the Nature of Scientific Knowledge

roodverschuiving en het Doppler-effect

rond dezelfde tijd bestudeerde een Oostenrijkse natuurkundige met de naam Christian Doppler astronomie en wiskunde. Doppler wist dat licht zich gedroeg als een golf en begon na te denken over hoe de beweging van sterren het licht van die sterren zou kunnen beïnvloeden. In een artikel gepubliceerd in 1842 stelde Doppler voor dat de waargenomen frequentie van een golf zou afhangen van de relatieve snelheid van de bron van de golf ten opzichte van de waarnemer, een fenomeen dat hij een “frequentieverschuiving” noemde (Doppler, 1842). Hij maakte een analogie met een schip op sail on the ocean, waarin hij beschreef hoe het schip golven zou tegenkomen op het oppervlak van het water met een snellere snelheid (en dus hogere frequentie) als het in de golven zou varen dan als het in dezelfde richting zou reizen als de golven.

u bent misschien bekend met de frequentieverschuiving, die we nu het Doppler-Effect ter ere van hem noemen, als u ooit naar het geluid van het verkeer hebt geluisterd terwijl u aan de kant van de weg stond. De bekende high-to-low pitch verandering is een voorbeeld van het effect – de werkelijke frequentie van de uitgezonden golven verandert niet, maar de snelheid van het passerende voertuig beïnvloedt hoe snel die golven je bereiken. Doppler stelde voor dat we hetzelfde effect zouden zien op alle sterren die bewegen: Hun kleur zou verschuiven naar het rode uiteinde van het spectrum als ze zich van de aarde zouden verplaatsen (een roodverschuiving genoemd) en naar het blauwe uiteinde van het spectrum als ze dichterbij zouden komen (een blauwverschuiving genoemd) (zie Figuur 4). Hij verwachtte deze verschuiving te kunnen zien in dubbelsterren, of paar sterren die om elkaar heen draaien. Uiteindelijk zou Doppler ‘ s artikel uit 1842, getiteld “On the coloured light of the double stars and certain other stars of the heavens”, de manier waarop we naar het universum kijken veranderen. Op dat moment waren telescopen echter niet gevoelig genoeg om de door hem voorgestelde verschuiving te bevestigen.

Doppler ‘ s ideeën werden onderdeel van de wetenschappelijke literatuur en op die manier werd bekend bij andere wetenschappers. Tegen de vroege jaren 1900, technologie eindelijk ingehaald met Doppler en krachtigere telescopen kunnen worden gebruikt om zijn ideeën te testen. In September 1901 had een Amerikaan genaamd Vesto Slipher net zijn bachelordiploma in mechanica en astronomie behaald aan de Universiteit van Indiana. Hij kreeg een baan als tijdelijk assistent bij het Lowell Observatory in Flagstaff, Arizona, terwijl hij zijn afstudeerwerk in Indiana voortzette. Kort na zijn aankomst kreeg het observatorium een drie-prisma spectrograaf, en Slipher ‘ s taak was om het te monteren aan de 24-inch telescoop op het observatorium en te leren om het te gebruiken om de rotatie van de planeten in het zonnestelsel te bestuderen. Na een paar maanden van problemen en trouble-shooting, Slipher was in staat om spectrograms van Mars, Jupiter en Saturnus te nemen. Maar Slipher ‘ s persoonlijke onderzoeksinteresses waren veel verder weg dan de planeten van het zonnestelsel. Net als Doppler was hij geïnteresseerd in het bestuderen van de spectra van dubbelsterren, en hij begon dat te doen in zijn vrije tijd bij het observatorium.in het volgende decennium voltooide Slipher een Master en een PhD aan de Indiana University, terwijl hij zijn werk voortzette bij het Lowell Observatory dat de spectra en dopplerverschuiving van sterren meet. In het bijzonder richtte Slipher zijn aandacht op Sterren in spiraalnevels (Figuur 5), in de verwachting dat de verschuiving in de spectra van de sterren erop zou wijzen dat de sterrenstelsels waartoe deze sterren behoorden draaiden. Inderdaad, hij wordt gecrediteerd met het bepalen dat sterrenstelsels draaien, en was in staat om de snelheden te bepalen waarop ze draaien. Maar in 1914, na 15 verschillende nevels te hebben bestudeerd, kondigde hij een merkwaardige ontdekking aan tijdens een bijeenkomst van de American Astronomical Society in Augustus:

in de grote meerderheid van de gevallen trekken de nevels zich terug.; de grootste snelheden zijn allemaal positief…Het opvallende overwicht van het positieve teken wijst op een generaal die voor ons of de Melkweg vlucht.

Slipher had ontdekt dat de meeste sterrenstelsels een roodverschuiving in hun spectrum vertoonden, wat erop wijst dat ze zich in de ruimte van ons af bewogen of zich terugtrokken (Slipher, 1915). Door het meten van de grootte van de roodverschuiving, was hij in staat om de recessionele snelheid of de snelheid waarmee objecten “vluchtten te bepalen.”Slipher had een interpretatie gemaakt van zijn observaties die een nieuw perspectief op het universum gaven, en als antwoord kreeg hij een staande ovatie voor zijn presentatie.

Slipher zette zijn werk voort met roodverschuiving en sterrenstelsels en publiceerde een ander artikel in 1917, nadat hij nu 25 nevels had onderzocht en in 21 daarvan een roodverschuiving had gezien. Georges Lemaître, een Belgische natuurkundige en astronoom, bouwde voort op Slipher ‘ s werk tijdens zijn doctoraat aan het Massachusetts Institute of Technology. Hij breidde Slipher ’s metingen uit naar het hele universum, en berekende wiskundig dat het universum moet uitdijen om Slipher’ s observatie te verklaren. Hij publiceerde zijn ideeën in 1927 in een artikel genaamd “A homogenous Universe of constant mass and growing radius accounting for the radial velocity of extragalactic nebulae” (Lemaître, 1927), maar zijn artikel kreeg veel kritiek van de wetenschappelijke gemeenschap. De Engelse astronoom Fred Hoyle maakte het werk belachelijk en bedacht de term “Big Bang” – theorie als een minachtende bijnaam voor Lemaître ‘ s idee. En niemand minder dan Albert Einstein bekritiseerde Lemaître en schreef hem “je wiskunde is correct, maar je natuurkunde is abominabel” (Deprit, 1984).Einsteins kritiek had een persoonlijke en culturele component, twee dingen die we vaak over het hoofd zien in termen van hun invloed op de wetenschap. Enkele jaren eerder had Einstein zijn algemene relativiteitstheorie gepubliceerd (Einstein, 1916). Bij het formuleren van de theorie had Einstein een belangrijk probleem ondervonden: de algemene relativiteitstheorie voorspelde dat het universum moest krimpen of uitdijen – het stond geen statisch universum toe. Maar een samentrekkend of uitdijend universum kon niet eeuwig zijn, terwijl een statisch, niet-bewegend universum dat wel kon, en het heersende culturele geloof in die tijd was dat het universum eeuwig was. Einstein werd sterk beïnvloed door zijn culturele omgeving. Als gevolg daarvan vond hij een “fudge factor” uit, die hij de kosmologische constante noemde, waardoor de theorie van de algemene relativiteitstheorie consistent zou zijn met een statisch universum. Maar wetenschap is geen democratie of plutocratie; het is niet de meest voorkomende Of meest populaire conclusie die wordt geaccepteerd, maar eerder de conclusie die bestand is tegen de test van het bewijs in de tijd. Einsteins kosmologische constante werd uitgedaagd door nieuw bewijs.