natura wiedzy naukowej

przesunięcie ku czerwieni i efekt Dopplera

mniej więcej w tym samym czasie austriacki fizyk o nazwisku Christian Doppler studiował astronomię i matematykę. Doppler wiedział, że światło zachowuje się jak fala, więc zaczął myśleć o tym, jak ruch gwiazd może wpływać na światło emitowane przez te gwiazdy. W pracy opublikowanej w 1842 roku, Doppler zaproponował, że obserwowana częstotliwość fali będzie zależeć od względnej prędkości źródła fali w stosunku do obserwatora, zjawisko, które nazwał „przesunięciem częstotliwości” (Doppler, 1842). Zrobił analogię do statku na żaglu na Oceanie, opisując, jak statek napotkałby fale na powierzchni wody w szybszym tempie (a tym samym wyższej częstotliwości), gdyby płynął w fale, niż gdyby poruszał się w tym samym kierunku co fale.

możesz być zaznajomiony z przesunięciem częstotliwości, które teraz nazywamy efektem Dopplera na jego cześć, jeśli kiedykolwiek słuchałeś dźwięku ruchu stojąc na poboczu drogi. Znana zmiana wysokości do niskiej wysokości jest przykładem tego efektu – rzeczywista częstotliwość emitowanych fal nie zmienia się, ale prędkość przejeżdżającego pojazdu wpływa na to, jak szybko te fale docierają do ciebie. Doppler zaproponował, że zobaczymy taki sam efekt na każdej poruszającej się gwieździe: Ich kolor przesunąłby się w kierunku czerwonego końca widma, gdyby oddalały się od Ziemi (zwanego przesunięciem ku czerwieni) i w kierunku niebieskiego końca widma, gdyby się zbliżały (zwanego przesunięciem ku czerwieni) (patrz rysunek 4). Spodziewał się, że będzie w stanie zobaczyć tę zmianę w gwiazdach podwójnych, lub parach gwiazd, które krążą wokół siebie. Ostatecznie, praca Dopplera z 1842 roku, zatytułowana „on the coloured light of the double stars and certain other stars of the heavens”, zmieniłaby sposób, w jaki patrzymy na wszechświat. Jednak w tym czasie teleskopy nie były wystarczająco czułe, aby potwierdzić zaproponowaną przez niego zmianę.

idee Dopplera stały się częścią literatury naukowej i dzięki temu stały się znane innym naukowcom. Na początku XX wieku technologia w końcu dogoniła Dopplera, a potężniejsze teleskopy mogły być użyte do przetestowania jego pomysłów. We wrześniu 1901 roku Amerykanin Vesto Slipher właśnie ukończył studia licencjackie z mechaniki i astronomii na Indiana University. Dostał pracę jako tymczasowy asystent w Lowell Observatory w Flagstaff w Arizonie, kontynuując jednocześnie pracę dyplomową w Indianie. Wkrótce po jego przybyciu Obserwatorium uzyskało trójpryzmatyczny spektrograf, a zadaniem Sliphera było zamontowanie go na 24-calowym teleskopie w Obserwatorium i nauczenie się go używać do badania rotacji planet w Układzie Słonecznym. Po kilku miesiącach problemów i problemów, Slipher był w stanie wykonać spektrogramy Marsa, Jowisza i Saturna. Ale osobiste zainteresowania badawcze Sliphera były znacznie dalej niż planety Układu Słonecznego. Podobnie jak Doppler, interesował się badaniem widm gwiazd binarnych i zaczął to robić w wolnym czasie w Obserwatorium.

w ciągu następnej dekady Slipher ukończył studia magisterskie i doktoranckie na Indiana University, kontynuując jednocześnie pracę w Lowell Observatory, mierząc widma i przesunięcia dopplerowskie gwiazd. W szczególności Slipher skupił swoją uwagę na gwiazdach w mgławicach spiralnych (ryc. 5), spodziewając się, że przesunięcie widm gwiazd wskazywałoby, że galaktyki, do których należały te gwiazdy, obracały się. Rzeczywiście, przypisuje mu się ustalenie, że galaktyki obracają się i był w stanie określić prędkości, z którymi się obracają. Ale w 1914 roku, po zbadaniu 15 różnych mgławic, ogłosił ciekawe odkrycie na posiedzeniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w sierpniu:

w zdecydowanej większości przypadków mgławice ustępują; największe prędkości są dodatnie…Uderzająca przewaga znaku pozytywnego wskazuje na generała uciekającego przed nami lub Drogą Mleczną.

Slipher odkrył, że większość galaktyk wykazuje przesunięcie ku czerwieni w swoim spektrum, co wskazuje, że wszystkie oddalają się od nas w kosmosie lub cofają (Slipher, 1915). Mierząc wielkość przesunięcia ku czerwieni, był w stanie określić prędkość recesji lub prędkość, z jaką obiekty „uciekały.”Slipher dokonał interpretacji ze swoich obserwacji, która wprowadziła nową perspektywę na wszechświat, a w odpowiedzi otrzymał owację na stojąco za swoją prezentację.

Slipher kontynuował pracę nad przesunięciem ku czerwieni i galaktykami i opublikował kolejną pracę w 1917 roku, badając 25 mgławic i obserwując przesunięcie ku czerwieni w 21 z nich. Georges Lemaître, belgijski fizyk i astronom, opierał się na pracy Sliphera, kończąc Doktorat w Massachusetts Institute of Technology. Rozszerzył pomiary Sliphera na cały wszechświat i obliczył matematycznie, że wszechświat musi się rozszerzać, aby wyjaśnić obserwacje Sliphera. Swoje idee opublikował w 1927 roku w pracy „a Homogenic Universe of constant mass and growing radius accounting for the radial velocity of extragalactic nebulae” (Lemaître, 1927), ale jego praca spotkała się z powszechną krytyką ze strony środowiska naukowego. Angielski astronom Fred Hoyle wyśmiał tę pracę i ukuł termin „Teoria Wielkiego Wybuchu” jako lekceważący przydomek dla idei Lemaître ’ a. I nikt inny jak Albert Einstein skrytykował Lemaître, pisząc do niego „twoja matematyka jest poprawna, ale twoja fizyka jest obrzydliwa” (Deprit, 1984).

krytyka Einsteina miała element osobisty i kulturowy, dwie rzeczy, które często pomijamy pod względem ich wpływu na naukę. Kilka lat wcześniej Einstein opublikował swoją ogólną teorię względności (Einstein, 1916). Podczas formułowania teorii Einstein napotkał jeden istotny problem: ogólna teoria względności przewidywała, że wszechświat musi się kurczyć lub rozszerzać – nie pozwalała na statyczny wszechświat. Jednak kurczący się czy rozszerzający się wszechświat nie mógł być wieczny, podczas gdy statyczny, nie poruszający się wszechświat mógł, a panujące wówczas kulturowe przekonanie mówiło, że wszechświat jest wieczny. Einstein był pod silnym wpływem otoczenia kulturowego. W rezultacie wynalazł „czynnik krówki”, który nazwał stałą kosmologiczną, która pozwoliłaby teorii ogólnej teorii względności być spójną ze statycznym wszechświatem. Ale nauka to nie demokracja czy plutokracja; nie jest to ani najpopularniejszy, ani najpopularniejszy wniosek, który staje się akceptowany, ale raczej wniosek, który z czasem poddaje się próbie dowodów. Stała kosmologiczna Einsteina została zakwestionowana przez nowe dowody.