• Sunday June 16,2019

Ist Technologie zu gut für einen alten Test der Relativitätstheorie von Einstein?

Anonim

Am 21. August werden Himmelsgucker aus der ganzen Welt in den Vereinigten Staaten zusammentreffen, da eine totale Sonnenfinsternis einen Weg von Oregon nach South Carolina darstellt. Dazwischen, am Casper Mountain in Wyoming, finden Sie Don Bruns mit seinem Teleskop.

Der pensionierte Physiker Bruns nutzt die seltene Gelegenheit, um die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein zu testen, wie Sir Arthur Eddington, der 1919 der erste Wissenschaftler war, der diese Theorie testete. Damals war das Newtonsche Gesetz der allgemeinen Schwerkraft noch in Mode, aber Einstein erschütterte den Status Quo, indem er seine allgemeine Relativitätstheorie vorstellte, die Zeit- und dreidimensionalen Raum in einem vierdimensionalen Kontinuum namens Raumzeit verschmolz. Nach Einstein war die Schwerkraft keine Kraft; stattdessen war es eine Verzerrung der Raumzeit.

Der erste Test

Seine Theorie war gerade vier Jahre alt, als Eddington es 1919 während einer Sonnenfinsternis auf die Probe stellte. Sowohl Theos Einsteins als auch Newtons Theorie deuteten darauf hin, dass Licht von weit entfernten Objekten sich verzerren oder verbiegen würde, während es durch Schwerkraftfelder von Duckington ging massive Gegenstände wie die Sonne. Einsteins Theorie deutete an, dass die Sonne das Licht eines Sterns um winzige 1, 75 Bogensekunden - nur 0, 000486 Grad - biegen würde, während Newtons schwerkraftbedingtes Sternenlicht sich um die Hälfte dieses Wertes verbiegen würde. Um zu sehen, wer richtig war, müssten Sie einfach die scheinbaren Positionen der Sterne in der Nacht mit ihrer Position während des Tages vergleichen, wenn ihr Licht durch das Gravitationsfeld der Sonne fällt.

Eine Sonnenfinsternis war der perfekte Zeitpunkt, um einen solchen Test durchzuführen. Im Januar 1919 fotografierte Eddington die realen Positionen der Sterne im Hyaden-Cluster, da das Licht dieser Sterne durch das Gravitationsfeld der Sonne fällt. Aber um die zweite Hälfte des Experiments durchzuführen, muss man tagsüber dieselben Sterne fotografieren, jedoch in der Dunkelheit. Im Mai fotografierte er dieselbe Gruppe während einer Sonnenfinsternis, als Sterne in den Hyaden sichtbar blieben. Indem Eddington ein Bild der realen Sternpositionen über die Bilder seiner Positionen während der Sonnenfinsternis legte, konnte er die scheinbare Verschiebung messen, die durch die Schwerkraft der Sonne verursacht wird.

Als Eddington die beiden Bilder verglich, war eine Verschiebung deutlich sichtbar. Auf der Grundlage seiner Berechnungen kam Eddington zu dem Schluss, dass die Relativitätstheorie die Menge des gebogenen Lichts genauer vorhersagte als die von Newton.

So wie die Wissenschaftler des Laser Interferometer Gravitationswellen-Observatoriums 2015 die erste Entdeckung einer Gravitationswelle bestätigten, war Eddingtons Entdeckung die Titelseite. Er wurde ein Star. Bei weiterer Untersuchung ließen die Ergebnisse für viele Wissenschaftler jedoch zu wünschen übrig. Eddington verwendete fotografische Silbernitratplatten, um Bilder des Himmels aufzunehmen, und die Bildauflösung war nicht genau. Ferner ergab eine der drei fotografischen Platten eine Messung, die Newtons Theorie der Schwerkraft bestätigt hätte, sie wurde jedoch aufgrund eines "systemischen Fehlers" aus dem Experiment entfernt.

Eddington war auch ein bekannter Pazifist, und einige Wissenschaftler glaubten, dass sein Experiment mit Bestätigungsvoreingenommenheit durchgeführt wurde. Nach dem Ersten Weltkrieg waren die Beziehungen zwischen Wissenschaftlern in Deutschland und im Vereinigten Königreich gelinde gesagt ausgefranst. Einige spekulieren, dass Eddington, ein Brite, seinen Landsmann Newton zugunsten des Deutschen Einstein in einem Akt internationaler wissenschaftlicher Diplomatie zur Heilung alter Wunden widerlegt hatte.

Sogar Stephen Hawking hatte Zweifel an Eddingtons Ergebnissen, wie er in seiner kurzen Geschichte der Zeit schrieb . Andere Physiker argumentieren jedoch, dass viele Physiker, wenn sie heute mit Eddingtons Daten präsentiert würden, zu derselben Schlussfolgerung kommen würden.

Noch ein Test

Daher kehren wir zu dem Bürgerwissenschaftler Bruns zurück, der in gewisser Weise versuchen wird, Eddington zu verteidigen und seine Ergebnisse zu beweisen. Aber fast 100 Jahre später wird der Versuch von Bruns möglicherweise durch eine zu gute Technologie vereitelt.

Die moderne Fotografie ist längst über die Platten hinausgegangen, aber in diesem Fall führt der Fortschritt des technischen Fortschritts nicht unbedingt zu besseren Ergebnissen. Um eine klarere Auflösung zu erhalten, verwenden Digitalkameras Pixel, die selbst auf Mikroebene zu groß sind, um die scheinbare Positionsverschiebung zu erfassen, die die Relativitätstheorie belegt.

Eddingtons ursprüngliches Experiment zeigte, dass das Sternenlicht der Sonne die scheinbare Position nur um 1, 75 Bogensekunden verbiegt. Wenn Licht auf die Linie zwischen zwei Pixeln fällt, wird es von der Bildgebungssoftware zu einem benachbarten Pixel verschoben. Wenn also der Schwerpunkt eines Sterns auf die Linie fällt, werden im Bild Abweichungen sichtbar, die größer oder kleiner sind als die tatsächlich vorhandenen.

"Es ist das schwierigste Experiment, das ich in meiner Karriere gemacht habe", sagt er. 1973 wurde das letzte Mal ein Relativitätsexperiment während einer totalen Sonnenfinsternis durchgeführt. Technologie wurde als uralt betrachtet. Ich meine Glasplatten, keine Computer, es ist wirklich eine andere Ära. Also dachte ich 2017 nach.

Es wäre ein Kinderspiel, kein Problem. Es stellt sich heraus, dass es immer noch ziemlich hart ist. “

Bruns behauptet, dass es "keinen wissenschaftlichen Wert" für das, was er tut, gibt; Er sagt, er teste nur die Relativität zum Spaß. Im Februar 2016 kündigten die Wissenschaftler die erste Gravitationswellenerkennung an und bestätigten, dass Einstein die ganze Zeit über korrekt war. Doch wie die Zahlensucher, die Pi mit immer mehr Ziffern berechnen, ist der Akt der Wissenschaft manchmal eine Belohnung für sich.

Alex King, Lehrstuhl für Physik und Astronomie an der Austin Peay State University, würde mit Bruns nicht einverstanden sein. King glaubt, dass es sicherlich einen zwingenden wissenschaftlichen Grund gibt, ein altes Experiment durchzuführen. Die Auflösungsfehler in Eddingtons Fotos waren Grund genug für die APSU, um Finanzierung zu suchen, um das gleiche Experiment in diesem Sommer durchzuführen. Aber die Bemühungen der APSU wurden durch das, was King die Politisierung der "Finanzierung der Grundlagenforschung" nennt, blockiert - sie konnten das Geld nicht bekommen.

Glücklicherweise hat Bruns die Erfahrung, es am ecplise-Tag zu schaffen. Im Jahr 1992 gründete Bruns eine Firma namens Stellar Products, die standardmäßige adaptive Optiksysteme herstellte. Bruns verließ Stellar im Jahr 2014, aber diese Erfahrung vermittelte ihm tiefes Wissen über Ausrüstungsoptionen, die gut funktionieren würden. Als er sich für die Finger Lakes ML8051 Kamera entschied, leihte der Hersteller ihm eine kostenlos. Dann wird er die Kamera an einem TeleVue NP101-Teleskop montieren, um das Fokusverhältnis zu optimieren. Unglücklicherweise wird es einen gewissen Fehler geben, solange Pixel für die Erstellung eines Bildes erforderlich ist. Nach ein paar Probeläufen glaubt Bruns, dass er die Marge auf rund 1 Prozent gekürzt hat. Er sagt, andere Bürgerwissenschaftler, die versucht haben, das Experiment nur zu versuchen, konnten ihre Fehlerquote auf 10 Prozent verringern.

Die Kamera, für die sich Bruns entschieden hat, ist monochrom - sie schießt in Schwarzweiß. Digitale Farbfotografie funktioniert wie Pointillismus; Anstatt ein einfarbiges Bild zu malen, fängt es das Bild in kleinen Punkten ein. Wenn eine Digitalkamera in Farbe fotografiert, reagiert jedes zweite Pixel anders auf Licht, so Bruns. Dies wirkt sich auf die Genauigkeit aus.

"Früher hatten diese sehr langen 15- und 20-Fuß-Teleskope ein sehr kleines Brennweitenverhältnis", sagt er unter Bezugnahme auf Eddington und andere Wissenschaftler aus der Zeit von Einstein. „Aber jetzt haben wir ein sehr kurzes Kompaktteleskop. Es ist nur 2 Meter lang, aber optische Verzerrung ist jetzt ein Problem. “

Kürzere, moderne Teleskope korrigieren Koma und optische Aberrationen, aber der Fehler, den sie bei der Verzerrung verursachen, ist größer als der Fehler von Einsteins Ablenkungen, sagt Bruns. Mit anderen Worten, Bruns macht Kompromisse.

Nur zum Spaß

In Bruns 'Fall ist seine Zeit einer der größten Kompromisse. Zu dem Zeitpunkt, als er mit Discover sprach, hatte er bereits rund 2.000 Stunden damit verbracht, allein nach Verzerrung zu suchen. Das ist von fast 4.000 Projektstunden, und der Rest widmete er dem Durchsuchen von Sterncharts nach Basisvergleichsdaten, der Erstellung von Software zur besseren Verarbeitung seiner Daten und der Behandlung aller anderen Teile des Experiments, die die Fehlerquote beeinträchtigen könnten. Er hat sogar untersucht, wie die Auswirkungen von Brisen und atmosphärischen Turbulenzen minimiert werden können. Laut Burns kann das Sternenlicht auf drei bis vier Pixel verteilt werden.

Während der gesamten Zeit plant Bruns, Kalibrierungsbilder aufzunehmen, etwas, das Wissenschaftler früher nicht gemacht haben. Fragen Sie nach dem Grund, und er erzählt Ihnen von Erwin Finlay-Freundlich, einem Physiker, der „nach drei oder vier Finsternissen ein wenig frustriert war.

niemand hat das Experiment ganz richtig gemacht. "

"Sie müssen die Sterne während der Sonnenfinsternis fotografieren, aber Sie müssen auch Kalibrierungsbilder während der Sonnenfinsternis machen", zitiert Bruns die Methode von Finlay-Freundlich. „Und viele Leute wollten das natürlich nicht, weil die Sonnenfinsternis nur 3 bis 5 Minuten dauert und die Belichtung jeweils ein bis zwei Minuten dauerte. Sie wollten also keine Zeit bei der Kalibrierung der Gesamtheit verschwenden Bilder. "

Zum Zeitpunkt der größten Dauer dauert die Finsternis 2017 2 Minuten und 40, 2 Sekunden. Glücklicherweise kann die digitale Fotografie in Millisekunden die erforderliche Belichtung erhalten. Dies bedeutet, dass Bruns die Relativität von Finlay-Freundlich testen kann. Und wenn er das tut, sagt er, dass er der erste Mensch in der Geschichte ist, der es vom Boden aus tut.

"Nur zum Spaß" in der Tat.


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