Μια ολική έκλειψη του ήλιου είναι μια μαγική στιγμή, κρατάει μόλις και μετά βίας λίγα λεπτά. Αλλά μία από αυτές τις εκλείψεις – που έγινε πριν 90 χρόνια – έφερε ριζικές αλλαγές στις αντιλήψεις μας για ολόκληρο το Σύμπαν. Άλλαξε ολόκληρο το οικοδόμημα της Φυσικής, αφού όμως για δύο αιώνες οι φυσικοί είχαν πιστέψει την άποψη του Ισαάκ Νεύτωνα για το Σύμπαν. Πριν λοιπόν 90 χρόνια οι ιδέες του τελευταίου αμφισβητήθηκαν έντονα από ένα νεαρό γερμανό επιστήμονα, τον Άλμπερτ Αϊνστάιν. Το γεγονός που έκρινε την επικράτηση των απόψεων του Αϊνστάιν ήταν η ολική έκλειψη της 29ης Μαΐου του 1919, ενώ τα αποτελέσματά της παρουσιάστηκαν στις 6 Νοεμβρίου του 1919.
Η άποψη του Νεύτωνα γράφτηκε στο μνημειώδες έργο του Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, που δημοσιεύθηκε το 1687, μια μαγική χρονιά για τη φυσική. Στην Principia – όπως είναι γνωστό σε όλους – προβλέπεται ένα σύνολο μαθηματικών νόμων που περιγράφουν όλες οι μορφές της κίνησης στο Σύμπαν. Οι κανόνες αυτοί εφαρμόζονται τόσο για την κίνηση των πλανητών γύρω από τον Ήλιο, όπως και σε πιο πεζά αντικείμενα, όπως τα μήλα που πέφτουν από τα δέντρα.
Στην καρδιά της σκέψης του Νεύτωνα για το Σύμπαν ήταν οι ιδέες του για το χώρο και το χρόνο. Ο χώρος ήταν κάτι το άκαμπτο, όπως ορίστηκε από τον αρχαίο Έλληνα μαθηματικό Ευκλείδη στους νόμους της γεωμετρίας που φέρουν το όνομα του. Στο Νεύτωνα ο χώρος ήταν το ακίνητο και άκαμπτο πεδίο δράσης πάνω στο οποίο ενεργούν οι κινήσεις των σωμάτων. Ο χρόνος ήταν κι αυτός απόλυτος, που περνούσε αμείλικτα με τον ίδιο ρυθμό για όλους τους παρατηρητές στο Σύμπαν.
Ο Ισαάκ Νεύτωνας πρότεινε την πρώτη θεωρία της βαρύτητας
Για πάνω από 200 χρόνια, οι επιστήμονες έβλεπαν τον Κόσμο μέσα από τα μάτια του Νεύτωνα. Ήταν ένα τεράστιο μηχανικό ρολόι, που εξελισσόταν με προκαθορισμένους κανόνες, μέσω του συνήθους διαστήματος, σύμφωνα με τους κτύπους ενός απόλυτου ρολογιού. Αυτό το οικοδόμημα κυριάρχησε ολοκληρωτικά στην επιστημονική σκέψη, μέχρι να προσβληθεί από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν.
Το 1905, ο Αϊνστάιν κατάργησε τον απόλυτο χαρακτήρα του νευτώνειου χώρου και του χρόνου. Παρά το γεγονός ότι γεννήθηκε στη Γερμανία, κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου της ζωής του εργαζόταν ως υπάλληλος του γραφείου των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας στην Βέρνη. Συμπύκνωσε μάλιστα τις νέες ιδέες του για την κίνηση, τον χώρο και τον χρόνο στην ειδική θεωρία της σχετικότητας. Όμως χρειάστηκαν άλλα δέκα χρόνια ώσπου ο Αϊνστάιν να επεξεργαστεί τις πλήρεις συνέπειες των ιδεών του, συμπεριλαμβανομένης και της βαρύτητας. Η γενική θεωρία της σχετικότητας, που για πρώτη φορά δημοσιεύτηκε το 1915, τη στιγμή που ολόκληρη η Ευρώπη σπαραζόταν από τα δεινά του πρώτου παγκόσμιου πολέμου. Η θεωρία του ήταν πλήρης, όπως και η περιγραφή της κίνησης από το Νεύτωνα, όπως την είχε δημοσιεύσει στο έργο του Principia. Αλλά η περιγραφή της βαρύτητας από τον Αϊνστάιν απαιτούσε ο χώρος να είναι κυρτός. Αν ο χώρος του Νεύτωνα ήταν ένα άκαμπτο πλαίσιο, για τον Αϊνστάιν ήταν κυρτός κοντά σε σώματα με μάζα. Αυτή η στρέβλωση του χώρου, με τη σειρά της, θα ήταν υπεύθυνη για την κίνηση των αντικειμένων, για παράδειγμα όπως οι πλανήτες κινούνται κατά μήκος των τροχιών τους στον χώρο, που είναι κυρτωμένος γύρω από τον Ήλιο.
Τη στιγμή που ανέπτυξε τη γενική θεωρία του ο Αϊνστάιν ήταν στο Βερολίνο σαν καθηγητής στο εκεί Πανεπιστήμιο. Αλλά ένα αντίγραφο της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του σύντομα διέρρευσε λαθραία, την εποχή του Α! Παγκόσμιου Πολέμου, στο Καίμπριτζ της Βρετανίας, μέσω ενός αστρονόμου που έμενε στην ουδέτερη Ολλανδία.
Εκεί διαβάστηκε από τον Arthur Stanley Eddington, που ήταν τότε ο κορυφαίος αστροφυσικός της Βρετανίας και υπέρμαχος – από τους λίγους εκείνη την εποχή- της θεωρίας του Αϊνστάιν. Κάποτε μάλιστα ρωτήθηκε: «Είναι αλήθεια», ότι μόνον τρεις άνθρωποι στον κόσμο κατανοούν τη γενική θεωρία της σχετικότητας;» «Ποιος είναι ο τρίτος;», θα απαντήσει με απάθεια εκείνος – επιφυλάσσοντας το ιερό αυτό δικαίωμα μόνο στον εαυτό του και στον Αϊνστάιν.
Ο Άρθουρ Έντιγκτον συνειδητοποίησε ότι η θεωρία του Αϊνστάιν θα μπορούσε να δοκιμαστεί. Εάν ο χώρος πραγματικά στρεβλώνεται από την βαρύτητα, τότε το φως που θα διέρχεται μέσα από αυτόν δεν θα ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή, αλλά θα ακολουθεί μια καμπύλη τροχιά. Όσο δε ισχυρότερη είναι η δύναμη της βαρύτητας, τόσο περισσότερο το φως θα πρέπει να κάμπτεται. Έτσι, η κάμψη της ακτίνας θα είναι μεγαλύτερη όταν θα περνά πολύ κοντά σε ένα σώμα με πολύ μεγάλη μάζα, όπως ο ήλιος.
Δυστυχώς, τα πιο μεγάλα γνωστά αντικείμενα στους αστρονόμους εκείνη την εποχή ήταν, επίσης, πολύ φωτεινά. Ήταν μια εποχή προτού ανακαλυφθούν οι μαύρες τρύπες ή τα άστρα με ισχυρό πεδίο βαρύτητας. Ο Ήλιος ήταν ιδιαίτερα χρήσιμος, και ακριβώς στην γειτονιά μας. Αλλά είναι αδύνατο να δούμε πώς το φως από άλλα μακρινά αστέρια μπορεί να καμφθεί από τη βαρύτητα του Ήλιου, επειδή το φως του ήλιου είναι τόσο λαμπρό, που σκεπάζει εντελώς το φως από τα αντικείμενα πέρα από αυτόν.
Η ιστορική έκλειψη Ηλίου κατά το 1919
Ο Άρθουρ Έντιγκτον κατάλαβε τι πρέπει να κάνει. Θα παρατηρούσε το φως των πολύ μακρινών άστρων (στο υπόβαθρο του ουρανού) που περνούσαν δίπλα από τον Ήλιο κατά τη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης του, όταν δηλαδή το φως του ήλιου εξαφανιζόταν για λίγα λεπτά. Έτσι, θα μπορούσε να δει τα απόμακρα αστέρια που φαίνονταν να είναι δίπλα από τον ήλιο στον ουρανό. Αν λοιπόν είχε δίκιο ο Αϊνστάιν, η βαρύτητα του ήλιου θα μετατόπιζε αυτά τα αστέρια σε ελαφρώς διαφορετικές θέσεις, σε σύγκριση με τις θέσεις που ήταν στον ουρανό της νύχτας σε άλλες περιόδους του έτους, όταν ο ήλιος ήταν μακριά από αυτές. Και όσο πιο κοντά φαινόταν το αστέρι στον Ήλιο κατά τη διάρκεια της ολικής έκλειψης, τόσο μεγαλύτερη θα ήταν η μετατόπιση στον ουρανό του άστρου.
Σκίτσο όπου φαίνεται η φαινόμενη και η πραγματική θέση ενός άστρου στον ουρανό εξ αιτίας της κάμψης των ακτίνων του άστρου από το βαρυτικό πεδίο του Ήλιου
Ο Έντιγκτον άρχισε να ασκεί πίεση στην βρετανική επιστημονική κοινότητα να οργανώσει ένα πείραμα. Ο τότε Βασιλικός αστρονόμος, Frank Watson Dyson, συνειδητοποίησε ότι η ολική έκλειψη της 29ης Μαΐου του 1919 ήταν ιδανική. Δεν ήταν μόνο ασυνήθιστα μεγάλη σε διάρκεια (περίπου έξι λεπτά, σε σύγκριση με τα δύο έως τρία λεπτά που βιώνουμε συνήθως), αλλά κατά τη διάρκεια εκείνης της ολικής έκλειψης ο Ήλιος θα ήταν ακριβώς μπροστά από τις Υάδες, ένα σύμπλεγμα από φωτεινά αστέρια.
Albert Einstein – Arthur Stanley Eddington – Frank Dyson
Αλλά σε αυτό το σημείο η ιστορία έκανε μία στροφή. Ο Έντιγκτον ήταν Κουάκερος και, ως τέτοιος, ήταν ειρηνιστής. Το 1917, μετά από τις καταστροφικές απώλειες των συμμάχων στον ποταμό Somme της Γαλλίας, η βρετανική κυβέρνηση έκανε μια μεγάλη στρατολόγηση των πολιτών για τις ένοπλες δυνάμεις. Ο Έντιγκτον αρνήθηκε να στρατολογηθεί και απειλείτο με ποινή φυλάκισης. Στο τέλος, η παρέμβαση του Frank Dyson ήταν ζωτικής σημασίας που έπεισε την κυβέρνηση να μην επιστρατευθεί ο Έντιγκτον, υπό την προϋπόθεση ότι, αν ο πόλεμος είχε τελειώσει το 1919, ο ίδιος ο Έντιγκτον έκανε τη μέτρηση της κάμψης του φωτός κατά την διάρκεια της ολικής έκλειψης του Ήλιου στις 29 Μαΐου του 1919 . Τα υπόλοιπα, όπως λένε, είναι ιστορία.
Η ολική όμως έκλειψη του 1919 ήταν πλήρως ορατή πάνω από την βόρεια Βραζιλία έως την Δυτική Αφρική. Για την περίπτωση κακών καιρικών συνθηκών (μεταξύ άλλων λόγων) οργανώθηκαν δύο αποστολές: η μία στην πόλη Sobral, στη Βραζιλία, και η άλλη στο νησί Πρίντσιπε (Principe), στον Κόλπο της Γουινέας κοντά στις ακτές της Δυτικής Αφρικής. Ο ίδιος ο Έντιγκτον πήγε στο νησί Πρίντσιπε. Η εκστρατεία στην Sobral είχε επικεφαλής τον Andrew Crommelin από το Βασιλικό Αστεροσκοπείο στο Γκρήνουιτς.
Οι αποστολές δυστυχώς δεν έγιναν επακριβώς σύμφωνα με το σχέδιο. Όταν η ημέρα της έκλειψης (29 Μαΐου) ξημέρωσε στη νήσο Πρίντσιπε, ο Έντιγκτον συνάντησε μια καταιγίδα και καταρρακτώδεις βροχές. Έως τα μέσα του απογεύματος ο ουρανός είχε εν μέρει καθαρίσει και έτσι πήρε μερικές φωτογραφίες μέσω των νεφών. Ο Εντιγκτον ωστόσο επέτυχε να λάβει μια σχετικά καθαρή φωτογραφία της εκλείψεως. Η βιαστική ανάλυσή της τον οδήγησε να αναγγείλει τηλεγραφικά: «Μέσα από τα σύννεφα, βλέπω μια ακτίνα αισιοδοξίας». Η ανάλυση έδειχνε πράγματι ότι η απόκλιση της φωτεινής ακτίνας συμφωνούσε με την πρόβλεψη του Αϊνστάιν.
Εν τω μεταξύ, στην πόλη Sobral, ο Crommelin είχε πολύ καλύτερο καιρό – αλλά είχαν γίνει σοβαρά λάθη στον εξοπλισμό του. Εστίασε το κύριο τηλεσκόπιο του το βράδυ πριν από την έκλειψη, αλλά δεν προνόησε τις στρεβλώσεις που θα ελάβαιναν χώρα καθώς η ανέβηκε θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ευτυχώς, είχε πάρει ένα εφεδρικό τηλεσκόπιο μαζί του, και αυτό στο τέλος πήρε τα καλύτερα αποτελέσματα από όλα.
Μετά την έκλειψη, ο ίδιος ο Έντιγκτον μέτρησε προσεκτικά τις θέσεις των άστρων που εμφανίζονταν στην περιοχή που έγινε η έκλειψη του Ήλιου, ενώ εκτέθηκαν σε φιλμ τόσο στην Sobral όσο και στην Πρίνσιπε. Τα φιλμ στη συνέχεια συνέκρινε με τις θέσεις αναφοράς που είχαν ληφθεί προηγουμένως, όταν το σμήνος των Υάδων ήταν ορατό στο νυχτερινό ουρανό. Οι μετρήσεις έπρεπε να ήταν εξαιρετικά ακριβείς, και αυτό όχι μόνο επειδή η αναμενόμενη εκτροπή ήταν μικρή. Οι εικόνες από τα αστέρια ήταν επίσης αρκετά θολές, λόγω των προβλημάτων με τα τηλεσκόπια και επειδή φαίνονται μέσα από το λαμπρό φως της ατμόσφαιρας του ήλιου, το ηλιακό στέμμα.
Λίγο αργότερα τα αποτελέσματα της έρευνας ήταν έτοιμα και παρουσιάστηκαν στον κύριο επιστημονικό φορέα της Βρετανίας, την Βασιλική Εταιρεία, σε ειδική συνεδρίαση στο Λονδίνο πριν 90 χρόνια στις 6 Νοεμβρίου του 1919. Ο Dyson, σαν Βασιλικός αστρονόμος έλαβε το λόγο, και ανακοίνωσε ότι οι μετρήσεις δεν υποστήριζαν την μακροχρόνια αποδεκτή θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα. Αντίθετα, ήταν σύμφωνες με τις προβλέψεις της νέας θεωρίας του Αϊνστάιν.
Η τελική απόδειξη: η μικρή κόκκινη γραμμή (αριστερά πάνω) δείχνει πόσο μετατοπίστηκε η θέση του άστρου από τη βαρύτητα του ήλιου.
Είναι ωστόσο γεγονός ότι οι φωτογραφίες της εκλείψεως με δυσκολία έπειθαν ότι αποτελούσαν μια επιβεβαίωση της θεωρίας. Τα σφάλματα της αναλύσεως ήταν μεγάλα, και οι συνθήκες παρατήρησης απείχαν πολύ από τις ιδανικές. Αξίζει να σημειωθεί ότι η γωνιακή απόκλιση, που προέβλεπε ο Αϊνστάιν, ισοδυναμούσε με τη μετακίνηση ενός κεριού που βρίσκεται σε απόσταση ενός χιλιομέτρου μόλις κατά ένα εκατοστό του μέτρου!
Η αντίδραση του τύπου ήταν εξαιρετική, με τίτλους σαν αυτόν: «Επανάσταση στην Επιστήμη – Η νέα θεωρία του Σύμπαντος – Οι νευτώνειες ιδέες ανατράπηκαν». Ο Αϊνστάιν εμφανίστηκε άμεσα στα πρωτοσέλιδα των μέσων μαζικής ενημέρωσης όλου του κόσμου και, σχεδόν εν μία νυκτί, έγινε γνωστό το όνομα του. Ήταν κάτι περισσότερο από αυτόν που ανακάλυψε τη νέα επιστημονική θεωρία, έγινε θρύλος σε όλο τον κόσμο. Η φήμη του απογειώθηκε, και την προσωπικότητά του θα περιβάλλει πια η αχλύς του μύθου και της υπερβολής. Μετά από τόσα χρόνια πολέμου, το κοινό αγκάλιασε μια στιγμή που μετέφερε την ανθρωπότητα από τη φρίκη της καταστροφής στο μεγαλείο του ανθρώπινου μυαλού, που ξεγύμνωσε τα μυστικά του Σύμπαντος. Οι δύο ειρηνιστές που ήρθαν στο προσκήνιο – ο βρετανός Eddington και ο γερμανός Αϊνστάιν – ήταν ιδιαίτερα ικανοποιημένοι από τη συμφιλίωση μεταξύ των δύο λαών τους, που ήρθε από αυτά τα αποτελέσματα.
Αριστερά: Οι δύο αστρονόμοι Arthur ddington και Frank Dyson βρήκαν ότι η φαινόμενη ακτινική μετατόπιση των μεμονωμένων άστρων στον ουρανό υποστήριζε τη θεωρία του Αϊνστάιν.
Όμως, η λαϊκή αντίληψη των αποτελεσμάτων της έκλειψης διέφερε αρκετά σημαντικά από τον τρόπο που αντιμετωπίστηκαν κατά την επιστημονική κοινότητα. Οι φυσικοί τότε ήταν δικαιολογημένα επιφυλακτικοί. Ο Έντιγκτον χρειάστηκε να κάνει σημαντικές διορθώσεις σε ορισμένες από τις μετρήσεις, για διάφορους τεχνικούς λόγους, και στο τέλος αποφάσισε να αφήσει ορισμένες μετρήσεις από την πόλη Sobral εκτός από τους υπολογισμούς του εντελώς. Έτσι, πολλοί επιστήμονες υποπτεύονταν ότι είχε μαγειρέψει τα ‘βιβλία’. Αν και η υποψία έμενε για χρόνια σε ορισμένους κύκλους, στο τέλος τα αποτελέσματα επιβεβαιώνοντας από έκλειψη σε έκλειψη με ολοένα υψηλότερη ακρίβεια.
Σε αυτό τον κοσμικό ‘βαρυτικό φακό, ένα τεράστιο σμήνος γαλαξιών στρεβλώνει το φως από πιο απομακρυσμένους γαλαξίες σε ένα σχήμα γιγάντιου τόξου. Ο Αϊνστάιν όμως δεν έζησε αρκετά για να δει το φαινόμενο του βαρυτικού εστιασμού αν και το είχε προβλέψει.
Σήμερα οι αστρονόμοι είναι τόσο σίγουροι για τη θεωρία του Αϊνστάιν, που στηρίζονται στην κάμψη του φωτός από τη βαρύτητα για να κατασκευάσουν τηλεσκόπια τόσο μεγάλα όσο σχεδόν όλο το Σύμπαν. Όταν οι συνθήκες είναι κατάλληλες, η βαρύτητα μπορεί να μετατοπίσει αρκετά τη θέση ενός αντικειμένου. Η ιδανική κατάσταση είναι όταν κοιτάζουμε πολύ μακριά στο διάστημα, και δεν βλέπουμε ένα μόνο άστρο, σαν τον Ήλιο μας, αλλά ένα σύμπλεγμα από εκατοντάδες γαλαξίες – με μια συνολική μάζα 100 εκατομμύρια εκατομμυρίων σαν του ήλιου. Ο καμπυλωμένος χώρος αυτού του τεράστιου «βαρυτικού φακού» μπορεί να συγκεντρώσει το φως από τα πιο απομακρυσμένα αντικείμενα, και να το εστιάσει σε λαμπρά καμπύλα τόξα στον ουρανό. Από το μέγεθος των τόξων, οι αστρονόμοι μπορούν να «ζυγίσουν» το σύμπλεγμα των γαλαξιών.
Εξήγηση του κοσμικού βαρυτικού φακού: Η κάμψη της ακτίνας του φωτός από ένα μακρινό γαλαξία από ένα (σε μικρότερη απόσταση) μεγάλο σμήνος γαλαξιών. Ο μοναχικός γαλαξίας (πάνω αριστερά) εμφανίζεται να βρίσκεται σε δύο ταυτόχρονες θέσεις – εικόνες (πάνω δεξιά και κάτω αριστερά).
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου