tieteellisen tiedon luonne

Punasiirtymä ja Doppler-ilmiö

samoihin aikoihin itävaltalainen fyysikko Christian Doppler tutki tähtitiedettä ja matematiikkaa. Doppler tiesi, että valo käyttäytyi kuin aalto, ja niin alkoi miettiä, miten tähtien liike voisi vaikuttaa niistä lähtevään valoon. Vuonna 1842 julkaistussa paperissa doppler ehdotti, että Aallon havaittu taajuus riippuisi aallon lähteen suhteellisesta nopeudesta suhteessa havaitsijaan, ilmiötä hän kutsui ”taajuusmuutokseksi” (Doppler, 1842). Hän teki analogian, joka aluksen purje, ocean, kuvataan, miten alus kohtaisi aaltoja pinnalla veden nopeammin (ja siten korkeampi taajuus), jos se oli purjehdus osaksi aaltoja kuin jos se oli matkalla samaan suuntaan kuin aallot.

saatat tuntea taajuusmuutoksen, jota kutsumme nykyään hänen kunniakseen Doppler-ilmiöksi, jos olet joskus kuunnellut liikenteen ääniä tien laidassa seistessäsi. Tuttu korkeasta matalaan sävelkorkeuden muutos on esimerkki vaikutuksesta-säteilevien aaltojen todellinen taajuus ei muutu, mutta ohikulkevan ajoneuvon nopeus vaikuttaa siihen, kuinka nopeasti nuo aallot saavuttavat sinut. Doppler ehdotti, että näkisimme saman vaikutuksen kaikkiin tähtiin, jotka liikkuivat: Niiden väri siirtyisi kohti spektrin punaista päätä, jos ne liikkuisivat poispäin maasta (kutsutaan punasiirtymäksi), ja kohti spektrin sinistä päätä, jos ne liikkuisivat lähempänä (kutsutaan bluesiirtymäksi) (KS.Kuva 4). Hän odotti pystyvänsä näkemään tämän muutoksen binäärisissä tähdissä eli toisiaan kiertävissä tähtipareissa. Lopulta doppler ’ s 1842 paperi, jonka otsikkona on ”on the colored light of the double stars and certain other stars of the heavens,” muuttaisi hyvin miten me tarkastelemme maailmankaikkeutta. Kaukoputket eivät kuitenkaan tuolloin olleet riittävän herkkiä vahvistamaan hänen ehdottamaansa muutosta.

Dopplerin ajatukset tulivat osaksi tieteellistä kirjallisuutta ja sitä kautta muiden tutkijoiden tietoon. 1900-luvun alkuun mennessä teknologia sai Dopplerin vihdoin kiinni ja hänen ajatuksiaan voitiin testata tehokkaammilla teleskoopeilla. Syyskuussa 1901 yhdysvaltalainen Vesto Slipher oli juuri suorittanut mekaniikan ja tähtitieteen perustutkinnon Indianan yliopistossa. Hän sai työpaikan tilapäisenä assistenttina Lowellin observatoriossa Flagstaffissa, Arizonassa, samalla kun hän jatkoi jatko – opintojaan Indianassa. Pian hänen saapumisensa jälkeen observatorio hankki kolmen prisman spektrografin, ja Slipherin tehtävänä oli kiinnittää se observatorion 24-tuumaiseen teleskooppiin ja oppia sen avulla tutkimaan aurinkokunnan planeettojen pyörimistä. Muutaman kuukauden kestäneiden ongelmien ja ongelmakuvausten jälkeen Slipher kykeni ottamaan Marsista, Jupiterista ja Saturnuksesta spektrografeja. Slipherin henkilökohtaiset tutkimusintressit olivat kuitenkin paljon kauempana kuin aurinkokunnan planeetat. Kuten Doppler, hän oli kiinnostunut tutkimaan binääritähtien spektrejä, ja hän alkoi tehdä sitä vapaa-ajallaan observatoriossa.

seuraavan vuosikymmenen aikana Slipher suoritti maisterintutkinnon ja tohtorintutkinnon Indianan yliopistossa jatkaen samalla työtään Lowellin observatoriossa, joka mittasi tähtien spektri-ja Doppler-siirtymiä. Erityisesti Slipher kiinnitti huomionsa spiraalisumun sisällä oleviin tähtiin (kuva 5), odottaen huomaavansa, että tähtien spektreissä näkyvä muutos osoittaisi, että galaksit, joihin tähdet kuuluivat, pyörivät. Itse asiassa hän on hyvitetään määrittämällä, että galaksit pyörivät, ja pystyi määrittämään nopeudet, joilla ne pyörivät. Mutta vuonna 1914 tutkittuaan 15 eri sumua hän ilmoitti oudosta löydöstä American Astronomical Societyn kokouksessa elokuussa:

valtaosassa tapauksista sumut ovat väistymässä; suurimmat nopeudet ovat kaikki positiivisia…Positiivinen merkki osoittaa kenraalin pakenevan meitä tai Linnunrataa.

Slipher oli havainnut, että useimpien galaksien spektrissä näkyi punasiirtymä, joka osoitti niiden kaikkien liikkuvan avaruudessa meistä poispäin eli vetäytyvän (Slipher, 1915). Mittaamalla punasiirtymän suuruutta hän pystyi päättelemään, miten hitaasti kappaleet ” pakenivat.”Slipher oli tehnyt havainnoistaan tulkinnan, joka antoi uuden näkökulman maailmankaikkeuteen, ja vastauksena hän sai seisaaltaan aplodit esitykselleen.

Slipher jatkoi työtään punasiirtymien ja galaksien parissa ja julkaisi vuonna 1917 toisen tutkielman tutkittuaan nyt 25 tähtisumua ja nähtyään niistä 21 punasiirtymän. Georges Lemaître, belgialainen fyysikko ja tähtitieteilijä, rakensi Slipherin työtä suorittaessaan väitöskirjaansa Massachusettsin teknillisessä korkeakoulussa. Hän laajensi Slipherin mittaukset koskemaan koko kaikkeutta ja laski matemaattisesti, että kaikkeuden täytyy olla laajenemassa, jotta Slipherin havainto voitaisiin selittää. Hän julkaisi ajatuksensa vuonna 1927 julkaistussa tutkielmassa ”a Homogenic Universe of constant mass and growing radius accounting for the radial velocity of extergalactic nebulae” (Lemaître, 1927), mutta hänen tutkielmansa sai laajaa kritiikkiä tiedeyhteisöltä. Englantilainen tähtitieteilijä Fred Hoyle pilkkasi teosta ja keksi” alkuräjähdysteorian ” halventavaksi lempinimeksi Lemaîtren idealle. Eikä kukaan muu kuin Albert Einstein arvostellut Lemaîtreä kirjoittaen hänelle ”matematiikkasi on oikein, mutta fysiikkasi on inhottava” (Deprit, 1984).

Einsteinin kritiikillä oli henkilökohtainen ja kulttuurinen komponentti, kaksi asiaa, jotka usein sivuutamme niiden vaikutuksesta tieteeseen. Useita vuosia aiemmin Einstein oli julkaissut yleisen suhteellisuusteoriansa (Einstein, 1916). Teoriaa muotoillessaan Einstein oli törmännyt yhteen merkittävään ongelmaan: yleinen suhteellisuusteoria ennusti, että kaikkeuden piti joko supistua tai laajentua – se ei sallinut staattista kaikkeutta. Mutta supistuva tai laajeneva maailmankaikkeus ei voinut olla ikuinen, kun taas staattinen, ei-liikkuva maailmankaikkeus saattoi, ja tuolloin vallitseva kulttuurinen uskomus oli, että maailmankaikkeus oli ikuinen. Einstein sai voimakkaita vaikutteita kulttuuriympäristöstään. Tämän seurauksena hän keksi kosmologiseksi vakioksi kutsumansa ”fudge-tekijän”, joka mahdollistaisi yleisen suhteellisuusteorian yhdenmukaisuuden staattisen maailmankaikkeuden kanssa. Mutta tiede ei ole demokratiaa tai rahavaltaa; se ei ole yleisin tai suosituin johtopäätös, joka tulee hyväksytyksi, vaan pikemminkin johtopäätös, joka kestää todistusaineiston testin ajan. Einsteinin kosmologinen vakio kyseenalaistettiin uusilla todisteilla.