29 maja 1919 roku o 12:28 na Ziemię padł cień Księżyca. Przemierzył środkową część Ameryki Południowej, przeciął Atlantyk i dobiegł do środkowej Afryki. O 15:49 zjawisko zakończyło się przy wschodnich wybrzeżach Czarnego Lądu. Fizycy z niecierpliwością oczekiwali wyników badań, które były przy okazji prowadzone.

Zaledwie kilka lat wcześniej Albert Einstein stworzył ogólną teorię względności. Jednym z wniosków z niej płynących było stwierdzenie, że rozchodzący się po linii prostej promień świetlny, przechodząc w pobliżu dużej masy, ulega zakrzywieniu. Ilustruje to poniższy rysunek.

Jednym ze zjawisk przewidzianych przez ogólną teorię względności jest ugięcie promienia świetlnego w pobliżu dużej masy. Na rysunku pada on z lewej strony, grawitacja Słońca (Sun) powoduje, że skręca on o kat delta do góry.

Należało teraz znaleźć wielką masę i sprawdzić czy teoria jest poprawna. Mogło nią być Słońce. Jak jednak sprawdzić czy następuje ugięcie? Obserwować światło gwiazdy znajdującej się w podobnym jak Słońce kierunku na niebie. Szkopuł w tym, że gwiazd w dzień nie widać… ale gdyby tak zasłonić Słońce? Najlepiej Księżycem, czyli przeprowadzić obserwacje w czasie całkowitego zaćmienia Słońca?

Jaki powinien być wynik obserwacji? Na skutek ugięcia promienia świetlnego, gwiazdę powinniśmy widzieć nieco przesuniętą w kierunku “od Słońca”. Podobne zjawisko następuje codziennie o świcie i zmierzchu. Światło słoneczne ugina się (skręca) w ziemskiej atmosferze i dlatego widzimy tarczę słoneczną nieco wcześniej rano i nieco później wieczorem niż wynikałoby to z wyliczeń nie uwzględniających ugięcia. Oczywiście nie jest to efekt relatywistyczny, a jedynie wynik przejścia światła przez warstwy powietrza o różnej gęstości.

Relatywistyczne ugięcie promienia świetlnego opisywane jest wzorem:

alfa = (4*G*M)/(c2*r)

gdzie G=6,67*10-11Nm2/kg2 – stała powszechnego ciążenia, M=1,98*1030kg – masa ciała zakrzywiającego światło, w tym przypadku Słońca, c=3*108m/s – prędkość światła, a r=6,96*108m – odległość w jakiej światło mija środek masy uginającego je ciała, w naszym przypadku r jest promieniem Słońca. Po podstawieniu danych, wyliczeniu kąta alfa i zamianie go z radianów na stopnie/minuty/sekundy otrzymamy, że przewidziane ugięcie wynieść powinno 1,75 sekundy łuku.

Obserwacje w 1919 roku prowadzono zarówno w Brazylii jak i w Afryce. Potwierdziły one przypuszczenia Einsteina, zmiana położenia gwiazdy była bardzo subtelna, ale dokładnie taka, jaką przewidział wielki fizyk.

Ciekawy jest jeszcze jeden fakt związany z tymi obserwacjami: Otóż, gdyby naiwnie potraktować foton jak normalny lecący kamień, to jego tor też powinien się uginać w pobliżu Słońca pod wpływem siły grawitacji. Ale okazuje się, że wyliczony wtedy kąt jest 2 razy mniejszy niż przewidywania OTW. Doświadczenie w czasie zaćmienia jednoznacznie pokazało, że wynik OTW jest prawidłowy. Teoria Newtonowska, traktująca nawet fotony jak zwykłe kamienie, nie jest w stanie tego wytłumaczyć. Oto był prawdziwy sukces.

85 lat temu świat uwierzył, że teoria Einsteina, choć pozornie szalona, dobrze opisuje Wszechświat. OTW jest w tej chwili podstawą kosmologii. Bez nie moglibyśmy mówić o rozszerzaniu się Kosmosu, wszechświatach otwartych, płaskich i zamkniętych, soczewkowaniu grawitacyjnym itd.

Teoria ma również zastosowanie na poletku Układu Słonecznego. Prawidłowo opisuje precesję orbity Merkurego – fakt, że linia łącząca peryhelium i aphelium orbity planety powoli zmienia swoje położenie. Tempo tej zmiany jest opisywane przez teorię Einsteina.

Najbardziej przemawiającym dowodem jej poprawności jest działanie Jeśli nie działa GPS, to jesteśmy w Łodzi…“>systemu GPS. Umożliwia on z wielką dokładnością określanie położenia na powierzchni naszej planety. Bez uwzględniania relatywistycznych poprawek do ruchu satelitów systemu GPS nie działałby.

Czy OTW jest prawdziwa? Wciąż szukamy w niej dziury, ale od prawie 100 lat nie możemy jej znaleźć. Nie ma dziś eksperymentu, który by jej zaprzeczyłby. Jest to chyba najdoskonalsza teoria fizyczna jaką stworzył człowiek…

Autor

Michał Matraszek

Komentarze

  1. jacek    

    czyli bliżej i dalej zarazem? — …gwiazd oczywiście 🙂

    bo już mi się marzy jakiś teleskop Einsteina 😀 zastępujący poczciwego Newtona, taki np z malutką czarną dziurką w środku, który by załamywał i skupiał światło bez żadnych aberacji jednych czy drugich 😀

    a dalej..?, bo niestety wychodzi nato że gwiazdy, chociaż tak ładne, są poza naszym fizycznym zasięgiem, skoro nie mozna wybudować jakiegoś statku kosmicznego szybszego od światła 🙁

    p.s.
    och mam nadzięję, że to początek, takich cotygodniowych opowiastek tłumaczących wielkie prawa i teorie fizyki nam maluczkim?, które tak miło się czyta 🙂

  2. Tomek S.    

    bardzo dobre — Bardzo dobry tekst.
    Polecam wszystkim niedowiarkom…

    Tomek S.
    ps. ograniczam swoje wypowiedzi do minimum, bo mam sesje.

Komentarze są zablokowane.