Βαρύτητα και φως
Η επίδραση της βαρύτητας στη διάδοση του φωτός δεν ήταν μια ιδέα που σκέφτηκε πρώτος ο Αϊνστάιν. Ο Γερμανός μαθηματικός, φυσικός και αστρονόμος Γιόχαν Γκέοργκ Φον Σόλντνερ (1776 - 1833), βασισμένος στην υπόθεση ότι το φως αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια, υπολόγισε την εκτροπή των ακτίνων των αστέρων υπό την επίδραση της βαρύτητας ενός μεγάλου σώματος όπως ο Ήλιος. Αν και η εκτροπή αυτή θα μπορούσε να είναι παρατηρήσιμη σε αστέρες κοντά στον Ήλιο, η αδυναμία να γίνουν τέτοιου είδους παρατηρήσεις στις αρχές του 19ου αιώνα τον οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το αποτέλεσμα της βαρύτητας του Ήλιου στο φως των αστέρων είναι αμελητέο. Οι Βρετανοί Τζον Μιτσελ και Χένρι Κάβεντις είχαν επίσης μελετήσει την ιδέα (ο πρώτος από αυτούς μάλιστα θεωρείται ότι είναι ο πρώτος που αναφέρθηκε στην ιδέα μιας μελανής οπής), ενώ και ο ίδιος ο Νεύτωνας στην «Οπτική» του θέτει το ερώτημα εάν αυτή η «δράση από απόσταση», δηλαδή η βαρύτητα των σωμάτων, μπορεί να αλλοιώσει την πορεία του φωτός. Ωστόσο, τον 19ο αιώνα ήταν πιο δημοφιλείς οι απόψεις που ήθελαν το φως να έχει κυματική φύση και, κατά συνέπεια, οι θεωρίες και τα αποτελέσματα που βασίζονταν στη σωματιδιακή του φύση, όπως αυτά των Κάβεντις, Μίτσελ και Σολντνερ, δεν είχαν ευρύτερη αποδοχή.
Ήδη πριν τη διατύπωση της Θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας, το 1916, ο Αϊνστάιν βασίστηκε στην έννοια της διαστολής του χρόνου λόγω ενός βαρυτικού πεδίου (μια έννοια που εισήγαγε μόλις δύο χρόνια μετά τη διατύπωση της Θεωρίας της Ειδικής Σχετικότητας, το 1905) για να υπολογίσει τον βαθμό στον οποίο οι φωτεινές ακτίνες αλλάζουν πορεία λόγω της βαρύτητας, το 1911. Αυτοί οι υπολογισμοί αναθεωρήθηκαν μερικά χρόνια αργότερα, στο πλαίσιο της Θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας. Η διατύπωση της Θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας εισήγαγε μια εντελώς διαφορετική θεώρηση για τη βαρύτητα και το Σύμπαν και, το κυριότερο, μέσω των επιπτώσεών της έδινε τις δυνατότητες στην επιστημονική κοινότητα να επιβεβαιώσουν ή να διαψεύσουν την ορθότητά της. Ένα από τα κρίσιμα αποτελέσματα ήταν ότι η μεταβολή της πορείας τους φωτός λόγω της καμπύλωσης που υφίσταται ο χωροχρόνος από την παρουσία ενός βαρυτικού πεδίου είναι, στην πραγματικότητα, διπλάσια από αυτή που προβλέπει η νευτώνεια Φυσική. Αυτή η καμπύλωση μπορεί να μετρηθεί με τη βοήθεια της Αστρονομίας.
Ένας από τους σκοπούς της Αστρονομίας είναι η καταγραφή και μελέτη των θέσεων των αστεριών στον ουράνιο θόλο. Για αυτόν τον σκοπό χρησιμοποιούνται συστήματα συντεταγμένων στην ουράνια σφαίρα, όπως περίπου χρησιμοποιούμε το γεωγραφικό μήκος και πλάτος για να προσδιορίσουμε τη θέση ενός αντικειμένου πάνω στη γήινη σφαίρα. Με τη χρήση τηλεσκοπίων και κατάλληλων οργάνων μέτρησης θέσης και χρόνου οι αστρονόμοι καταγράφουν τις θέσεις των αστεριών και τις μεταβολές τους.
Η αλλοίωση της πορείας του φωτός που μας έρχεται από μακρινά αστέρια, παρουσία μιας μεγάλης μάζας, μπορεί να οδηγήσει σε μια φαινόμενη μεταβολή της θέση τους στην ουράνια σφαίρα. Το αντικείμενο με τη μεγαλύτερη μάζα που μπορούμε ευκολότερα να παρατηρήσουμε είναι ο Ήλιος. Σύμφωνα με τις προβλέψεις της Θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας, καθώς ο Ήλιος ταξιδεύει στην ουράνια σφαίρα, το φως των αστεριών που βρίσκονται πίσω του φτάνει σε εμάς αφού η πορεία του έχει υποστεί καμπύλωση. Κατά συνέπεια, οι φαινόμενες θέσεις των αστεριών, κατά την κοντινή διέλευση του Ήλιου θα πρέπει να μεταβάλλονται.
Πώς όμως μπορούμε να μετρήσουμε τη θέση αστεριών και Ήλιου ταυτόχρονα στην ουράνια σφαίρα δεδομένης της τεράστιας φωτεινότητας του Ήλιου; Κάτι τέτοιο είναι εφικτό μόνο κατά τη διάρκεια των ολικών ηλιακών εκλείψεων. Στην περιοχή όπου είναι ορατή μια ολική έκλειψη Ηλίου, η σφαίρα της Σελήνης αποκόπτει το άμεσο ηλιακό φως επιτρέποντας την αποτύπωση κάποιων λαμπρών αστέρων σε φωτογραφικές συσκευές. Οι αστρονόμοι μπορούν τότε να μετρήσουν τις φαινόμενες σχετικές θέσεις τους, να τις συγκρίνουν με τις σχετικές θέσεις που έχουν οι αστέρες όταν δεν βρίσκεται εμπρός τους ο Ήλιος και να διαπιστώσουν εάν οι πιθανές αυτές μεταβολές συμφωνούν με τις προβλέψεις της Θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας.
Η ολική έκλειψη Ηλίου του 1919
Αυτό ακριβώς συνέβη 100 χρόνια πριν, κατά τη διάρκεια της ολικής ηλιακής έκλειψης της 29ης Μαΐου του 1919.
Όταν ο Αϊνστάιν διατύπωσε τη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας, η Ευρώπη μαστιζόταν από τον πιο καταστροφικό πόλεμο που είχε γνωρίσει ώς τότε. Ως Γερμανός επιστήμονας, η απήχησή του στις επιστημονικές κοινότητες χωρών όπως η Βρετανία, που βρίσκονταν στο απέναντι στρατόπεδο, δεν θα μπορούσε να είναι μεγάλη. Οι πολιτικοί και στρατιωτικοί ανταγωνισμοί και οι εθνικισμοί των εμπλεκόμενων στον πόλεμο χωρών δεν άφηναν ανεπηρέαστο τον επιστημονικό ανταγωνισμό, ιδιαίτερα τη στιγμή που τα γερμανικά υποβρύχια βύθιζαν τα βρετανικά πλοία.
Ένας από τους μεγαλύτερους Βρετανούς επιστήμονες, ο Άρθουρ Έντινγκτον, είχε πληροφορηθεί κατά τη διάρκεια του πολέμου για τη νέα αυτή θεωρία και είχε κατανοήσει τη σημασία της. Ο Έντινγκτον, ως κουακέρος, ήταν αντίθετος σε οποιαδήποτε πολεμική σύρραξη, κάτι που πιστεύεται ότι έπαιξε μεγάλο ρόλο στην απόφασή του να προσπαθήσει να κάνει ευρύτερα γνωστή τη θεωρία του Αϊνστάιν και τον ίδιο στην επιστημονική κοινότητα. Χωρίς ο Αϊνστάιν να είναι σε θέση να γνωρίζει τίποτα στην άλλη πλευρά του μετώπου, ο Έντινγκτον, με τη βοήθεια του αστρονόμου της Βασιλικής Εταιρείας Φρανκ Ντάισον, κατάφερε να μαζέψει τα χρήματα για μια αποστολή στο νότιο ημισφαίριο όπου κατά τη διάρκεια της ολικής έκλειψης του Ήλιου του Μαΐου του 1919 θα μπορούσαν να μετρηθούν οι θέσεις των αστέρων γύρω από τον ηλιακό δίσκο. Ένα τέτοιο σχέδιο κατά τη διάρκεια του πολέμου φαινόταν ιδιαίτερα παράτολμο, ωστόσο η λήξη του πολέμου στις 11 Νοεμβρίου του 1918 άνοιξε τον δρόμο για την υλοποίησή του.
Το στενό «μονοπάτι» από το οποίο θα περνούσε η ολική έκλειψη του Ήλιου εκτεινόταν από τη βόρεια Βραζιλία ώς τη δυτική Αφρική, διαμέσου του Ατλαντικού Ωκεανού. Χρειάστηκαν μήνες για να προετοιμαστούν οι δύο αποστολές που θα παρακολουθούσαν την έκλειψη, μία στη βόρεια Βραζιλία και μία στη νήσο Πρίνσιπε της δυτικής Αφρικής. Ταυτόχρονα, οι δύο επιστήμονες έδωσαν μεγάλη δημοσιότητα στα επερχόμενα γεγονότα μέσω του Τύπου, εντείνοντας τις προσδοκίες της κοινής γνώμης για μια επερχόμενη διαμάχη ανάμεσα στον καθιερωμένο Βρετανό Νεύτωνα και τον ανερχόμενο Γερμανό Αϊνστάιν. Στις 29 Μαΐου του 1919, κατά τη διάρκεια των 6 λεπτών πλήρους κάλυψης του ηλιακού δίσκου λήφθηκαν οι απαραίτητες φωτογραφίες του σκοτεινού ουρανού γύρω από τον ηλιακό δίσκο. Μετά από μερικούς μήνες επεξεργασίας, τα αποτελέσματα ανακοινώθηκαν πανηγυρικά στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου.
Την επόμενη μέρα, στις 7 Νοεμβρίου του 1919, σχεδόν έναν χρόνο μετά το τέλος του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου, το εξώφυλλο του περιοδικού «Times» έγραφε: «Επανάσταση στην επιστήμη». Ο Αϊνστάιν έγινε μέσα σε μια νύχτα διάσημος σε όλη την υφήλιο και ο Έντινγκτον ήταν αυτός που έκανε τη Θεωρία της Σχετικότητας ευρύτερα γνωστή. Παρ’ όλο που οι δύο επιστήμονες δεν συναντήθηκαν παρά μερικά χρόνια αργότερα, η άτυπη αυτή συνεργασία, ευνοούμενη και από τη συγκυρία της ολικής έκλειψης ηλίου του 1919, διαμόρφωσε σε μεγάλο βαθμό τη νέα Φυσική του 20ού αιώνα και οδήγησε σε μια νέα αντίληψη γύρω από το Σύμπαν.
Τι μαθαίνουμε από τις εκλείψεις;
Η εκτεταμένη ατμόσφαιρα του Ήλιου δεν είναι εύκολα ορατή λόγω της πολύ έντονης λάμψης που εκπέμπεται από την «επιφάνειά» του, τη φωτόσφαιρα. Κατά τη διάρκεια των ολικών ηλιακών εκλείψεων, ο σεληνιακός δίσκος αποκόπτει το άμεσο ηλιακό φως με αποτέλεσμα να μπορούμε να παρατηρήσουμε τα ανώτερα, αραιότερα και αμυδρότερα στρώματα της ατμόσφαιράς του.
Όταν Ήλιος και Σελήνη ευθυγραμμιστούν, αμέσως γύρω από τον σκοτεινό δίσκο εμφανίζεται η χρωμόσφαιρα, η οποία έχει τη μορφή κοκκινωπών τμημάτων της περιφέρειας ή / και ακανόνιστων προεξοχών ή κυκλικών τμημάτων. Οι πρώτες αναφορές για τις προεξοχές της χρωμόσφαιρας βρίσκονται στο Λαυρεντιανό Χρονικό και αναφέρονται στην έκλειψη του 1185 μ.Χ. Γύρω από τη χρωμόσφαιρα εμφανίζεται το στέμμα, μια λευκή εκτεταμένη άλως. Η πρώτη καταγεγραμμένη περιγραφή του ηλιακού στέμματος μας έρχεται από τα βυζαντινά χρόνια, όταν ο Λέων ο Διάκονος παρατήρησε την έκλειψη της 22ης Δεκεμβρίου 968 μ.Χ.
Τον 19ο αιώνα οι παρατηρήσεις των εκλείψεων συνδέθηκαν με πολύ σημαντικές ανακαλύψεις. Στις 18 Ιουλίου 1860 παρατηρήθηκε πρώτη φορά μια εκτίναξη στεμματικής μάζας κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης, ενός από τα πιο εκρηκτικά της ηλιακής ατμόσφαιρας κατά τη διάρκειά του οποίου εκσφενδονίζονται τεράστιες ποσότητες ύλης στο διάστημα. Η παρατήρηση μιας τέτοιας έκρηξης αποτυπώθηκε σε κάποιες μαρτυρίες και σκίτσα της εποχής, στα οποία ωστόσο δεν δόθηκε ιδιαίτερη σημασία. Χρειάστηκε να περιμένουμε ώς τη δεκαετία του 1970 για να καταλάβουμε πώς το ηλιακό στέμμα επηρεάζει τον διαστημικό χώρο.
Το 1868, κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης, οι Lockyer και Janssen παρατήρησαν την εκπομπή φωτός από ένα χημικό στοιχείο που ήταν άγνωστο έως τότε. Το στοιχείο ονομάστηκε «ήλιο» από την ελληνική λέξη «ήλιος» και το 1895 ανακαλύφθηκε και στο εργαστήριο από τον William Ramsay. Το ήλιο είναι το δεύτερο σε αφθονία στοιχείο στο σύμπαν και παράγεται από τη σύντηξη του υδρογόνου στον πυρήνα των αστεριών (και του Ήλιου).
Κατά τη διάρκεια των ηλιακών εκλείψεων μας δίνεται η δυνατότητα να κάνουμε μετρήσεις που αφορούν τόσο την ηλιακή ατμόσφαιρα όσο και τη γήινη. Για αυτόν τον λόγο δεκάδες ερευνητικές ομάδες ανά την υφήλιο προετοιμάζουν πειραματικές διατάξεις ώστε να εκμεταλλευτούν τις ιδιαίτερες συνθήκες που προκαλεί ένα τέτοιο φαινόμενο. Η επόμενη ηλιακή έκλειψη θα πραγματοποιηθεί στις 2 Ιουλίου του 2019 και θα είναι ορατή στο νότιο ημισφαίριο, από μια στενή λωρίδα που θα διασχίζει τον Ειρηνικό Ωκεανό και τις Άνδεις και θα καταλήγει στη βόρεια Χιλή και την Αργεντινή.
Γιάννης Κοντογιάννης
