Experimento de relatividad
La película francesa "Einstein" reproduce artísticamente la vida de Einstein (presentada por la columna ocho "World Masters - Business Card Appreciation" de CCTV, la primera mitad del episodio a las 23:30 del 17 de noviembre de 2002, la primera y segunda mitad del episodio a las 23:30 del día 24), hay una escena así. Un día del otoño de 1919, en Berlín, Alemania, Einstein levantó una película fotográfica ennegrecida y le dijo a Planck: (ingeniosamente) ¿Qué? una verdadera curvatura de luz, ¡qué hermosa validación!
La luz se desvía al pasar cerca de objetos masivos, una predicción clave de la relatividad general. Sin embargo, la verificación de esta predicción a menudo se dramatiza, simplifica y exagera, lo que se desvía enormemente de los hechos históricos de la historia científica. El autor cree que hay tres hechos históricos que deben aclararse en torno a la predicción y verificación de la curvatura de la luz.
En primer lugar, la curvatura de la luz no es una predicción única de la relatividad general. Ya en 1801, Johann von Soldner (1766-1833) predijo basándose en la mecánica newtoniana (que trata las partículas ligeras como partículas con masa) que la luz que pasa por el borde del sol se desviará 0,87 segundos de arco. En 1911, Albert Einstein, entonces profesor de la Universidad de Praga, calculó basándose en la teoría de la relatividad que la luz de las estrellas procedente del borde del Sol durante un eclipse solar se desviaría 0,87 segundos de arco. Después de regresar a Zurich en 1912, Einstein descubrió que el espacio es curvo. En 1915, Einstein, que ya era miembro de la Academia de Ciencias de Prusia en Berlín, corrigió la desviación de la luz de las estrellas en el borde del sol a 1,74 segundos de arco.
En segundo lugar, las observaciones son necesarias no sólo para probar si la luz está curvada, sino más importante aún, para probar el grado de curvatura de la luz, a fin de determinar qué teoría es más consistente con los datos observacionales. Un factor muy crítico aquí es la precisión de las observaciones. Incluso si las observaciones anulan las predicciones de la teoría de Newton, eso no significa que respalden las predicciones de la relatividad general. Sólo cuando las observaciones son consistentes con las predicciones de Einstein dentro del rango de error permitido se puede decir que apoyan la relatividad general. A principios de la década de 1960, una nueva teoría de la gravedad, la teoría de Brans-Dicke, también predijo que la luz de las estrellas sería un factor muy importante en el desarrollo de la teoría. A principios de la década de 1960, una nueva teoría de la gravedad, la teoría de Brans-Dick, también predijo que la luz de las estrellas sería desviada por el Sol, con una cantidad de desviación que era un 8% menor que la desviación predicha por la relatividad general. Para determinar si la relatividad general o la teoría de Blanche-Dick son más consistentes con las observaciones, se requiere un mayor nivel de precisión observacional.
En tercer lugar, el efecto de desviación de la luz no se puede ver intuitivamente a simple vista en un telescopio o una película fotográfica. La cantidad de desviación de la luz debe obtenerse mediante una serie de observaciones, mediciones e inducciones. No hay mejor oportunidad para estudiar la curvatura de la luz que pasa cerca de un objeto masivo que realizar observaciones fotográficas del cielo cerca del Sol durante un eclipse solar total. Tome algunos negativos de fotografías en el momento del eclipse solar total y luego, preferiblemente 6 meses después, tome negativos de la misma zona del cielo. Midiendo dos conjuntos de negativos tomados con seis meses de diferencia, se puede determinar el grado de desviación de la luz de las estrellas. Igual de importante es que incluso durante un eclipse solar total, es imposible ver la luz de las estrellas cerca del borde del sol. Por ejemplo, en una observación de 1973, la mayoría de las estrellas fotografiadas estaban concentradas entre 5 y 9 radios solares desde el centro del sol, por lo que la cantidad de desviación de la luz de las estrellas en el borde del sol tuvo que extrapolarse a partir de curvas extrapoladas. Las una o dos estrellas más cercanas al sol tienden a tener una gran influencia en el resultado final.
Después de la aclaración anterior, las técnicas de expresión artística de la película "Einstein" descritas al principio de este artículo son demasiado exageradas y tienen el sabor de engañar a la audiencia y las expresiones de algunos libros de divulgación científica; como "Eddington dirigió "La expedición fue a Sudáfrica para ver el eclipse solar, y él realmente lo vio" es demasiado vago y fácilmente podría engañar a los lectores. Las descripciones de algunos libros de divulgación científica, como "Eddington dirigió una expedición a Sudáfrica para ver el eclipse solar y realmente lo vio", son demasiado vagas y pueden engañar fácilmente a los lectores. Entonces, ¿cuál es la historia real de la verificación de la predicción de la curvatura de la luz?
Eddington estaba muy interesado en probar las predicciones de la relatividad general sobre la desviación de la luz.
Para observar y verificar el fenómeno de curvatura de la luz durante el eclipse solar total del 29 de mayo de 1919, los británicos organizaron dos expediciones de observación. Un grupo viajó a Sobral, en el norte de Brasil, y el otro a Príncipe, en el Golfo de Guinea en África. Eddington participó en este último grupo, pero su suerte fue aún peor, ya que las condiciones meteorológicas en Príncipe no eran muy favorables en el momento del eclipse solar total. El 6 de noviembre de 1919, los británicos anunciaron que la luz se desviaba tal como predijo Einstein.
Pero el anuncio fue precipitado ya que los cálculos finales de ambos grupos fueron posteriormente anulados. Los astrónomos saben que en observaciones tan complejas como estudiar la curvatura de la luz, hay muchos factores que pueden provocar errores en el resultado final. Uno de estos factores son los cambios de temperatura, que conducen a cambios en el modelado de las perturbaciones atmosféricas, cambios en el sistema de enfoque del telescopio y cambios en el tamaño de las placas fotográficas debido a la contracción en frío, todo lo cual conduce a un aumento sustancial de los errores sistemáticos. en los resultados finales del cálculo. Eddington y otros aparentemente reconocieron el efecto de los cambios de temperatura en la precisión del instrumento, informando que las diferencias de temperatura de menos de 10 grados Fahrenheit eran insignificantes. Pero la temperatura nocturna en Sobral es de 75 grados Fahrenheit, mientras que la temperatura diurna es de 97 grados Fahrenheit, una diferencia de 22 grados Fahrenheit entre el día y la noche. Posteriormente, los investigadores volvieron a medir la película de Sobral para tener en cuenta los efectos de los cambios de temperatura y descubrieron que su desviación máxima de la luz era de hasta 2,16 ″ ± 0,14 ″.
La calidad de imagen del negativo también afecta al resultado final. En julio de 1919, se tomaron 26 placas de comparación en Sobral, 19 de las cuales fueron tomadas con el astrofotografía del Observatorio Real de Greenwich, un instrumento diseñado específicamente para observaciones astrofotográficas, y 7 Zhang fueron tomadas con un telescopio de 4 pulgadas, que proporciona mejores imágenes. Los primeros 19 negativos tuvieron una desviación de luz de 0,93”, mientras que los últimos siete negativos tuvieron una desviación de luz mucho mayor de lo que predijo Einstein. El valor final publicado es el promedio de los 26 negativos. Los investigadores descubrieron que si se eliminaban una o dos estrellas con malas imágenes, los resultados finales cambiaban significativamente.
Posteriormente, cuando ocurrieron eclipses solares en 1922, 1929, 1936, 1947 y 1952, astrónomos de varios países organizaron actividades de observación para probar la curvatura de la luz, y algunos de los resultados publicados fueron consistentes con la teoría generalizada. Las predicciones de la teoría de la relatividad son muy consistentes y algunas son seriamente inconsistentes con las predicciones. Independientemente, a principios de la década de 1960, los astrónomos estaban convencidos de que el Sol estaba desviando la luz de las estrellas y concluyeron que la desviación predicha por Einstein estaba más cerca del resultado observado que la desviación predicha por la mecánica newtoniana, pero la teoría de Einstein puede necesitar revisión.
El eclipse solar total del 30 de junio de 1973 fue el segundo eclipse solar total más largo del siglo XX. Cuando ocurrió el eclipse solar total, el sol estaba en el fondo de la Vía Láctea. la galaxia con las estrellas más densas, lo que es muy propicio para estudiar la desviación de la luz. Los estadounidenses construyeron una cabaña aislada en el oasis del desierto de Chingeti en Mauritania e hicieron cuidadosos preparativos para mejorar la precisión de las observaciones, como controlar la temperatura del cuarto oscuro y el revelado de la película a 20°C, y monitorear la temperatura de todo el instrumento. Después de tomar fotografías del eclipse, el equipo selló la cabina, cementó los pasadores de tope del telescopio y salió nuevamente a principios de noviembre para tomar fotografías comparativas. El análisis de todos los datos de observación utilizando un programa de cálculo cuidadosamente diseñado dio como resultado una desviación de la luz de las estrellas en el borde del Sol de 1,66 ″ ± 0,18 ″. Este resultado demuestra una vez más que las predicciones de la relatividad general son más consistentes con los resultados observacionales que las de la mecánica newtoniana, pero es difícil descartar la teoría de Blanche-Dick propuesta anteriormente.
La precisión de las observaciones ópticas parece haber llegado a su límite, pero entre 1974 y 1975, Formalent y Shamlake utilizaron el interferómetro de línea de base ultralarga para observar la desviación del Sol de tres fuentes de radio y, finalmente, la desviación de las microondas. de la fuente de radio del borde solar se obtuvo en 1,761 ″ ± 0,016 ″. Finalmente, los astrónomos confirmaron las predicciones de la relatividad general con una precisión inferior al 1%, salvo que lo observado no fue luz visible, sino microondas invisibles.
¿Entonces sólo podemos decir que la teoría general de la relatividad de Einstein no se convirtió en la teoría “correcta” hasta 1975? ¿No se eleva al nivel de la ciencia?
A juzgar por las pruebas de predicción de la curvatura de la luz realizadas durante medio siglo desde la teoría general de la relatividad presentada anteriormente en este artículo, la llamada verificación en 1919 fracasó por un margen considerable. Pero no hay duda de que Einstein recibió un gran crédito por esta verificación.
Los medios de comunicación actuales y la mayoría de los historiadores de la ciencia también ven las observaciones del eclipse de 1919 como una confirmación de las teorías de Einstein. Entonces, ¿qué pensó el propio Einstein sobre sus predicciones teóricas y su verificación observacional?
Ya en 1914, antes de que Einstein pudiera calcular el valor correcto de la desviación de la luz, ya había dicho en una carta a Besso: "Si la observación del eclipse solar tiene éxito o no, no tienen ninguna duda al respecto". la corrección de todo el sistema teórico." También hay una historia que circula ampliamente: cuando llegó la noticia de que la predicción se había confirmado, Einstein estaba en clase uno de sus alumnos le preguntó qué haría si su predicción resultara errónea. Einstein respondió: "Entonces lo lamentaré, querido Dios, después de todo, mi teoría es correcta. En 1930, Einstein escribió: "No creo que el significado principal de la relatividad general sea que prediga algún tipo de observación débil". El efecto radica en la simplicidad de su base teórica."
En opinión de Einstein, es la simplicidad inherente de la relatividad general lo que garantiza su "corrección"; la confirmación en 1919 le dio honores, pero eso fue algo ajeno a la ciencia; más gente "cree" que la relatividad general es "correcta". Es posible que la confirmación de 1919 también haya "convencido" a más personas de que la relatividad general era "correcta", pero la confirmación sirvió en gran medida sólo como "persuasión". Desde la perspectiva de la historia de la ciencia, el modelo de progreso de las ciencias matemáticas de precisión tiene tales leyes y características: a menudo representan el conocimiento matemático más profundo en ese momento, construyen algunos modelos teóricos exquisitos, y su "corrección" es en gran medida su extensión está garantizada por su inherente sencillez y unidad. Aunque seguramente darán algunas predicciones comprobables, como la teoría del corazón de Copérnico que predice el paralaje anual estelar, la teoría general de la relatividad de Einstein que predice la curvatura de la luz y la teoría del agujero negro de Hawking que predice la radiación de Hawking, no son irrazonables hasta que se confirmen estas predicciones. , estas teorías deben y pueden ser tratadas como teorías científicas.
Entonces, ¿tiene la "confirmación de la predicción" algún otro significado además de honrar a Einstein más allá de la ciencia? En mi opinión, confirmar una teoría a través de la observación es crucial para que la comunidad científica pueda aceptarla. Un teórico como Einstein creía que la exactitud de una teoría estaba inherentemente garantizada. Para muchos otros, no tienen la capacidad de juzgar la exactitud de una teoría sobre la base de una comprensión profunda de la teoría, por lo que sólo pueden juzgar la exactitud de una teoría utilizando el modelo de "predicción-confirmación", que también Funciona en otras situaciones. Es efectivo. Este "grupo más amplio" incluye un grupo complejo de personas, desde investigadores más especializados hasta el público en general. También está claro que lo que hace que una teoría sea "correcta" no es lo mismo a los ojos de sus proponentes y del "público en general". Einstein estaba convencido de que su teoría era correcta en 1914; el público en general, que aprendía sobre ciencia a través de los periódicos y otros medios, estaba convencido de que la teoría de Einstein era correcta en 1919 y pasó más de medio siglo hasta que más investigadores profesionales se convencieron; Verificación repetida podemos atrevernos a decir que la teoría general de la relatividad es correcta en este nivel de comprensión.