem zmizely. Podle první zprávy astrofyzika Subrahmanyana Chandrasekhara řekl Dyson Cottinghamovi, že pokud Eddington pozoroval dvojnásobné vychýlení, jaké Einstein předpověděl - bizarní výsledek, který ani Einstein ani Newtonův rámec nepředpokládají - „Eddington se zblázní a vy budete musí přijít domů sám. “
Mezitím Dyson při této příležitosti ve skutečnosti neopustil Anglii. Do Sobralu v Brazílii vyslal dva členy svého štábu, Charlese Davida a Andrewa Crommelina, a některé vybavení z jeho observatoře. Když se vrátili, Dyson zaměřil analýzu dat týmu a spolupracoval s Eddingtonem na závěrečné zprávě.
Každý z 1919 týmů se musel vrátit se dvěma kritickými kousky dat zakódovanými na skleněných deskách. Alespoň jeden talíř by byl odebrán během totality, zatímco druhý byl vyroben v noci se stejnými hvězdami na obloze, ale v popředí žádné slunce a měsíc. I kdyby to bylo provedeno dobře, osoba analyzující desky by měla skutečnou výzvu.
"Hvězdy samozřejmě vypadaly jako malé kruhy na talířích, " říká Kennefick. „Ukazuje se, že změna polohy je ve skutečnosti menší než velikost kruhu. Takže je to velmi, velmi jemné měření. Je to velmi obtížné provést měření. “
Naštěstí se Dyson živil těmito druhy pozorování. Jeho normální práce zahrnovala pečlivé studium hvězdných pozic a zkoumání malých změn. Použil malé zařízení zvané mikrometrický šroub, který se pohyboval přes desku z jednoho bodu do dalšího a měřil vzdálenost mezi objekty.
V den zatmění roku 1919 měli štěstí, protože slunce bylo blízko velmi jasného shluku hvězd zvaného Hyády, které Eddington nazval „zdaleka nejlepším hvězdným polem, se kterým se setkal.“ Jejich jas by usnadnil jejich pozorování na dalekohledové desce než slabé hvězdy, které by mohly být ztraceny v záři vnější oblasti sluneční atmosféry, nazvané korona. (Tato přehřátá plazma je viditelná pouhým okem pouze při úplném zatmění Slunce, když se zdá, že se třpytí kolem vypuštěného slunce.)
Kopírovací deska expediční desky Dyson z roku 1919, se značkami, o nichž se domnívají, že byly vyrobeny Dysonovou skupinou. (Institut Nielse Bohra, Kodaňská univerzita) Ačkoli se experiment se dvěma hroty ukázal jako úspěšný, oba se přiblížili Einsteinově predikci pro množství vychýlení, nebylo to bez kontroverze. Jeden ze dvou dalekohledů v sobralské expedici vytvořil pochybné vyhlížející talíře s hvězdami, které vypadaly spíš jako šmouhy než kruhy. Zdá se, že Dyson zavolal, aby data vyhodil, a někteří historici se ptají, zda skupina Eddington-Dyson byla tak nadějná, aby dokázala Einsteinovi mít pravdu, že nesprávně odhazovali data, která nesouhlasila.
Ale Kennefick říká, že je nepravděpodobné, že by Dyson výsledky zmlkl. Eddington byl vědec, který před experimentem hlasitě podporoval Einsteinovy předpovědi, a neměl nic společného s házením sobralských desek.
"Je vzácné být ve vědě nebo životě zcela neutrální, " píše Kennefick. "Trest Eddingtona za to, že byl upřímný v formulování svých preferencí, pouze požaduje, aby vědci nepoctivě potlačovali jejich názory."
**********
Einstein nevypadal příliš znepokojeně, že jeho tehdejší teorie bude konečně podrobena zkoušce. Někteří dokonce navrhli, že byl samolibý o celé utrpení, takže si byl jistý svou teorií, že nebyl ani trochu nervózní z toho, co by výpravy z roku 1919 našli.
"Slavní vědci mu řekli:" Nemůžu uvěřit tomu, jak jsi k tomu klidný, "říká Kennefick. "Byli jako:" Bože můj, to je neuvěřitelné. " A on říkal: "Jo, věděl jsem."
Fotografie Alberta Einsteina z roku 1921. (Univerzální historický archiv / UIG prostřednictvím Getty Images) Ale přes Einsteinovu pochybnost chtěl, aby byl experiment proveden. Již v roce 1911 psal dalším astronomům, aby se zeptali, zda by mohli provést tento druh zatmění, a aktivně si za tuto věc získal peníze. Financoval výpravu německého astronoma Erwina Freundlicha na Krym v roce 1914, aby provedl zatmění, která by Eddington nakonec udělal, ale Freundlichova cesta utrpěla špatný osud. Arcivévoda Franz Ferdinand byl zavražděn, zatímco Freundlich procházel Ruskem, vypukla první světová válka a astronom byl zatčen carskými muži a jeho zařízení bylo zabaveno.
**********
Fyzik a filosof Ilse Rosenthal-Schneider byl údajně u Einsteina těsně poté, co v září 1919 dostal telegram se zprávou, že experiment Eddington-Dyson potvrdil jeho předpovědi. Napsala, že Einstein vypadal šťastně, ale ne extaticky, a jeho nedostatek nadšení ji překvapil.
"Takže řekla:" No, co bys řekla, kdyby tě teorie našla proti tobě? " Byl byste v tom případě zklamán? ““ Říká Kennefick. "A [Einstein] se usmál a řekl:" No, tak bych byl líto drahému pánovi, protože teorie je správná. ""
Výsledky byly formálně představeny na schůzi Královské společnosti v Londýně 6. listopadu 1919, čímž se Einstein proslavil světovou slávou. Podle výroku matematika Alfreda Northa Whiteheada: „Celá atmosféra napjatého zájmu byla přesně taková jako v řeckém dramatu: Byli jsme sborem komentujícím dekret o osudu, který byl odhalen ve vývoji nejvyšší události. V inscenaci byla dramatická kvalita - tradiční ceremoniál a na pozadí obrázek Newtona, který nám připomíná, že největší z ceremoniálních zobecnění bylo nyní, po více než dvou stoletích, přijato první úpravou. “
Tento pohled, vytvořený z 23 jednotlivých naskládaných obrázků, ukazuje 42 hvězd, zakroužkovaných žlutě, kolem Slunce během totality. Tvář Měsíce je viditelná kvůli „zemskému svitu“ - slunečnímu světlu odráženému na Zemi - a poté se odrazí od Měsíce. Velké kroužky ukazují korónu zachycenou při různých expozičních dobách. (Richard Berry / Alpaca Meadows Observatory) V roce 1922 však došlo k dalšímu zatmění Slunce, což dalo ostatním šanci potvrdit výsledky Eddingtona a Dysona. Ale v roce 1919 se astronomové přirozeně „nadšili. Byli šťastní. Byli pod napětím. Ale ocenili [mohli] to zkontrolovat za tři roky, “říká Kennefick. "Nemá smysl dávat šampaňské na led po dobu tří let."
Pro toto zatmění v roce 1922 skupina z kalifornské Lick Observatory provedla následný experiment a získala výsledky, které úzce souvisely s Eddingtonem a Dysonem, ale do té doby byl Einstein již slaven. (Dyson se pokus také pokus zopakoval, ale jeho pohled byl zamlžen.)
**********
Od roku 1973 se nepokoušelo zopakovat experiment Eddington-Dyson žádné profesionální úsilí, protože zatmění již není nutné pro měření výchylky slunečního světla, které Einstein předpověděl. Rádiové dalekohledy například umožnily vědcům v 70. letech pozorovat sluneční světlo ohýbající světlo z kvasarů - super jasných galaktických jader, z nichž každý sestával z obří černé díry obklopené diskem, který emituje obrovské množství energie - během dne bez pomoci zatmění.
Většina z desítek amatérských skupin, které Dittrich v roce 2017 koordinovala, aby zopakovala verzi eclipse z počátku 20. století, se dozvěděla, kolik způsobů může jeden běh experimentu projít. V deseti lokalitách měli účastníci problémy se svým vybavením, například s napájením a nadměrným vystavením nebo atmosférickou turbulencí, a nezískali použitelná data. Jedna skupina omylem nakopla stativ dalekohledu v kritickém okamžiku. Tyto chyby zdůrazňují, jak šťastné měly obě expedice z roku 1919 zachytit všechny použitelné hvězdy během totality.
Studenti Berryho a Portland Community College, kteří s ním spolupracovali, byli jednou ze dvou úspěšných skupin ve spolupráci na 12 místech. A pak tu byl Don Bruns, ten amatérský astronom připravený k akci v Casperu ve Wyomingu. Na jeho pozorování se připravoval déle než rok a cvičil znovu a znovu na ty klíčové minuty totality. Se svými pozorováními byl „velkolepě úspěšný“, říká Dittrich.
Amatérští astronomové se chystají pozorovat úplné zatmění Slunce v roce 2017. Zleva doprava: Abraham Salazar (student), Jacob Sharkansky (student), Richard Berry (amatérský astronom), Steve Pinkston (student) a Toby Dittrich (profesor). (S laskavým svolením Richarda Berryho) Data z expedice Eddingtonova principu se promítla do průhybu světla 1, 6 arseconds - úhlové měření vzdálenosti přes oblohu - zatímco desky od Dysonovy posádky v Sobralu navrhly 1, 98 arcseconds a rozpětí nejistoty asi 30 procent. V roce 2017 Bruns, optický fyzik ve výslužbě, pořídil snímky, které byly přeloženy do přesně toho čísla, jaké by Einstein předpověděl - odchylka 1, 7512 vteřin - s nejistotou spojenou s atmosférickými turbulencemi pouze 3 procenta.
Za svou práci na tomto úsilí vyhrál Bruns cenu Chambliss Amateur Achievement Award americké astronomické společnosti. Výsledky byly publikovány v časopise Classical and Quantum Gravity.
Berry, Bruns a Dittrich se již těší na rok 2024, až příští úplné zatmění Slunce přinese do Spojených států magii totality, která bude šikmo probíhat z Texasu do Maine. Dittrich říká, že skupina chce naplánovat větší úsilí na opakování experimentu, s možná ještě přesnějšími výsledky, než které získal Bruns v roce 2017, pokud mohou snížit nejistotu kvůli turbulenci vzduchu.
Při pohledu zpět na experiment Eddington-Dyson je Berry stále ohromen tím, co týmy před 100 lety dělali.
"Byl to experiment, který musel být proveden, a opravdu to opravdu změnilo." Pokud sledujete pouze vývoj relativity a kvantové mechaniky a věcí, které následovaly, “řekl Berry, „ náš moderní svět zcela závisí na tom, jak se tyto věci staly. “
