Когда утреннее небо потемнело над западным Орегоном, три альпаки Ричарда Берри отступили в свой сарай. Тусклый дневной свет и небольшая толпа, собравшаяся на ферме Берри - стада незнакомцев с картонными солнечными очками и беспилотными летательными аппаратами - подчеркивали животных. Тем временем луна и солнце исполняли редкий небесный балет над их головами.
21 августа 2017 года началось первое полное солнечное затмение, которое украсило оба побережья континентальной части Соединенных Штатов за 99 лет. Но Берри, астроном-любитель и бывший главный редактор журнала Astronomy, и группа студентов из Портлендского общественного колледжа были не просто для того, чтобы насладиться видом. Они подготовили свои телескопы и оборудование для камер, чтобы повторить самый известный эксперимент затмения всех времен, первый успешный тест общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Почти за сто лет до Великого американского затмения две группы астрономов отважились на отдаленные берега, чтобы наблюдать затмение, которое убедило бы скептически настроенный мир в том, что теории гравитации Исаака Ньютона ошибочны.
Одним из следствий теории Эйнштейна, впервые опубликованной в 1915 году, является то, что массивные небесные объекты, такие как солнце, изгибают ткань пространства-времени вокруг себя - именно так Эйнштейн объяснил притяжение гравитации. Эта теория астрофизики сильно отличается от представления Ньютона о гравитации как о силе притяжения, оказываемой всей материей. Согласно Эйнштейну, любой свет, движущийся вблизи массивного объекта, искривляется вместе с пространством-временем. В начале 20-го века Эйнштейн придумал способ продемонстрировать эту, казалось бы, нелепую теорию, используя полное солнечное затмение.
Эйнштейн сформулировал задачу следующим образом: наметьте положение звезд вокруг солнца во время тотальности, тех драгоценных моментов, когда прямой свет солнца полностью блокируется луной, позволяя видеть звезды на заднем плане. И наблюдать те же звезды, когда нет затмения. Если бы его общая теория была относительно правильной, то положение этих звезд было бы незначительным - изменение, невидимое для человеческого глаза, но обнаруживаемое с помощью точных измерений.
В 1919 году английские астрономы Артур Эддингтон и Фрэнк Дайсон организовали экспедиции на остров Принсипи у западного побережья Африки и в Собрал, Бразилия, соответственно, чтобы выяснить, прав ли Эйнштейн. Роковой день был 29 мая. Как только они обнародуют свои результаты, мир уже никогда не будет прежним - или, по крайней мере, нашим пониманием этого.
Артур Эддингтон (слева) и Фрэнк Дайсон (справа). (Всеобщее достояние) В 2017 году Тоби Диттрих, профессор физики в Общественном колледже Портленда, координировал дюжину групп наблюдений, в том числе Берри, отправив двух своих учеников на ферму альпака и других на гору Орегон, чтобы посмотреть, смогут ли они справиться хотя бы с Эддингтоном и Dyson.
Оба усилия должны были справиться с техническими проблемами и переменчивой погодой, зная, что окно возможностей для наблюдения совокупности будет мимолетным.
В 1919 году астрономы обладали особой роскошью, составляющей более пяти минут. В 2017 году фаза полного затмения для американских зрителей длилась всего около двух минут. Проходящие облака или ветер могут испортить наблюдения в эти драгоценные моменты - фактически, облачный покров разрушил испытание относительности во время полного солнечного затмения в США в 1918 году.
Дон Бранс, астроном-любитель, находящийся в Каспере, штат Вайоминг, для затмения 2017 года и координирующий усилия Диттриха, был частично вдохновлен четырьмя неудачными попытками воспроизвести эксперимент Эддингтона-Дайсона между 1936 и 1954 годами.
«Делая это, я позволил астрономам покоиться с миром», - говорит Брунс.
**********
Соответствующий опыт Эддингтона и Дайсона сделал их хорошо подходящими для этой задачи по поиску затмения. Дайсон был английским астрономом и руководил Королевской обсерваторией в Гринвиче. Эддингтон руководил Кембриджской обсерваторией, и он также сделал себе имя в области теории, показав, что солнце способно существовать в том виде, в каком мы его знаем, а не разрушаться под собственным весом, потому что сам свет оказывает внешнее давление.
На этом изображении показан спектр вспышки хромосферы Солнца, второго верхнего слоя солнечной атмосферы, во время полного затмения 21 августа 2017 года над Орегоном. Изображение захватывает затмение на каждой длине волны света, излучаемого атомами в хромосфере. Например, атомы водорода, излучающие свет с длиной волны «альфа-водорода», дают красный цвет света справа, а атомы кальция - пурпурный слева. (Ричард Берри / Обсерватория Альпаки Медоуза) Усилия Принсипи, размещенные на плантации какао в северо-западной части африканского острова, были предприняты Эддингтоном и Эдвином Коттингемом. Дуэт использовал в основном заимствованное оборудование из Оксфордской обсерватории, поскольку собственная Кембриджская обсерватория Эддингтона не специализировалась на затмениях, согласно новой книге Даниэля Кеннефика « Без тени сомнения: затмение 1919 года, которое подтвердило теорию относительности Эйнштейна» .
Вероятно, Эддингтон лично провел весь анализ данных своей экспедиции, хотя не сохранилось ни одной записи, которую он сделал во время своего путешествия, - даже оригинальных фотопластин, которые пропали без вести с течением времени. Согласно непосредственному рассказу астрофизика Субрахманяна Чандрасекара, Дайсон сказал Коттингему, что если бы Эддингтон наблюдал величину отклонения, вдвое превышающую то, что предсказывал Эйнштейн - странный результат, которого не ожидали ни Эйнштейн, ни Ньютон, - «Эддингтон сойдет с ума, и вы будете должен прийти домой один.
Между тем, Дайсон на самом деле не покинул Англию по этому поводу. В Бразилию, Собрал, он отправил двух своих сотрудников, Чарльза Дэвидсона и Эндрю Кроммелина, и некоторое оборудование из своей обсерватории. Когда они вернулись, Дайсон руководил анализом данных команды и сотрудничал с Эддингтоном в окончательном отчете.
Каждая из команд 1919 года должна была вернуться с двумя критическими данными, закодированными на стеклянных пластинах. По крайней мере, одна тарелка была бы взята во время тотального, а другая была сделана ночью с теми же звездами на небе, но без солнца и луны на переднем плане. Даже если бы это было сделано хорошо, у человека, анализирующего планшеты, была бы настоящая проблема.
«Звезды, конечно, выглядели как маленькие кружочки на пластинах», - говорит Кеннефик. «Получается, что изменение позиции на самом деле меньше, чем размер круга. Так что это очень, очень точное измерение. Это очень сложное измерение ».
К счастью, Дайсон зарабатывал на жизнь такими наблюдениями. Его обычная работа включала тщательное изучение звездных позиций и изучение небольших изменений. Он использовал небольшое устройство, называемое микрометрическим винтом, которое перемещалось по пластине от одной точки к другой и измеряло расстояние между объектами.
Им повезло в день затмения 1919 года, потому что Солнце находилось рядом с очень ярким скоплением звезд, называемым Гиадами, которое Эддингтон назвал «безусловно лучшим звездным полем, с которым встречались». Их яркость облегчила бы их обнаружение на пластине телескопа. чем более слабые звезды, которые могли быть потеряны в ярком свете внешней области солнечной атмосферы, называемой короной. (Эта перегретая плазма видна невооруженным глазом только во время полного солнечного затмения, когда она кажется мерцающей вокруг залитого солнцем.)
Копия таблички экспедиции Дайсона 1919 года с маркировкой, предположительно сделанной группой Дайсона. (Институт Нильса Бора, Копенгагенский университет) Хотя двусторонний эксперимент оказался успешным, оба приблизились к предсказанию Эйнштейна о величине отклонения, это не обошлось без противоречий. Один из двух телескопов в Собральной экспедиции создавал сомнительные пластинки со звездами, которые больше напоминали пятна, чем круги. Дайсон, кажется, призвал выбросить данные, и некоторые историки задаются вопросом, была ли группа Эддингтона-Дайсона настолько надеется доказать, что Эйнштейн был прав, что они неправильно выбросили данные, которые не согласились.
Но Кеннефик говорит, что вряд ли Дайсон обманул результаты. Эддингтон был ученым, который высказывался в поддержку предсказаний Эйнштейна до того, как был проведен эксперимент, и он не имел ничего общего с подбрасыванием пластин Собрала.
«Редко быть полностью нейтральным в науке или жизни», - пишет Кеннефик. «Наказать Эддингтона за то, что он честно сформулировал свои предпочтения, - это просто попросить ученых нечестно подавить их взгляды».
**********
Эйнштейн не казался слишком обеспокоенным тем, что его тогдашняя нишевая теория, наконец, будет проверена. Некоторые даже предположили, что он самодоволен в отношении всего испытания, настолько уверенного в своей теории, что он не испытывал ни малейшего беспокойства по поводу того, что обнаружат экспедиции 1919 года.
«Известные ученые сказали ему:« Я не могу поверить, насколько ты был спокоен по этому поводу », - говорит Кеннефик. «Они говорили:« Боже мой, это невероятно ». И он говорил: «Да, я знал».
Фотография Альберта Эйнштейна, датированная 1921 годом. (Универсальный исторический архив / UIG через Getty Images) Но, несмотря на отсутствие сомнений у Эйнштейна, он хотел провести эксперимент. Еще в 1911 году он написал другим астрономам вопрос, могут ли они провести такой эксперимент с затмением, и он активно собирал деньги для этой цели. Он финансировал экспедицию немецкого астронома Эрвина Фрейндлиха в Крым в 1914 году, чтобы сделать наблюдения затмения, которые в конечном итоге сделает Эддингтон, но путешествие Фрейндлиха постигла неудача. Эрцгерцог Франц Фердинанд был убит, когда Фрейндлих пересекал Россию, началась Первая мировая война, и астроном был арестован царскими людьми, его оборудование было конфисковано.
**********
Физик и философ Илзе Розенталь-Шнайдер якобы были с Эйнштейном сразу после того, как он получил телеграмму в сентябре 1919 года с новостями о том, что эксперимент Эддингтона-Дайсона подтвердил его предсказания. Она написала, что Эйнштейн казался счастливым, но не в восторге, и его отсутствие энтузиазма удивило ее.
«Итак, она сказала:« Ну, что бы вы сказали, если бы теория нашла против вас? Вы были бы разочарованы в этом случае? »- говорит Кеннефик. «И [Эйнштейн] улыбнулся и сказал:« Ну, тогда я бы пожалел дорогого лорда, потому что теория верна ».»
Результаты были официально представлены на заседании Королевского общества в Лондоне 6 ноября 1919 года, продвинув Эйнштейна к мировой известности. Согласно отчету математика Альфреда Норта Уайтхеда: «Вся атмосфера напряженного интереса была именно такой, как в греческой драме: мы были хором, комментирующим указ о судьбе, раскрытый в развитии высшего инцидента. В самой постановке было поразительное качество - традиционный церемониал, а на заднем плане картина Ньютона, напоминающая нам о том, что величайшее из церемониальных обобщений теперь, спустя более двух веков, получило свою первую модификацию ».
На этом снимке, сделанном из 23 отдельных суммированных изображений, изображены 42 звезды, обведенные желтым, вокруг Солнца в целом. Лицо луны видно из-за "земного сияния" - солнечного света, отраженного Землей, - а затем отскакивает от луны. Большие кольца показывают корону, захваченную в разное время экспозиции. (Ричард Берри / Обсерватория Альпаки Медоуза) Однако в 1922 году произошло еще одно солнечное затмение, которое дало другим возможность подтвердить результаты Эддингтона и Дайсона. Но, естественно, в 1919 году астрономы «погорячились. Они были счастливы. Они были под напряжением. Но они оценили [они могли] проверить это через три года », - говорит Кеннефик. «Нет смысла класть шампанское на лед в течение трех лет».
Во время этого затмения 1922 года группа из калифорнийской обсерватории Лик провела последующий эксперимент и получила результаты, которые точно соответствовали результатам Эддингтона и Дайсона, но к тому времени Эйнштейн уже хорошо прославился. (Дайсон также пытался повторить эксперимент, но его взгляд был затуманен.)
**********
Никакие профессиональные усилия не пытались повторить эксперимент Эддингтона-Дайсона с 1973 года, поскольку затмения больше не нужны для измерения отклонения солнечного света, которое предсказывал Эйнштейн. Например, радиотелескопы позволили ученым в 1970-х годах наблюдать за солнцем, изгибающим свет от квазаров - сверхярких галактических ядер, каждое из которых состоит из гигантской черной дыры, окруженной диском, излучающим огромные количества энергии, - в течение дня без посторонней помощи. затмения.
Большинство из дюжины любительских групп, которые Диттрих координировал в 2017 году, чтобы повторить версию эксперимента «Затмение» начала 20-го века, узнали, сколько способов может пройти один прогон эксперимента. На десяти участках у участников были проблемы с их оборудованием, такие как электропитание и передержка, или атмосферная турбулентность, и они не получили полезных данных. Одна группа случайно ударила штатив телескопа в критический момент. Эти промахи подчеркивают, насколько удачливыми были обе экспедиции 1919 года, которые захватили какие-либо пригодные для использования звезды за все время.
Учащиеся Берри и Общественный колледж Портленда, работавшие с ним, были одной из двух успешных групп в совместной работе на 12 объектах. А потом был Дон Бранс, этот астроном-любитель, готовый к действию в Каспере, штат Вайоминг. Он больше года готовился к своим наблюдениям, и он много раз тренировался в эти решающие минуты тотальности. По словам Дитриха, он был «поразительно успешен» со своими наблюдениями.
Астрономы-любители готовятся к наблюдению полного солнечного затмения 2017 года. Слева направо: Авраам Салазар (студент), Якоб Шарканский (студент), Ричард Берри (астроном-любитель), Стив Пинкстон (студент) и Тоби Диттрих (профессор). (Предоставлено Ричардом Берри) Данные из экспедиции Эддингтона в Принсипи перевели на легкое отклонение в 1, 6 арсекунды - угловое измерение расстояния по небу - в то время как на пластинах из экипажа Дайсона в Собрале было предложено 1, 98 угловых секунды и предел неопределенности около 30 процентов. В 2017 году Брунс, физик-физик в отставке, сделал снимки, переведенные точно в число, которое предсказал Эйнштейн - отклонение в 1, 7512 угловых секунд - с неопределенностью, связанной с атмосферной турбулентностью, всего 3 процента.
За свою работу в этом направлении Брунс получил награду Американского астрономического общества «За достижения в области любительских достижений». Его результаты были опубликованы в журнале Classical and Quantum Gravity.
Берри, Брунс и Диттрих уже с нетерпением ждут 2024 года, когда в следующий раз полное солнечное затмение принесет магию тотальности в Соединенные Штаты по диагонали от Техаса до Мэна. Диттрих говорит, что группа хочет запланировать большие усилия, чтобы повторить эксперимент, возможно, даже с более точными результатами, чем Брунс получил в 2017 году, если они могут уменьшить неопределенность из-за турбулентности воздуха.
Оглядываясь назад на эксперимент Эддингтона-Дайсона, Берри все еще восхищается значимостью того, что команды делали 100 лет назад.
«Это был эксперимент, который нужно было провести, и он действительно, действительно имел значение. Если вы просто следите за развитием относительности, а затем за квантовой механикой и за тем, что за этим последовало, - сказал Берри, - наш современный мир полностью зависит от того, что произошло ».
