naturen av vetenskaplig kunskap

Redshift och Doppler-effekten

vid ungefär samma tid studerade en österrikisk fysiker med namnet Christian Doppler astronomi och matematik. Doppler visste att ljuset uppförde sig som en våg, och så började tänka på hur stjärnornas rörelse kan påverka ljuset som emitteras från dessa stjärnor. I ett papper som publicerades 1842 föreslog Doppler att den observerade frekvensen för en våg skulle bero på vågens relativa hastighet i förhållande till observatören, ett fenomen som han kallade en ”frekvensskift” (Doppler, 1842). Han gjorde en analogi med ett fartyg vid sail on the ocean och beskrev hur fartyget skulle stöta på vågor på vattenytan i snabbare takt (och därmed högre frekvens) om det seglade in i vågorna än om det färdades i samma riktning som vågorna.

Du kanske känner till frekvensskiftet, som vi nu kallar Doppler-effekten till hans ära, om du någonsin har lyssnat på trafikljudet medan du står på sidan av vägen. Den välkända hög-till-låg tonhöjdsförändringen är ett exempel på effekten – den faktiska frekvensen för de utsända vågorna förändras inte, men hastigheten på det passande fordonet påverkar hur snabbt dessa vågor når dig. Doppler föreslog att vi skulle se samma effekt på alla stjärnor som rörde sig: Deras färg skulle skiftas mot den röda änden av spektrumet om de rörde sig bort från jorden (kallad rödförskjutning) och mot den blå änden av spektrumet om de rörde sig närmare (kallad blåförskjutning) (se Figur 4). Han förväntade sig att kunna se detta skifte i binära stjärnor, eller par stjärnor som kretsar kring varandra. Så småningom skulle Dopplers papper från 1842, med titeln ”on the colored light of the double stars and certain other stars of the heaven”, förändra hur vi ser på universum. Men vid den tiden var teleskop inte tillräckligt känsliga för att bekräfta det Skift han föreslog.

Dopplers ideer blev en del av den vetenskapliga litteraturen och blev därmed kända för andra forskare. I början av 1900-talet kom tekniken äntligen ikapp med Doppler och mer kraftfulla teleskop kunde användas för att testa hans tankar. I September 1901 hade en amerikan som heter Vesto Slipher just avslutat sin grundexamen i mekanik och astronomi vid Indiana University. Han fick ett jobb som tillfällig assistent vid Lowell Observatory i Flagstaff, Arizona, medan han fortsatte sitt examensarbete vid Indiana. Strax efter hans ankomst fick observatoriet en spektrograf med tre prisma, och Sliphers jobb var att montera den på 24-tums teleskopet vid observatoriet och lära sig att använda den för att studera planetens rotation i solsystemet. Efter några månaders problem och problemskytte kunde Slipher ta spektrogram av Mars, Jupiter och Saturnus. Men Sliphers personliga forskningsintressen var mycket längre bort än solsystemets planeter. Liksom Doppler var han intresserad av att studera spektra av binära stjärnor, och han började göra det på fritiden vid observatoriet.under det närmaste decenniet avslutade Slipher en magisterexamen och doktorsexamen vid Indiana University, medan han fortsatte sitt arbete vid Lowell Observatory som mätte spektra och dopplerskift av stjärnor. I synnerhet fokuserade Slipher sin uppmärksamhet på stjärnor inom spiralnebulosor (Figur 5) och förväntade sig att finna att skiftet som ses i stjärnornas spektra skulle indikera att galaxerna som stjärnorna tillhörde roterar. Faktum är att han krediteras med att bestämma att galaxer roterar och kunde bestämma hastigheterna vid vilka de roterar. Men 1914, efter att ha studerat 15 olika nebulosor, tillkännagav han en nyfiken upptäckt vid ett möte i American Astronomical Society i augusti:

i de flesta fall nebulosorna minskar; de största hastigheterna är alla positiva…Den slående övervägande av det positiva tecknet indikerar en allmän flykt från oss eller Vintergatan.

Slipher hade funnit att de flesta galaxer visade en rödförskjutning i sitt spektrum, vilket indikerar att de alla rörde sig bort från oss i rymden eller gick tillbaka (Slipher, 1915). Genom att mäta storleken på rödförskjutningen kunde han bestämma den recessionella hastigheten eller hastigheten vid vilken föremål ”flydde.”Slipher hade gjort en tolkning från sina observationer som satte ett nytt perspektiv på universum, och som svar fick han en stående ovation för sin presentation.

Slipher fortsatte sitt arbete med redshift och galaxer och publicerade ett annat papper 1917, efter att nu ha undersökt 25 nebulae och sett en redshift i 21 av dem. Georges Lema Ackortre, en belgisk fysiker och astronom, byggde på Sliphers arbete medan han avslutade sin doktorsexamen vid Massachusetts Institute of Technology. Han utvidgade Sliphers mätningar till hela universum och beräknade matematiskt att universum måste expandera för att förklara Sliphers observation. Han publicerade sina tankar i ett papper från 1927 som heter ”ett homogent universum med konstant massa och växande radie som redogör för radialhastigheten hos extragalaktiska nebulae” (Lema Augret, 1927), men hans papper mötte utbredd kritik från det vetenskapliga samfundet. Den engelska astronomen Fred Hoyle förlöjligade arbetet och myntade termen ”Big Bang” – teori som ett nedsättande smeknamn för Lema A. Och ingen annan än Albert Einstein kritiserade Lema Acre och skrev till honom” din matematik är korrekt, men din fysik är avskyvärd ” (Deprit, 1984).Einsteins kritik hade en personlig och kulturell komponent, två saker vi ofta förbiser när det gäller deras inflytande på vetenskapen. Flera år tidigare hade Einstein publicerat sin allmänna relativitetsteori (Einstein, 1916). Vid formuleringen av teorin hade Einstein stött på ett signifikant problem: allmän relativitet förutspådde att universum måste antingen kontrahera eller expandera – det tillät inte ett statiskt universum. Men ett sammandragande eller expanderande universum kunde inte vara evigt, medan ett statiskt, icke-rörligt universum kunde, och den rådande kulturella tron vid den tiden var att universum var evigt. Einstein påverkades starkt av sin kulturella omgivning. Som ett resultat uppfann han en ”fudgefaktor”, som han kallade den kosmologiska konstanten, som skulle göra det möjligt för teorin om allmän relativitet att överensstämma med ett statiskt universum. Men vetenskap är inte en demokrati eller plutokrati; det är varken den vanligaste eller mest populära slutsatsen som accepteras, utan snarare slutsatsen som står upp till bevistestet över tiden. Einsteins kosmologiska konstant utmanades av nya bevis.