Da morgenhimmlen blev mørkere over det vestlige Oregon, trak Richard Berrys tre alpakka sig tilbage i deres stald. Det dæmpende dagslys og den lille mængde, der havde samlet sig på Berry gård - flokke uden for byens borgere med pap solbriller og quadcopter droner - stressede dyrene. I mellemtiden udførte månen og solen en sjælden himmelsk ballet over deres hoveder.
Den 21. august 2017 var den første samlede solformørkelse til nåde begge kyster i det kontinentale USA på 99 år i gang. Men Berry, en amatørastronom og tidligere chefredaktør for magasinet Astronomy, og en gruppe studerende fra Portland Community College var ikke bare der for at nyde udsigten. De havde forberedt deres teleskoper og kameraudstyr til at gentage det mest berømte formørkelseseksperiment gennem tidene, den første vellykkede test af Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Næsten hundrede år før Great American Eclipse turde to hold af astronomer til fjerne kyster for at observere en formørkelse, der ville overbevise en skeptisk verden om, at Isaac Newtons teorier om tyngdekraft var forkerte.
En konsekvens af Einsteins teori, der først blev offentliggjort i 1915, er, at massive himmelobjekter, som solen, bøjer rumstidsstoffet omkring sig selv - sådan forklarede Einstein tyngdekraften. Denne astrofysiske teori er meget forskellig fra Newtons tanke om tyngdekraften som en attraktiv kraft, der udøves af al materie. Ifølge Einstein bøjes alt lys, der kører i nærheden af en massiv genstand, sammen med rumtid. I begyndelsen af det 20. århundrede kom Einstein på en måde at demonstrere denne tilsyneladende uhøflige teori ved hjælp af en total solformørkelse.
Einstein lagde udfordringen op som følger: Kortlægge stjernernes positioner omkring solen under totaliteten, de dyrebare øjeblikke, hvor solens direkte lys er fuldstændigt blokeret af månen, så stjernerne i baggrunden kan ses. Og observer de samme stjerner, når der ikke er formørkelse. Hvis hans generelle teori relativt var faktisk korrekt, ville der være en lille forskel i positionerne for disse stjerner - en ændring, der er usynlig for det menneskelige øje, men detekterbar ved fin måling.
I 1919 organiserede de engelske astronomer Arthur Eddington og Frank Dyson ekspeditioner til øen Principe ud for Afrikas vestkyst og til Sobral, Brasilien, for at se, om Einstein havde ret. Den skæbnesvangre dag var 29. maj. Når de offentliggjorde deres resultater, ville verden aldrig være den samme - eller i det mindste vores forståelse af det.
Arthur Eddington (venstre) og Frank Dyson (højre). (Public Domain) I 2017 koordinerede Toby Dittrich, en fysikprofessor ved Portland Community College, et dusin observationsgrupper, herunder Berrys, og sendte to af hans studerende til alpakka-gården og andre til et Oregon-bjerg for at se, om de kunne gøre mindst lige så godt som Eddington og Dyson.
Begge bestræbelser var nødt til at kæmpe med tekniske udfordringer og den usikre vejrforhold, idet kendskabet til, at muligheden for at observere helheden ville være flygtig.
I 1919 havde astronomer den markante luksus over mere end fem minutters totalitet. I 2017 varede den samlede formørkelsesfase kun ca. to minutter for amerikanske seere. At passere skyer eller vind kunne ødelægge observationer i disse dyrebare øjeblikke - faktisk ødelagde skydækket en relativitetstest under den samlede solformørkelse i USA i 1918.
Don Bruns, en amatørastronom, der var stationeret i Casper, Wyoming for formørkelsen i 2017 og koordinerede med Dittrichs indsats, blev delvis inspireret af fire mislykkede forsøg på at gentage Eddington-Dyson-eksperimentet mellem 1936 og 1954.
”Ved at gøre dette lader jeg astronomerne hvile i fred, ” siger Bruns.
**********
Eddington og Dysons respektive ekspertise gjorde dem velegnet til denne formørkelsesjagtopgave. Dyson var Englands astronom Royal og instruerede Royal Observatory i Greenwich. Eddington instruerede Cambridge Observatory, og han lavede også et navn for sig selv inden for teorien for at vise, at solen er i stand til at eksistere som vi kender den, snarere end at kollapse under sin egen vægt, fordi lyset selv udøver et udadrettet pres.
Dette billede viser flashspektret af solens kromosfære, det andet til øverste lag af solens atmosfære, under totaliteten af 21. august 2017-formørkelsen over Oregon. Billedet indfanger formørkelsen ved hver bølgelængde af lys, som atomer i kromosfæren udsender. F.eks. Producerer hydrogenatomer, der udsender lys ved bølgelængden "hydrogen alpha", en rød farve på lyset til højre, mens calciumatomer producerer det lilla til venstre. (Richard Berry / Alpaca Meadows Observatory) Principe-indsatsen, der var stationeret ved en kakaoplanation i den nordvestlige del af den afrikanske ø, blev udført af Eddington og Edwin Cottingham. Duoen brugte for det meste lånt udstyr fra Oxford Observatory, da Eddingtons eget Cambridge Observatorium ikke var specialiseret til formørkelser, ifølge Daniel Kenneficks nye bog, No Shadow of a Doubt: The Eclipse fra 1919, der bekræftede Einsteins relativitetsteori .
Eddington foretog sandsynligvis alle dataanalyserne fra sin ekspedition personligt, selvom ingen poster overlever, som han lavede i løbet af sin rejse - ikke engang de originale fotografiske plader, som er forsvundet over tid. Ifølge den førstehåndsberetning af astrofysiker Subrahmanyan Chandrasekhar, fortalte Dyson Cottingham, at hvis Eddington observerede en mængde afbøjning dobbelt så stor som hvad Einstein forudsagde - et bisarr resultat, som hverken Einstein eller Newtons rammer ville forudse - “Eddington vil blive gal, og du vil skal komme hjem alene. ”
I mellemtiden forlod Dyson faktisk ikke England til lejligheden. Til Sobral, Brasilien, sendte han to medarbejdere, Charles Davidson og Andrew Crommelin, og noget udstyr fra hans observatorium. Da de vendte tilbage, instruerede Dyson analysen af holdets data og samarbejdede med Eddington om den endelige rapport.
Hvert af 1919-holdene var nødt til at vende tilbage med to kritiske stykker data kodet på glasplader. Mindst en plade ville blive taget under totaliteten, mens den anden blev lavet om natten med de samme stjerner på himlen, men ingen sol og måne i forgrunden. Selv hvis dette blev gjort godt, ville personen, der analyserer pladerne, have en reel udfordring.
”Stjernerne så selvfølgelig ud som små cirkler på pladerne, ” siger Kennefick. ”Det viser sig, at ændringen i positionen faktisk er mindre end størrelsen på cirklen. Så det er en meget, meget fin måling at foretage. Det er en meget vanskelig måling at foretage. ”
Heldigvis tjente Dyson med at tjene til denne slags observationer. Hans normale arbejde involverede omhyggelige undersøgelser af stjernestillinger og undersøgelse af små ændringer. Han brugte en lille enhed kaldet en mikrometer skrue, der bevægede sig over pladen fra det ene punkt til det næste og målte afstanden mellem genstande.
De havde held på dagen for formørkelsen i 1919, fordi solen var i nærheden af en meget lys klynge stjerner kaldet Hyades, som Eddington kaldte ”den langt bedste stjernefelt, der var stødt på.” Deres lysstyrke ville gøre dem lettere at få øje på en teleskopplade end svagere stjerner, som kunne gå tabt i blænden fra det ydre område af solens atmosfære, kaldet korona. (Dette overophedede plasma er kun synligt for det blotte øje under en total solformørkelse, når det ser ud til at skimre rundt om den afblåste sol.)
En kopiplade af Dyson-ekspeditionspladen fra 1919 med markeringer, der antages at være foretaget af Dysons gruppe. (Niels Bohr Institut, Københavns Universitet) Selvom det to-aflange eksperiment viste sig at være vellykket, når de begge kom tæt på Einsteins forudsigelse for omfanget af afbøjning, var det ikke uden kontrovers. Et af de to teleskoper i Sobral-ekspeditionen producerede tvivlsomme udseende plader med stjerner, der lignede mere pletter end cirkler. Dyson ser ud til at have opfordret til at smide dataene ud, og nogle historikere spekulerer på, om Eddington-Dyson-gruppen var så håbefuld for at bevise Einstein ret, at de forkert kastede data, der ikke var enige.
Men Kennefick siger, at det er usandsynligt, at Dyson fusede resultaterne. Eddington var videnskabsmanden, der stemmeligt støttede Einsteins forudsigelser, før eksperimentet fandt sted, og han havde intet at gøre med at kaste Sobral-plader.
”Det er sjældent at være fuldstændig neutral i videnskab eller liv, ” skriver Kennefick. ”At straffe Eddington for at være ærlig ved at formulere sine præferencer er blot at bede forskere uærligt undertrykke deres synspunkter.”
**********
Einstein syntes ikke alt for bekymret over, at hans daværende nichsteori endelig ville blive sat på prøve. Nogle har endda antydet, at han var selvtilfreds med hele prøvelsen, så sikker på hans teori, at han ikke var mindst nervøs for, hvad 1919-ekspeditionerne ville finde.
”Berømte videnskabsfolk sagde til ham, ” Jeg kan ikke virkelig tro, hvor rolig du var over dette, ”siger Kennefick. ”De var som 'Åh herregud, dette er utroligt.' Og han sagde: 'Ja, jeg vidste det.'
Fotografi af Albert Einstein dateret 1921. (Universal History Archive / UIG via Getty Images) Men trods Einsteins manglende tvivl ønskede han, at eksperimentet skulle udføres. Allerede i 1911 havde han skrevet til andre astronomer og spurgt, om de kunne gøre denne form for formørkelseseksperiment, og han samlede aktivt penge til årsagen. Han finansierede den tyske astronom Erwin Freundlichs ekspedition til Krim i 1914 for at foretage formørkelsesobservationer Eddington til sidst ville gøre, men Freundlichs rejse led en dårlig skæbne. Ærkehertug Franz Ferdinand blev myrdet, mens Freundlich var på kryds med Rusland, første verdenskrig brød ud, og astronomen blev arresteret af tsarens mænd, hans udstyr blev konfiskeret.
**********
Fysikeren og filosofen Ilse Rosenthal-Schneider var angiveligt sammen med Einstein lige efter at han modtog et telegram i september 1919 med nyheder om, at Eddington-Dyson-eksperimentet bekræftede hans forudsigelser. Hun skrev, at Einstein syntes glad, men ikke i ekstase, og hans manglende entusiasme overraskede hende.
”Så, hun sagde, 'Nå, hvad ville du have sagt, hvis teorien havde fundet imod dig? Ville du have været skuffet i det tilfælde? '”Siger Kennefick. ”Og [Einstein] smilede og sagde: 'Nå, da ville jeg have ked af den kære herre, fordi teorien er korrekt.'”
Resultaterne blev formelt præsenteret på Royal Society-mødet i London den 6. november 1919 og fremdrev Einstein til verdensberømmelse. I henhold til matematikeren Alfred North Whiteheads beretning: ”Hele atmosfæren af spændt interesse var nøjagtigt den af det græske drama: Vi var koret, der kommenterede skæbneskønt dekretet som beskrevet i udviklingen af en højeste hændelse. Der var dramatisk kvalitet i selve iscenesættelsen - den traditionelle ceremonielle og i baggrunden billedet af Newton for at minde os om, at den største ceremonielle generalisering nu var efter mere end to århundreder at modtage sin første ændring. ”
Denne visning, der er lavet af 23 individuelle stablede billeder, viser 42 stjerner, cirkuleret i gul, omkring solen under totaliteten. Månens ansigt er synligt på grund af "jordskin" - solens lys reflekteret af jorden - og derefter hopper ud af månen. De store ringe viser korona, der er fanget ved forskellige eksponeringstider. (Richard Berry / Alpaca Meadows Observatory) Der var dog endnu en solformørkelse i 1922, hvilket gav andre en chance for at bekræfte Eddington og Dysons resultater. Men naturligvis, i 1919, blev astronomer ”begejstrede. De var glade. De blev tændt. Men de satte pris på [de kunne] kontrollere det om tre år, ”siger Kennefick. ”Der er ingen mening i at lægge champagnen på is i tre år.”
For den formørkelse fra 1922 foretog en gruppe fra Californiens Lick-observatorium et opfølgende eksperiment og fik resultater, der var tæt på linje med Eddington og Dyson, men på det tidspunkt blev Einstein allerede fejret. (Dyson forsøgte også at gentage eksperimentet, men hans syn blev forsvundet.)
**********
Ingen faglig indsats har prøvet at gentage Eddington-Dyson-eksperimentet siden 1973, da formørkelser ikke længere er nødvendige for at måle solens lysafbøjning, som Einstein forudsagde. Radioteleskoper, for eksempel, gjorde det muligt for forskere i 1970'erne at observere solen bøjende lys fra kvasarer - superlys, galaktiske kerner, der hver består af et kæmpe sort hul omgivet af en disk, der udsender enorme mængder energi - i løbet af dagen uden hjælp af en formørkelse.
De fleste af de dusin amatørgrupper, som Dittrich koordinerede i 2017 for at gentage den tidlige 20. århundredes version af formørkelseseksperimentet, lært, hvor mange måder et enkelt forsøgseksempel kan falde igennem. På ti af webstederne havde deltagerne problemer med deres udstyr, såsom strømforsyning og overeksponering eller atmosfærisk turbulens, og de fik ikke brugbare data. En gruppe sparkede ved et uheld på teleskopets stativ i et kritisk øjeblik. Disse tabber understreger, hvor heldige begge to ekspeditioner fra 1919 var at have fanget brugbare stjerner i det hele taget.
Berry og Portland Community College-studerende, der arbejdede med ham, var en af to succesrige grupper i samarbejdet på 12 steder. Og så var der Don Bruns, den amatørastronom klar til handling i Casper, Wyoming. Han havde forberedt sig i mere end et år på sine observationer, og han havde øvd igen og igen for de afgørende minutter af totalitet. Han var "spektakulært vellykket" med sine observationer, siger Dittrich.
Amatørastronomer forbereder sig på at observere den samlede solformørkelse i 2017. Venstre til højre: Abraham Salazar (studerende), Jacob Sharkansky (studerende), Richard Berry (amatørastronom), Steve Pinkston (studerende) og Toby Dittrich (professor). (Med tilladelse fra Richard Berry) Data fra Eddingtons Principe-ekspedition oversat til en let afbøjning på 1, 6 arsekunder - en vinkelmåling af afstanden over himlen - mens plader fra Dysons besætning i Sobral antydede 1, 98 buesekunder og en usikkerhedsmargin på ca. 30 procent. I 2017 tog Bruns, en pensioneret optisk fysiker, billeder, der oversatte til nøjagtigt antallet, som Einstein ville forudsige - en nedbøjning på 1.7512 bue-sekunder - med en usikkerhed, der er relateret til atmosfærisk turbulens, på kun 3 procent.
For sit arbejde med denne indsats vandt Bruns American Astronomical Society's Chambliss Amateur Achievement Award. Han blev offentliggjort i tidsskriftet Classical and Quantum Gravity.
Berry, Bruns og Dittrich ser allerede frem til 2024, næste gang en total solformørkelse bringer magien om totalitet til De Forenede Stater, der løber diagonalt fra Texas til Maine. Dittrich siger, at gruppen ønsker at planlægge en større indsats for at gentage eksperimentet med muligvis endnu mere præcise resultater, end Bruns fik i 2017, hvis de kan reducere usikkerheden på grund af lufturbulens.
Når man ser tilbage på Eddington-Dyson-eksperimentet, er Berry stadig forbløffet over betydningen af, hvad holdene gjorde for 100 år siden.
”Det var et eksperiment, der skulle udføres, og det gjorde virkelig en forskel. Hvis du bare følger udviklingen af relativitet og derefter kvantemekanik og de ting, der fulgte, ”sagde Berry, “ vores moderne verden afhænger helt af, at disse ting er sket. ”
