arten af videnskabelig viden

Redshift og Doppler-effekten

på omtrent samme tid studerede en østrigsk fysiker ved navn Christian Doppler astronomi og matematik. Doppler vidste, at lys opførte sig som en bølge, og så begyndte at tænke over, hvordan bevægelsen af stjerner kan påvirke lyset fra disse stjerner. I et papir, der blev offentliggjort i 1842, foreslog Doppler, at den observerede frekvens af en bølge ville afhænge af den relative hastighed af bølgens kilde i forhold til observatøren, et fænomen, han kaldte et “frekvensskift” (Doppler, 1842). Han lavede en analogi til et skib ved sejl på havet og beskrev, hvordan skibet ville støde på bølger på vandoverfladen med en hurtigere hastighed (og dermed højere frekvens), hvis det sejlede ind i bølgerne, end hvis det rejste i samme retning som bølgerne.

du er måske bekendt med frekvensskiftet, som vi nu kalder Doppler-effekten til hans ære, hvis du nogensinde har lyttet til lyden af trafik, mens du står på siden af vejen. Den velkendte høj – til-lav tonehøjdeændring er et eksempel på effekten-den faktiske frekvens af de udsendte bølger ændrer sig ikke, men hastigheden på det passerende køretøj påvirker, hvor hurtigt disse bølger når dig. Doppler foreslog, at vi ville se den samme effekt på alle stjerner, der bevægede sig: Deres farve ville skifte mod den røde ende af spektret, hvis de bevægede sig væk fra jorden (kaldet en rødskift) og mod den blå ende af spektret, hvis de bevægede sig tættere (kaldet en blåskift) (se figur 4). Han forventede at kunne se dette skift i binære stjerner eller par af stjerner, der kredser om hinanden. Til sidst ville Dopplers 1842-papir med titlen “på dobbeltstjernernes farvede lys og visse andre stjerner på himlen” ændre den måde, vi ser på universet på. På det tidspunkt var teleskoper imidlertid ikke følsomme nok til at bekræfte det skift, han foreslog.

Dopplers ideer blev en del af den videnskabelige litteratur og blev dermed kendt for andre forskere. I begyndelsen af 1900 ‘ erne fangede teknologien endelig Doppler, og mere kraftfulde teleskoper kunne bruges til at teste hans ideer. I September 1901 havde en amerikaner ved navn Vesto Slipher netop afsluttet sin bachelorgrad i mekanik og astronomi ved Indiana University. Han fik et job som midlertidig assistent ved observatoriet i Flagstaff, mens han fortsatte sit kandidatarbejde i Indiana. Kort efter hans ankomst opnåede observatoriet et tre-prisme spektrograf, og Sliphers job var at montere det på 24-tommer teleskopet ved observatoriet og lære at bruge det til at studere planeternes rotation i solsystemet. Efter et par måneders problemer og fejlfinding var Slipher i stand til at tage spektrogrammer af Mars, Jupiter og Saturn. Men Sliphers personlige forskningsinteresser var meget længere væk end solsystemets planeter. Ligesom Doppler var han interesseret i at studere spektre af binære stjerner, og han begyndte at gøre det i sin fritid på observatoriet.

i løbet af det næste årti afsluttede Slipher en kandidatgrad og en ph.d. ved Indiana University, mens han fortsatte sit arbejde ved Lavell Observatory måling af spektre og Doppler skift af stjerner. Især fokuserede Slipher sin opmærksomhed på stjerner inden for spiraltåger (figur 5) og forventede at finde ud af, at skiftet set i stjernernes spektre ville indikere, at de galakser, disse stjerner tilhørte, roterede. Faktisk krediteres han med at bestemme, at galakser roterer, og var i stand til at bestemme de hastigheder, hvormed de roterer. Men i 1914, efter at have studeret 15 forskellige nebulae, meddelte han en nysgerrig opdagelse på et møde i American Astronomical Society i August:

i de fleste tilfælde er nebulae vigende; de største hastigheder er alle positive…Den slående overvægt af det positive tegn indikerer en generel flugt fra os eller Mælkevejen.

Slipher havde fundet ud af, at de fleste galakser viste en rødforskydning i deres spektrum, hvilket indikerer, at de alle bevæger sig væk fra os i rummet eller går tilbage (Slipher, 1915). Ved at måle størrelsen af rødskiftet var han i stand til at bestemme den recessionelle hastighed eller den hastighed, hvormed objekter “flygtede.”Slipher havde lavet en fortolkning fra sine observationer, der satte et nyt perspektiv på universet, og som svar modtog han en stående ovation for sin præsentation.

Slipher fortsatte sit arbejde med rødforskydning og galakser og offentliggjorde et andet papir i 1917, idet han nu havde undersøgt 25 nebulae og set en rødforskydning i 21 af dem. Georges Lema Kruttre, en belgisk fysiker og astronom, bygget på Sliphers arbejde, mens han afsluttede sin ph.d. ved Massachusetts Institute of Technology. Han udvidede Sliphers målinger til hele universet og beregnede matematisk, at universet skal udvides for at forklare Sliphers observation. Han offentliggjorde sine ideer i et papir fra 1927 kaldet “et homogent univers med konstant masse og voksende radius, der tegner sig for den radiale hastighed af ekstragalaktiske nebulae” (Lema Krittre, 1927), men hans papir mødtes med udbredt kritik fra det videnskabelige samfund. Den engelske astronom Fred Hoyle latterliggjorde værket og opfandt udtrykket “Big Bang” – teori som et nedsættende kaldenavn for Lema Krutres ide. Og ingen ringere end Albert Einstein kritiserede Lema Kruttre og skrev til ham “din matematik er korrekt, men din fysik er afskyelig” (Deprit, 1984).Einsteins kritik havde en personlig og kulturel komponent, to ting vi ofte overser med hensyn til deres indflydelse på videnskaben. Flere år tidligere havde Einstein offentliggjort sin generelle relativitetsteori (Einstein, 1916). Ved formuleringen af teorien havde Einstein stødt på et væsentligt problem: generel relativitet forudsagde, at universet skulle være enten kontraherende eller ekspanderende – det tillod ikke et statisk univers. Men et kontraherende eller ekspanderende univers kunne ikke være evigt, mens et statisk, ikke-bevægende univers kunne, og den fremherskende kulturelle tro på det tidspunkt var, at universet var evigt. Einstein var stærkt påvirket af sine kulturelle omgivelser. Som et resultat opfandt han en “fudge-faktor”, som han kaldte den kosmologiske konstant, der ville gøre det muligt for teorien om generel relativitet at være i overensstemmelse med et statisk univers. Men videnskab er ikke et demokrati eller plutokrati; det er hverken den mest almindelige eller mest populære konklusion, der bliver accepteret, men snarere den konklusion, der står op til bevistesten over tid. Einsteins kosmologiske konstant blev udfordret af nye beviser.