A Gólem. Két kísérlet, amely bizonyította a relativitás elméletét. A Gólem BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Átírás

1 A Gólem Két kísérlet, amely bizonyította a relativitás elméletét

2 Kérdések és fogalmak Kérdések: Mi történik, ha egy elméletnek ellentmondó eredményre vezet egy kísérlet? Mikor igazol és mikor cáfol egy megfigyelés egy elméletet? Hogyan alakul ki konszenzus egy elmélet megítélése körül a tudományos közösségben? Fogalmak: Döntő kísérlet Igazolás (verifikáció) és cáfolás (falszifikáció) A társas elfogadás viszonyai A kísérletek elméletfüggése Elméleti elköteleződések és várakozások Tudományos forradalmak

3 Miről lesz szó? két esettanulmány Két kísérlet, amely az értő közvélemény szemében bizonyította a relativitás elméletét: az 1887-es Michelson Morley-kísérletet a speciális, Eddington 1919-es expedícióját az általános relativitáselmélet melletti döntő bizonyítékként szokták említeni Kik? Elsősorban a fizikatankönyvek és a tudományos népszerűsítő irodalom Ezek olvasói a mi célközönségünk is: NEM az adott részterülettel foglalkozó tudósok és tudománytörténészek nekik általában alapos tudásuk van ezekről az esetekről, ők a szakértői ennek Viszont szinte mindenki más laikus ezzel kapcsolatban: nemcsak a tudomány iránt érdeklődők általában, hanem a más területen dolgozó kutatók is!

4 Egy új gondolat elsöprő sikere A relativitáselmélet sok mindennek vált a szimbólumává: az emberi géniusz csúcsteljesítménye az érthetetlenség netovábbja a relativizmus mételye a bátor tudományos állítások és kísérleti igazolásuk iskolapéldája

5 Néhány idézet A Michelson-Morley kísérlet bebizonyította, hogy nincs éterszél, és megállapította, hogy a fénysebesség állandó minden inerciarendszerhez viszonyítva ( Albert Einstein nevéhez fűződik a tudományos élet egyik legnagyobb felfedezése, a relativitáselmélet megalkotása. A híres német tudóst barátság fűzte kortársához, az angol tudományos élet kiemelkedő képviselőjéhez, Sir Arthur Eddingtonhoz. Az angol fizikus volt ugyanis az első, aki megértette Einstein elméletét. A két lángelme felvette egymással a kapcsolatot, levelezésük során megosztották egymással észrevételeiket és gondolataikat. (port.hu, az Einstein és Eddington c as film ismertetője)

6 Az elméletek igazolása Honnan tudjuk, hogy egy elmélet igaz? Megmérjük? Tudunk olyan kísérletről, ami igazolja a jóslatait? Minden kísérlet igazolja a jóslatait? Belátjuk, hogy szükségszerűen igaz? Mindenki elhiszi? Ha van olyan mérés, amely igazolja az elméletünket, azaz az elmélet jóslatait megbízható adatokkal tudja alátámasztani, akkor az elméletünk helyes. Ez logikailag nyilvánvalóan sántít, mégis sokszor ebben a formában szoktak hivatkozni kísérletekre Milyen döntő kísérletekről tudunk, amelyek igazoltak kérdéses elméleteket?

7 I. felvonás: Elmászó csillagok A relativitáselmélet drámája időben visszafelé! A főszerepben:

8 A szokásos forgatókönyv Einstein forradalmi elmélete bátor jóslatot tesz a newtoni világképhez képest Mindkét elméletben elhajlik a fény erős gravitáció esetén, de az általános relativitáselmélet szerint nagyobb mértékben. Kérdés: kinek van igaza? Eddington csillagászati mérései Einstein elméletét igazolták Egy csapásra hősök lesznek, akik a nemzetek közötti viszálykodás helyett együttműködve érnek el világraszóló eredményt Szalagcímek a sajtóból: "The Revolution In Science/ Einstein Versus Newton" (The London Times, nov. 8.) "Lights All Askew In The Heavens/ Men Of Science More Or Less Agog Over Results Of Eclipse Observations/ Einstein Theory Triumphs" (The New York Times, nov. 10.)

9 A relativitáselmélet általánosítása Nézzük meg a történetet kicsit közelebbről Einsteint az 1905-ös eredményei után is tovább foglalkoztatták a különböző megfigyelők közötti relációk Ekvivalencia-elv: egy külső gravitációs erő hatására szabadon eső rendszer lokálisan megkülönböztethetetlen az erőmentes mozgástól (1907) Ez a felismerés, ha többnek tekintjük puszta véletlennél, a gravitáció és a mozgásegyenletek alapvető összegyúrását követeli meg Einstein egy évtizedig küzd a problémával, mire rátalál a megfelelő matematikai alakra, és 1916-ban eljut a ma általános relativitáselméletnek nevezett megfogalmazáshoz

10 A fényelhajlás jóslata Einstein elgondolásai fokozatosan öltöttek formát 1911-ben egy még félig klasszikus gondolatmenet alapján arra jut, hogy közvetlenül a Nap mellett elhaladó fénysugár 0,87 (szögmásodperc) elhajlást szenved 1916-ban, a teljes elmélet birtokában egy második levezetést is ad, amely pontosan egy kettes szorzóban tér el a korábbitól: 1,74 Eddington 1918-as összefoglalójában az első számot nevezte az elhajlás newtoni értékének Pedig Einstein ezt is már az ekvivalencia-elv alapján vezette le, viszont még hagyományos téridő-képben Newton természetesen nem mondott ilyesmit ahhoz a fény és a tömeggel bíró testek közötti valamiféle kölcsönhatás feltételezésére lett volna szükség Később kiderült, hogy egy bizonyos Johann Georg von Soldner 1804-ben (!) publikált egy hasonló számolást, ami teljesen visszhang nélkül maradt

11 Csak három lehetőség Nincs fényelhajlás A fényelhajlás newtoni mértéke: 0,87 A fényelhajlás Einstein szerint: 1,74

12 Kísérleti ellenőrzés? Einstein már az 1911-es cikkében felvetette, hogy teljes napfogyatkozáskor lehetne ellenőrizni a jóslatát Elméletileg a kor technológiája alapján kimérhető a jósolt eltérés Gyakorlatban azonban mint azt látni fogjuk jóval nehezebb a feladat Az öt legközelebbi teljes napfogyatkozás: október 10.: Erwin Freundlich Brazíliába utazott ahol a fogyatkozás idején végig esett augusztus 21.: három kutatócsoport is egy kitörő háborúban találja magát Oroszországban 1916: mindenki háborúskodik június 8.: egy amerikai csoport (W. Campbell és H. D. Curtis) felvételeket készít, de az eredményeket a kiértékelés nehézsége és bizonytalansága miatt soha nem publikálták május 29.: pont igen jó a csillagok állása erről szól a mi történetünk

13 A megfigyelés nehézségei Cél: összehasonlítani a csillagok pozícióit normál körülmények között, valamint akkor, amikor a Nap közelében vannak Nehézségek: A Nap mellett a csillagok csak teljes napfogyatkozás idején látszanak, amik csak ritkán és tipikusan nem az obszervatóriumok felett történnek Olyan kicsi az eltérés, hogy csak akkor lehet kimutatni, ha ugyanazt az égboltterületet fotózzák le Nappal és Nap nélkül Ez több hónapos várakozást jelent, hiszen az egyik esetben a Nap jelen van az ég ugyanazon pontján, míg a másik esetben nincs, vagyis az éjszakai égboltot jócskán egy másik oldaláról kell lássuk A megfigyelések ezért más-más évszakra tevődnek, ami eltérő környezeti hőmérsékletet, és így a távcsövek nehezen kontrollálható deformációját okozhatja, ami módosítja a fókusztávolságot is A távoli, eldugott helyen esedékes napfogyatkozásokhoz csak kisebb távcsöveket lehet használni, amelyeknek hosszabb záridőre van szükségük az éles képhez; ez újabb problémához vezet: A távcsövet vagy egy tükröt mozgatni kell, hogy kövesse a Föld forgását Az időjárás minden előkészületet meghiúsíthat

14 A megfigyelés nehézségei Meg kell tudni különböztetni a berendezés torzító hatásait a kimérni kívánt effektustól a) fényelhajlás b) skálázási hiba

15 Arthur Stanley Eddington mérése

16 Expedíció Brazíliába és Príncipe szigetére Príncipe szigete (Afrika) Eddington & Cottingham egy nagyobb, asztrográfiai teleszkóp Sobral (Brazília) Commelin & Davidson egy nagyobb, asztrográfiai teleszkóp, és egy kisebb távcső, probléma esetére Probléma lett is: Príncipén felhős volt az ég Sobralban a felhők éppen eltűntek a fogyatkozás körül, viszont a nagyobb távcső alatt mozgatandó tükörrel akadtak gondok

17 A Sobral-csoport eszközei Príncipe szigete (Afrika) Eddington & Cottingham egy nagyobb, asztrográfiai teleszkóp Sobral (Brazília) Commelin & Davidson 19 fotó egy nagyobb és 8 egy kisebb távcsővel (ebből 1 felhős)

18 A mérések eredménye Príncipe (Eddingtonék): a felhőzet nem volt nagyon vastag, ezért készítettek felvételeket, hátha valami látszik majd 16 fotólemez készült, de otthon kiderült, hogy ezek közül csak 2 használható, és azokon is csak öt csillag látszik Sobral (Commelin & Davidson): 19 fotó a nagyobb teleszkóppal a tükör problémája miatt elmosódott képek (nagyon nehéz és bizonytalan a kiértékelésük) 8 a kisebb távcsővel szép éles képek, csak egy felhős viszont kisebb területet mutatnak (kevesebb az adat a torzítási korrekciók kiszámítására)

19 A mérések kiértékelése A fotólemezek kiértékelése hónapokig tart A különféle hibák miatt több féle módszertant is alkalmaznak 1. eredmény (Sobral) A Nap melletti csillag-elmozdulás (fényhajlás) mértéke: 1,86 és 2,1 szögmásodperc között van a kisebb távcső adatai alapján (Einsteinnek van igaza?) DE!! A nagyobb teleszkóp képei szerint csak 0,86 szögmásodperc (Newtonnak van igaza?) 2. eredmény (Príncipe) A két rossz minőségű fotó alapján számított szögelhajlás 1,31 1,91 szögmásodperc (mégis inkább Einsteinnek van igaza?)

20 Az eredmények értelmezése november 6.: Frank Watson Dyson, a királyi főcsillagász bejelenti, hogy a megfigyelések Einstein elméletét igazolták. A kisebb sobrali távcső adatait tekintették döntő bizonyítéknak, és támogató adatként kezelték a két rossz minőségű Príncipe-i fotót, míg a 18 db, nagyobb távcsővel készült képet figyelmen kívül hagyták A publikált anyagból a sobrali nagy távcsővel készített képek már kimaradtak, így a mérések közzétett eredményei inkább Einsteint igazolták. A 2.0 körüli érték viszont Einsteint sem igazolja egyértelműen Nem bizonyítható egyértelműen, de valószínű, hogy Dyson és Eddington az adatok kiértékelése során valamennyire szem előtt tartották a tesztelendő elméleteket is Így az elmélet és a kísérlet idő előtt kapcsolatba került egymással (pedig a kísérletektől azt szokás elvárni, hogy függetlenek legyenek az elmélettől)

21 Az eredmények értelmezése Később természetesen sok további mérés igazolta ezt az értéket, az 1919-es adatok kiértékelése azonban korántsem volt egyértelmű Mi volt a siker titka? Szerencse? Helyes tudományos megérzés? Valamennyire mindkettő, de az bizonyos, hogy az utókor megítélésében nagy szerepet játszott a retorika

22 II. felvonás: Éterszél a Föld körül USA, 1887 Albert A. Michelson és Edward Morley A kísérlet: a fény sebességét próbálták megmérni a Föld mozgásának mentén, és arra merőleges irányokban is. Miért? ( ) ( )

23 Miért fontos ez a mérés? Nyilván a relativitáselmélettől függetlenül, hiszen az csak 25 évvel később születik megvolt a saját relevanciája A 19. század elméleti fizikai csúcsteljesítménye, az elektromágneses jelenségeket leíró Maxwell-egyenletek szerint a fény sebessége természeti állandó, kb km/s ez elég pontosan egyezett a korabeli mérésekkel Newtoni világképben természetesen felmerül a kérdés, hogy mihez képest, milyen megfigyelő szerint? A század második felében az volt az általános nézet, hogy a fényhullámokat egy sajátos közeg, az éter közvetíti, tehát (értelemszerűen) a fénysebesség az éterhez viszonyítva állandó Ebből arra következtettek, hogy a fényhullámok sebessége a Föld mozgásával változik fog, hiszen a Föld felszínén állva, ha az ún. éterszéllel szembe nézünk, a fénynek gyorsabban kellene közelednie, mintha az éterszél hátulról érne minket.

24 A Naprendszer az éterben

25 A kísérlet elméleti háttere Cél: A Föld éterbeli sebességének megmérése A fénysebesség nagysága: kb km/másodperc Az éter becsült legnagyobb sebessége Föld felszínén (kb. egyenlő a Föld keringési sebességével): 30 km/másodperc A különbség tehát szeres. Módszer: interferometria Egy fénysugarat kettébontanak, majd újraegyesítenek. Az egyesített sugár esetén interferenciára lehet számítani, ha a külön megtett utakon eltérő volt a sebesség (az effektus már csak 1/ ) Ha a Föld mozgásával más-más szöget zár be a megtört fénysugár, akkor elmozdul az interferenciakép is (hiszen az éter eltérő mértékben lassítja a különböző sugarakat). A kísérlet fő elemei: A fénysugarakat megfelelő szögekben kell vezetni és visszaverni A megfigyeléseket több irányban el kell végezni A megfigyeléseket a Föld forgása miatt különböző időpontokban is meg kell ismételni A megfigyeléseket minden évszakban el kell végezni, tekintettel a Föld keringési pályájára A kísérletet egy nyitott, könnyű épületben, lehetőleg minél magasabban kell végezni

26 A kísérleti berendezés Michelson két kísérletsorozata: 1881 és 1887 (Morley-val) A kísérletek szerkezete: osztott fénysugár, tükrökkel a megfelelő szögben vezetve, majd a forrásnál újraegyesítve egy teljes körben 16 különböző szög megfigyelése éjszakai kísérletezés (csökkentett zajforrás) nyugodt környezet Változók: a berendezés anyaga a fénysugarak hossza

27 Az első két kísérlet 1881:Michelson (Potsdam) Fénysugár hossza: 120 cm Elvárás: a gyűrűk 4/100-nyi eltolódása Problémák: vibráció és torzítás a berendezés állítgatása során Publikált eredmény: nem figyelhető meg a várt eltolódás (csak kisebb, de túl bizonytalan volt az egész) Kritika: nem vette figyelembe azt, hogy az éterre merőleges mozgás is kap valamekkora eltolódást, ami felezi a várt effektust (H.A. Lorentz) 1887: Michelson és Morley (Cleveland) Helyszín: az egyetem pincéje Anyag: öntöttvas kád téglákon, higannyal töltve; ezen úszott egy nagy, könnyen forgatható homokkő (akár hat órán keresztül is forgott nagyon lassan a kádban, ha meglökték). Ezen a kőlapon volt a prizma, a tükrök és a fényforrás. Fénysugár hossza: 11 méter Elvárás: az interferencia 4/10-nyi eltolódása (1/100 már látható volna) Eredmény: nincs változás

28 A Michelson-Morley-féle higanykád

29 Továbblépés: a relativitáselmélet A Michelson-Morley kísérlet nem tudta megmérni a Föld sebességét, de rámutatott, hogy a fény azonos sebességgel terjed a mozgó bolygón minden irányban (pedig a sebességének változnia kellett volna attól függően, hogy mekkora szöget zár be a Föld mozgásvektorával). Morley-Miller kísérletek a századfordulón 1905: továbbfejlesztett kísérlet egy dombtetőn, üvegkunyhóban az eredmény: ugyanaz Közben a relativitáselmélet egyre népszerűbbé válik. 1925: Miller (Mount Wilson, USA, 2000 méter magasan) Mind a négy évszakban mér Eredményes kísérlet: a Föld sebessége 10 km/órának adódik Ezzel a relativitáselmélet cáfolatát jelentené Reakciók: a kísérlet minden ismétlése nulla eredménnyel zárul, ami szakmai ellentétekhez vezet, és kezdik figyelmen kívül hagyni Miller egyedi eredményeit

30 A két kísérlet tanulsága Van olyan eset, hogy egy-egy mérés eredménye alátámaszt egy elméletet, azonban nem igazolja azt sosem Ha egy mérés egy elmélet igazolásának látszik, akkor is még számos emberi tényezőt kell számításba vennünk, és semmiképpen nem érdemes véglegesnek tekintenünk az eredményeket. Fel kell adnunk a döntő kísérlet mítoszát, hiszen jól látszik, hogy az ilyen kísérletek nem mindig igazolják a kérdéses elméletet, és döntővé nyilvánításuk és népszerűségük pedig számos (tudomány)szociológiai tényezőtől is függ.

31 Döntő kísérletek A döntő kísérlet szinte sohasem egyetlen kísérlet, hanem mérések gondosan (sőt: egyre gondosabban) kivitelezett sorozata A kísérletek különböző kritikákat vonnak maguk után, a következő mérések ezekre próbálnak meg válaszolni Az utókor ezek közül egyet emel ki és jegyez meg (általában időben az elsőt), ami eléggé hamis tudományképhez vezet