Naturen Av Vitenskapelig Kunnskap

Redshift og Doppler-effekten

på omtrent samme tid studerte En Østerriksk fysiker Ved Navn Christian Doppler astronomi og matematikk. Doppler visste at lyset oppførte seg som en bølge, og så begynte å tenke på hvordan bevegelsen av stjerner kan påvirke lyset fra disse stjernene. I et papir publisert i 1842 foreslo Doppler at den observerte frekvensen av en bølge ville avhenge av den relative hastigheten til bølgens kilde i forhold til observatøren, et fenomen han kalte et «frekvensskifte» (Doppler, 1842). Han gjorde en analogi til et skip som seilte på havet, og beskrev hvordan skipet ville møte bølger på overflaten av vannet med raskere hastighet (og dermed høyere frekvens) hvis det seilte inn i bølgene enn om det reiste i samme retning som bølgene.

Du kan være kjent med frekvensskiftet, som vi nå kaller Doppler-Effekten til hans ære, hvis du noen gang har lyttet til lyden av trafikk mens du står på siden av veien. Den kjente høy-til-lav tonehøyde endringen er et eksempel på effekten – den faktiske frekvensen av bølgene som sendes ut, endres ikke, men hastigheten på det passerende kjøretøyet påvirker hvor raskt disse bølgene når deg. Doppler foreslo at vi ville se den samme effekten på alle stjerner som beveget seg: Deres farge ville skifte mot den røde enden av spekteret hvis De beveget seg bort fra Jorden (kalt rødforskyvning) og mot den blå enden av spekteret hvis de beveget seg nærmere (kalt en blueshift) (Se Figur 4). Han forventet å kunne se dette skiftet i binære stjerner, eller par av stjerner som går i bane rundt hverandre. Dopplers artikkel fra 1842, med tittelen «on the colored light of the double stars and certain other stars of the heavens», ville endre måten vi ser på universet på. Men på den tiden var teleskoper ikke følsomme nok til å bekrefte skiftet han foreslo.

dopplers ideer ble en del av den vitenskapelige litteraturen og ble dermed kjent for andre forskere. Ved begynnelsen av 1900-tallet, teknologi endelig fanget Opp Med Doppler og kraftigere teleskoper kan brukes til å teste sine ideer. I September 1901 hadde En Amerikaner Ved Navn Vesto Slipher nettopp fullført sin lavere grad i mekanikk og astronomi Ved Indiana University. Han fikk en jobb som midlertidig assistent Ved Lowell Observatory i Flagstaff, Arizona, mens han fortsatte sitt graduate arbeid Ved Indiana. Kort tid etter hans ankomst fikk observatoriet en tre-prism-spektrograf, Og Sliphers jobb var å montere Den på 24-tommers teleskop ved observatoriet og lære å bruke den til å studere rotasjonen av planeter i solsystemet. Etter noen måneder med problemer og feilsøking kunne Slipher ta spektrogram Av Mars, Jupiter og Saturn. Men Sliphers personlige forskningsinteresser var mye lenger unna enn planetene i solsystemet. Som Doppler var Han interessert i å studere spektra av binære stjerner, og han begynte å gjøre det på fritiden på observatoriet.I løpet av det neste tiåret fullførte Slipher En Mastergrad og En Doktorgrad ved Indiana University, mens Han fortsatte sitt arbeid Ved Lowell Observatory som måler spektra og Doppler-skiftet av stjerner. Spesielt fokuserte Slipher sin oppmerksomhet på stjerner i spiraltåker (Figur 5), og ventet å finne ut at skiftet sett i stjernens spektra ville indikere at galaksene disse stjernene tilhørte, roterte. Faktisk er han kreditert med å bestemme at galakser roterer, og var i stand til å bestemme hastighetene de roterer på. Men i 1914, etter å ha studert 15 forskjellige nebulae, annonserte han en nysgjerrig oppdagelse på et møte I American Astronomical Society i August:

i de aller fleste tilfeller avtar nebulae; de største hastighetene er alle positive…Den slående overvekt av det positive tegnet indikerer en generell flukt fra oss eller Milky Way.

Slipher hadde funnet ut at de fleste galakser viste en rødforskyvning i deres spektrum, noe som indikerer at de alle beveget seg bort fra oss i rommet, eller trakk seg tilbake (Slipher, 1915). Ved å måle størrelsen på redshift, han var i stand til å bestemme recessional hastighet eller hastigheten som objekter ble «flykter.»Slipher hadde gjort en tolkning fra sine observasjoner som satte et nytt perspektiv på universet, og som svar fikk han stående ovasjon for sin presentasjon.

Slipher fortsatte sitt arbeid med rødforskyvning og galakser og publiserte et annet papir i 1917, etter å ha undersøkt 25 nebulae og sett en rødforskyvning i 21 av dem. Georges Lemaî, En Belgisk fysiker og astronom, bygget på Sliphers arbeid mens han fullførte Sin Doktorgrad ved Massachusetts Institute of Technology. Han utvidet Sliphers målinger til hele universet, og beregnet matematisk at universet må ekspandere for å forklare Sliphers observasjon. Han publiserte sine ideer i et 1927-papir kalt «Et homogent Univers av konstant masse og voksende radius som regner med radialhastigheten til ekstragalaktiske nebulae» (Lemaî, 1927), men hans papir møtte utbredt kritikk fra det vitenskapelige samfunn. Den engelske astronomen Fred Hoyle latterliggjorde arbeidet, og innførte begrepet «Big Bang» – teori som et nedsettende kallenavn for lemaî ide. Og Ingen andre Enn Albert Einstein kritiserte Lemaî og skrev til ham «matematikken din er riktig, men fysikken din er avskyelig» (Deprot, 1984).Einsteins kritikk hadde en personlig og kulturell komponent, to ting vi ofte overser når det gjelder deres innflytelse på vitenskapen. Flere år tidligere hadde Einstein publisert sin generelle relativitetsteori (Einstein, 1916). I formuleringen av teorien hadde Einstein møtt et betydelig problem: Generell relativitet forutslo at universet måtte være enten kontraherende eller ekspanderende – det tillot ikke et statisk univers. Men et kontraherende eller ekspanderende univers kunne ikke være evig, mens et statisk, ikke-bevegelig univers kunne, og den rådende kulturelle troen på den tiden var at universet var evig. Einstein var sterkt påvirket av hans kulturelle omgivelser. Som et resultat oppfant han en «fudge-faktor», som han kalte den kosmologiske konstanten, som ville tillate teorien om generell relativitet å være i samsvar med et statisk univers. Men vitenskap er ikke et demokrati eller plutokrati; det er verken den vanligste eller mest populære konklusjonen som blir akseptert, men heller konklusjonen som står opp til bevisprøven over tid. Einsteins kosmologiske konstant ble utfordret av nye bevis.