Da morgenhimmelen mørknet over det vestlige Oregon, trakk Richard Berrys tre alpakka seg ned i låven deres. Dimmende dagslys og lite folkemengde som hadde samlet seg på Berry gård - flokker utenbysbyer med pappsolbriller og quadcopter-droner - stresset dyrene. I mellomtiden fremførte månen og solen en sjelden himmelsk ballett over hodet.
21. august 2017 var den første totale solformørkelsen til nåde begge kystene i det kontinentale USA på 99 år i gang. Men Berry, amatørastronom og tidligere sjefredaktør for magasinet Astronomy, og en gruppe studenter fra Portland Community College var ikke bare der for å glede seg over utsikten. De hadde forberedt sine teleskoper og kamerautstyr for å gjenta det mest berømte formørkelseseksperimentet gjennom tidene, den første vellykkede testen av Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Nesten hundre år før Great American Eclipse våget to team av astronomer til fjerne kyster for å observere en formørkelse som ville overbevise en skeptisk verden om at Isaac Newtons teorier om tyngdekraft var gale.
En konsekvens av Einsteins teori, først publisert i 1915, er at massive himmelobjekter, som sola, bøyer stoffet i romtiden rundt seg selv - det er slik Einstein forklarte tyngdekraften. Denne astrofysikkteorien er veldig forskjellig fra Newtons tanke om tyngdekraften som en attraktiv kraft som utøves av all materie. I følge Einstein er alt lys som beveger seg i nærheten av en massiv gjenstand bøyd sammen med romtid. På begynnelsen av 1900-tallet fant Einstein en måte å demonstrere denne tilsynelatende uhøflig teori ved å bruke en total solformørkelse.
Einstein la utfordringen ut som følger: Kartlegge stjernenes posisjoner rundt solen under totaliteten, de dyrebare øyeblikkene når solens direkte lys er fullstendig blokkert av månen, slik at stjernene i bakgrunnen kan sees. Og observer de samme stjernene når det ikke er formørkelse. Hvis hans generelle teori relativt sett faktisk var riktig, ville det være en liten forskjell i posisjonene til disse stjernene - en forandring som er usynlig for det menneskelige øye, men detekterbar ved fin måling.
I 1919 organiserte engelske astronomer Arthur Eddington og Frank Dyson ekspedisjoner til øya Principe utenfor vestkysten av Afrika og til henholdsvis Sobral, Brasil, for å se om Einstein hadde rett. Den skjebnesvangre dagen var 29. mai. Når de offentliggjorde resultatene, ville verden aldri være den samme - eller i det minste vår forståelse av det.
Arthur Eddington (til venstre) og Frank Dyson (til høyre). (Offentlig domene) I 2017 koordinerte Toby Dittrich, en fysikkprofessor ved Portland Community College, et titalls observasjonsgrupper inkludert Berrys, og sendte to av studentene hans til alpakka-gården og andre til et Oregon-fjell for å se om de kunne gjøre minst like bra som Eddington og Dyson.
Begge anstrengelser måtte kjempe med tekniske utfordringer og værs uredelighet, og visste at vinduet med muligheter for å observere helheten ville være flyktig.
I 1919 hadde astronomer den tydelige luksusen på mer enn fem minutters totalitet. I 2017 varte den totale formørkelsesfasen bare omtrent to minutter for amerikanske seere. Passerende skyer eller vind kan ødelegge observasjonene i de dyrebare øyeblikkene - faktisk ødela skydekket en relativitetstest under USAs totale solformørkelse i 1918.
Don Bruns, en amatørastronom som var stasjonert i Casper, Wyoming for formørkelsen i 2017 og koordinerte med Dittrichs innsats, ble delvis inspirert av fire mislykkede forsøk på å gjenskape Eddington-Dyson-eksperimentet mellom 1936 og 1954.
"Ved å gjøre dette, lar jeg astronomene hvile i fred, " sier Bruns.
**********
Eddington og Dysons respektive ekspertise gjorde dem godt egnet til denne formørkelsesjaktoppgaven. Dyson var Englands astronom Royal og ledet Royal Observatory på Greenwich. Eddington dirigerte Cambridge Observatory, og han ga seg også et navn i teoriområdet for å vise at solen er i stand til å eksistere slik vi kjenner den, i stedet for å kollapse under sin egen vekt, fordi lyset selv utøver et utadrettet press.
Dette bildet viser blitsspekteret til solens kromosfære, det andre til toppsjiktet av solens atmosfære, under helheten av formørkelsen 21. august 2017 over Oregon. Bildet fanger formørkelsen ved hver bølgelengde av lys som atomer i kromosfæren avgir. For eksempel produserer hydrogenatomer som avgir lys ved "hydrogen-alfa" -bølgelengden en rød farge på lyset til høyre, mens kalsiumatomer produserer det lilla til venstre. (Richard Berry / Alpaca Meadows Observatory) Principe-innsatsen, stasjonert ved en kakaoplanasje i den nordvestlige delen av den afrikanske øya, ble utført av Eddington og Edwin Cottingham. Duoen brukte stort sett lånt utstyr fra Oxford Observatory, siden Eddingtons eget Cambridge Observatory ikke var spesialisert for formørkelser, ifølge Daniel Kenneficks nye bok, No Shadow of a Doubt: The Eclipse fra 1919 som bekreftet Einsteins relativitetsteori .
Eddington gjorde sannsynligvis all dataanalysen fra ekspedisjonen personlig, selv om ingen poster overlever som han gjorde under reisen - ikke engang de originale fotografiske platene som har gått glipp av over tid. I følge den førstehåndsberetningen av astrofysiker Subrahmanyan Chandrasekhar, sa Dyson til Cottingham at hvis Eddington observerte en mengde avbøyning dobbelt så stor som hva Einstein forutså - et bisarr resultat som verken Einstein eller Newtons rammer ville forvente - “Eddington vil bli gal, og du vil må komme hjem alene. ”
I mellomtiden forlot Dyson ikke England for anledningen. Til Sobral, Brasil, sendte han to av sine ansatte, Charles Davidson og Andrew Crommelin, og noe utstyr fra observatoriet. Da de kom tilbake, ledet Dyson analysen av teamets data og samarbeidet med Eddington om den endelige rapporten.
Hvert av 1919-teamene trengte å komme tilbake med to kritiske dataopplysninger kodet på glassplater. Minst en plate ville bli tatt under helheten, mens den andre ble laget om natten med de samme stjernene på himmelen, men ingen sol og måne i forgrunnen. Selv om dette ble gjort bra, ville personen som analyserte platene ha en virkelig utfordring.
"Stjernene så selvfølgelig ut som små sirkler på tallerkenene, " sier Kennefick. “Det viser seg at endringen i stillingen faktisk er mindre enn størrelsen på sirkelen. Så det er en veldig, veldig fin måling å gjøre. Det er en veldig vanskelig måling å gjøre. ”
Heldigvis tjente Dyson ved å tjene på denne typen observasjoner. Hans normale arbeid innebar nøye studier av stjernestillinger og undersøkte små forandringer. Han brukte en liten enhet kalt en mikrometer skrue, som beveget seg over platen fra det ene punktet til det neste og målte avstanden mellom objekter.
De hadde flaks på dagen for formørkelsen i 1919 fordi solen var i nærheten av en veldig lys klynge av stjerner kalt Hyades, som Eddington kalte “den desidert beste stjernefelt som møttes.” Deres lysstyrke ville gjøre dem lettere å få øye på en teleskopplate enn svakere stjerner, som kan gå tapt i gjenskinnet til det ytre området av solens atmosfære, kalt korona. (Dette overopphetede plasmaet er bare synlig for det blotte øye under en total solformørkelse, når det ser ut til å skimre rundt den bortblåste solen.)
En kopi-plate av Dyson-ekspedisjonsplaten fra 1919, med markeringer som antas å være laget av Dysons gruppe. (Niels Bohr-instituttet, Københavns Universitet) Selv om det tostrengede eksperimentet viste seg å være vellykket, og begge kom nær Einsteins prediksjon for mengden avbøyning, var det ikke uten kontroverser. Et av de to teleskopene i Sobral-ekspedisjonen produserte tvilsomme utseende plater, med stjerner som lignet mer på flekker enn sirkler. Dyson ser ut til å ha oppfordret til å kaste dataene ut, og noen historikere lurer på om Eddington-Dyson-gruppen var så håpefull å bevise Einstein rett at de feilaktig kastet ut data som ikke stemte.
Men Kennefick sier at det er lite sannsynlig at Dyson fusket resultatene. Eddington var forskeren som vokalt støttet Einsteins spådommer før eksperimentet fant sted, og han hadde ingenting å gjøre med å kaste Sobral-plater.
"Det er sjelden å være helt nøytral i vitenskap eller liv, " skriver Kennefick. "Å straffe Eddington for å være ærlig når det gjelder å formulere sine preferanser, ber bare om at forskere uærlig undertrykker synspunktene."
**********
Einstein virket ikke altfor bekymret for at hans daværende nisjeteori endelig ville bli satt på prøve. Noen har til og med antydet at han var selvsikker over hele prøvelsen, så sikker på teorien hans at han ikke var den minste nervøs for hva 1919-ekspedisjonene ville finne.
"Kjente forskere sa til ham: 'Jeg kan ikke tro hvor rolig du var med dette, ' sier Kennefick. "De var som 'Herregud, dette er utrolig.' Og han sa: 'Ja, det visste jeg.'
Fotografi av Albert Einstein datert 1921. (Universal History Archive / UIG via Getty Images) Men til tross for Einsteins manglende tvil, ønsket han at eksperimentet skulle gjennomføres. Allerede i 1911 hadde han skrevet til andre astronomer og spurt om de kunne gjøre denne typen formørkelseseksperimenter, og han samlet aktivt inn penger til saken. Han finansierte den tyske astronomen Erwin Freundlichs ekspedisjon til Krim i 1914 for å gjøre formørkelsesobservasjoner Eddington til slutt ville gjøre, men Freundlichs reise led en dårlig skjebne. Erkehertugene Franz Ferdinand ble myrdet mens Freundlich gikk over Russland, første verdenskrig brøt ut, og astronomen ble arrestert av tsarens menn, utstyret hans konfiskert.
**********
Fysikeren og filosofen Ilse Rosenthal-Schneider skulle angivelig være sammen med Einstein like etter at han fikk et telegram i september 1919 med nyheter om at Eddington-Dyson-eksperimentet bekreftet spådommene hans. Hun skrev at Einstein virket glad, men ikke i ekstase, og hans mangel på entusiasme overrasket henne.
“Så, hun sa: 'Vel, hva ville du sagt hvis teorien hadde funnet mot deg? Ville du blitt skuffet i det tilfellet? ', Sier Kennefick. "Og [Einstein] smilte og sa: 'Vel, da hadde jeg vært lei meg for den kjære herren, fordi teorien er riktig.'"
Resultatene ble formelt presentert på Royal Society-møtet i London 6. november 1919, og fremmet Einstein til verdensberømmelse. I følge redegjørelsen til matematikeren Alfred North Whitehead: “Hele atmosfæren med anspent interesse var nøyaktig den av det greske dramaet: Vi var koret som kommenterte skjebnen til skjebne som ble avslørt i utviklingen av en suveren hendelse. Det var dramatisk kvalitet i selve iscenesettelsen - den tradisjonelle seremonielle, og i bakgrunnen bildet av Newton for å minne oss om at den største seremonielle generaliseringen nå var etter mer enn to århundrer å motta sin første modifisering. ”
Denne utsikten, laget av 23 individuelle stablede bilder, viser 42 stjerner, sirklet i gult, rundt solen under helheten. Månens ansikt er synlig på grunn av "jordskinn" - solens lys reflektert av jorden - og deretter spretter av månen. De store ringene viser korona fanget ved forskjellige eksponeringstider. (Richard Berry / Alpaca Meadows Observatory) Imidlertid var det nok en solformørkelse i 1922, noe som ga andre en sjanse til å stadfeste Eddington og Dysons resultater. Men naturlig nok, i 1919, ble astronomer “begeistret. De var glade. De fikk energi. Men de satte pris på [de kunne] sjekke det om tre år, sier Kennefick. "Det er ingen vits i å legge champagnen på is på tre år."
For den formørkelsen fra 1922 gjorde en gruppe fra Californias Lick Observatory et oppfølgingseksperiment og fikk resultater som var nøye på linje med Eddington og Dyson, men da var Einstein allerede godt feiret. (Dyson prøvde også å gjenta eksperimentet, men synet hans ble forsvunnet.)
**********
Ingen profesjonell innsats har prøvd å gjenskape Eddington-Dyson-eksperimentet siden 1973, ettersom formørkelser ikke lenger er nødvendige for å måle solens lysavbøyning som Einstein spådde. Radioteleskoper tillot for eksempel forskere på 1970-tallet å observere solen som bøyer lys fra kvasarer - superlyse galaktiske kjerner, som hver består av et gigantisk svart hull omgitt av en skive som avgir enorme mengder energi - på dagtid uten hjelp av en formørkelse.
De fleste av dusin amatørgrupper Dittrich koordinerte i 2017 for å gjenta den tidlige 1900-tallsversjonen av formørkelseseksperimentet lært hvor mange måter en enkelt kjøring av et eksperiment kan falle gjennom. På ti av stedene hadde deltakerne problemer med utstyret deres, for eksempel strømforsyning og overeksponering, eller atmosfærisk turbulens, og de fikk ikke brukbare data. En gruppe sparket tilfeldigvis teleskopets stativ i et kritisk øyeblikk. Disse tabberne understreker hvor heldig begge ekspedisjonene fra 1919 var for å ha fanget noen brukbare stjerner i løpet av helheten.
Berry og Portland Community College-studenter som jobbet med ham var en av to vellykkede grupper i samarbeidet med 12 sider. Og så var det Don Bruns, den amatørastronomen klar til handling i Casper, Wyoming. Han hadde forberedt seg i mer enn et år på sine observasjoner, og han hadde øvd igjen og igjen for de viktige minuttene av totalitet. Han var "fantastisk suksessfull" med sine observasjoner, sier Dittrich.
Amatørastronomer forbereder seg på å observere den totale solformørkelsen i 2017. Venstre til høyre: Abraham Salazar (student), Jacob Sharkansky (student), Richard Berry (amatørastronom), Steve Pinkston (student) og Toby Dittrich (professor). (Med tillatelse av Richard Berry) Data fra Eddingtons Principe-ekspedisjon oversatt til en lett avbøyning på 1, 6 arsekunder - en vinkelmåling av avstanden over himmelen - mens plater fra Dysons mannskap i Sobral antydet 1, 98 buesekunder og en usikkerhetsmargin på rundt 30 prosent. I 2017 tok Bruns, en pensjonert optisk fysiker, bilder som oversatte til nøyaktig antallet Einstein ville forutsi - en avbøyning på 1.7512 buesekunder - med en usikkerhet, relatert til atmosfærisk turbulens, på bare 3 prosent.
For sitt arbeid med denne innsatsen vant Bruns American Astronomical Society's Chambliss Amateur Achievement Award. Hans resultater ble publisert i tidsskriftet Classical and Quantum Gravity.
Berry, Bruns og Dittrich gleder seg allerede til 2024, neste gang en total solformørkelse vil bringe magien om helhet til USA, som går diagonalt fra Texas til Maine. Dittrich sier at gruppen ønsker å planlegge en større innsats for å gjenta eksperimentet, med muligens enda mer nøyaktige resultater enn Bruns fikk i 2017 hvis de kan redusere usikkerheten på grunn av lufturbulens.
Når jeg ser tilbake på Eddington-Dyson-eksperimentet, er Berry fortsatt forferdet av betydningen av hva teamene gjorde for 100 år siden.
”Det var et eksperiment som måtte gjøres, og det gjorde virkelig en forskjell. Hvis du bare følger utviklingen av relativitet og deretter kvantemekanikk og tingene som fulgte, "sa Berry, " vår moderne verden er helt avhengig av at disse tingene har skjedd. "
