エディントン実験

エディントンの実験は、1919年にイギリスの天文学者フランク・ワトソン・ダイソンとアーサー・スタンレー・エディントンによって組織された一般相対性理論の観測的検証であった。観測は1919年5月29日の皆既日食で、2つの探検隊によって実施され、1つは西アフリカのプリンシペ島、もう1つはブラジルのソブラルの町であった。探検の目的は、太陽の近くを通過する星の光の重力による偏向を測定することであった。 ^[1]この偏向の値は、 1911年の論文でアルバート・アインシュタインが予測していたが、この最初の予測は不完全な一般相対性理論に基づいていたため正しくなかったことが判明した。アインシュタインは、1915年に理論を完成させ、カール・シュヴァルツシルトによって方程式の解を得た後、予測を改善した。遠征隊の帰還後、その結果はエディントンによってロンドン王立協会^[2]に提出され、審議の末に承認されました。この結果は新聞で広く報道され、アインシュタインと彼の理論は世界的に有名になりました。

光の重力による偏向に関する最初の考察の 1 つは、1801 年にヨハン ゲオルク フォン ゾルトナーが、ニュートンの重力理論によれば星の光は質量の大きい物体の近くを通過すると偏向すると予測されると指摘したときに発表されました。当初、1911 年に発表された論文で、アインシュタインは光の偏向量はニュートンの値と同じであると誤って計算していました。つまり、重力がない場合に太陽の縁のすぐ上にある星の場合、0.83 秒角です。

1911年10月、アインシュタインの激励に応えて、ドイツの天文学者エルヴィン・フロイントリッヒはベルリンの日食専門家チャールズ・D・ペリーヌに連絡を取り、既存の日食写真がアインシュタインの光の偏向の予測を証明するのに適しているかどうかを尋ねた。コルドバのアルゼンチン国立天文台の所長であったペリーヌは、リック天文台にいた間に1900年、1901年、1905年、1908年の4回の日食探検に参加していたが、既存の日食写真は役に立たないと考えていた。1912年、フロイントリッヒはペリーヌに、1912年10月10日にブラジルで起こる日食のためのアルゼンチン天文台のプログラムに光の偏向の観測を含めるかどうか尋ねた。リック天文台の所長WWキャンベルは、ペリーヌに水銀内カメラのレンズを貸与​​した。ペリーヌとコルドバチームは、光の偏向を観測するための特別な装置を製作した唯一の日食遠征隊だった。残念ながら、すべての遠征隊は集中豪雨に見舞われ、観測はできなかった。しかし、ペリーヌは光の偏向を観測してアインシュタインの予言を検証しようとした最初の天文学者だった。^[3]エディントンは1912年の日食を観測するためにブラジルへ行ったイギリス遠征隊に参加していたが、別の測定に興味を持っていた。^[3]エディントンとペリーヌはブラジルで数日間を一緒に過ごし、光の偏向に関するアインシュタインの予言を含む観測プログラムについて話し合った可能性がある。^[4]

1914年、アルゼンチン、ドイツ、米国からの3つの日食観測遠征隊が、光の偏向を観測することでアインシュタインの理論を検証することになりました。3人の隊長は、ベルリン天文台のエルヴィン・フィンレイ＝フロイントリッヒ、リック天文台台長の米国天文学者ウィリアム・ウォレス・キャンベル、コルドバのアルゼンチン国立天文台台長チャールズ・D・ペリーヌでした。3つの遠征隊は、8月21日の日食を観測するためにロシア帝国のクリミア半島に向かいました。しかし、その年の7月に第一次世界大戦が始まり、8月1日にドイツはロシアに宣戦布告しました。ドイツの天文学者たちは帰国を余儀なくされるか、ロシア軍の捕虜になりました。米国とアルゼンチンの天文学者たちは拘束されませんでしたが、日食中は雲のために鮮明な観測ができませんでした。ペリーヌの写真は、アインシュタインの予言を証明するほど鮮明ではなかったものの、光の偏向に関するアインシュタインの予言を検証する試みとして初めて撮影されたものである。^{[3] [5] [6]}

1918年の日食の際にアメリカの天文学者がこの現象を計測しようとした2度目の試みは、ある場所では雲のため失敗に終わり^[7]、別の場所では適切な機器がなかったため曖昧な結果となった^{[1] [8] 。}

アインシュタインの1911年の論文では、太陽の縁にある星の光の偏向は0.83秒角であると予測し、天文学者たちに日食中に太陽の近くの星を観測してこの予測を検証するよう促した。^[9]天候のせいで1912年のペリーヌと1914年のペリーヌ、フロイントリッヒ、キャンベルの成果が出なかったのはアインシュタインにとって幸運だった。もし結果が出ていたなら、1911年の予測は反証され、アインシュタインの名声は地に落ちたかもしれない。いずれにせよ、アインシュタインは1915年の一般相対性理論の論文で、縁にある星の光の偏向は1.75秒角であると予測を訂正した。アインシュタインとその後の天文学者たちは、この訂正から恩恵を受けた。^[10]

エディントンの一般相対性理論への関心は、第一次世界大戦中の1916年に、中立国オランダの物理学者ウィレム・デ・ジッターがイギリスの王立天文学会に送ったアインシュタインの論文（1915年にドイツのベルリンで発表）を読んだことに始まった。後にこの理論を理解していた当時数少ない人物の一人と言われるエディントンは、その重要性に気づき、 1916年にイギリス天文学会の会合で相対性理論について講義した。彼は、日食による光の偏向の観測などの方法によって理論をテストすることの重要性を強調し、王立天文学者のフランク・ワトソン・ダイソンは、そのようなテストに特に適していると思われる1919年5月の日食の計画を立て始めた。エディントンはまた、物理学会に一般相対性理論に関する主要な報告書を提出し、1918年に『重力の相対性理論に関する報告書』として出版した。エディントンは1913年から天文学の教授を務めていたケンブリッジ大学でも相対性理論について講義していた。^[a]

イギリスで戦時徴兵制度が導入されたのは1917年のことだった。34歳のエディントンは徴兵対象者だったが、大学側が国家の利益を理由に徴兵を免除した。この免除は後に陸軍省から上訴され、1918年6月と7月に行われた一連の審問で、クエーカー教徒だったエディントンは宗教上の理由から良心的兵役拒否者であると述べた。 ^[12]最終審問で、王立天文学者フランク・ワトソン・ダイソンは免除を支持し、翌年5月に皆既日食を観測してアインシュタインの一般相対性理論を検証する遠征をエディントンに提案した。上訴審はエディントンに12か月の延長を認めた。 11月に休戦協定が調印され戦争が終結したことでこの延長は意味をなさなくなったが、遠征は予定通り行われた。

この実験の背後にある理論は、太陽による光の予測される偏向に関するものです。光の偏向の最初の観測は、天球上で太陽の近くを通過する星の位置の変化を観察することによって行われました。質量のない粒子が無限遠から入ってきて無限遠に戻る場合のおおよその角度偏向 δ φ は、次の式で与えられます。^[b]

${\displaystyle \delta \varphi \approx {\frac {2r_{s}}{b}}={\frac {4GM}{c^{2}b}}.}$

ここで、b は最接近距離と解釈できる。この式は近似値ではあるが、r _s /b の比率が小さいため、重力レンズ効果の測定ではほとんどの場合正確である。太陽の表面をかすめる光の場合、おおよその角度偏向はおよそ 1.75 秒角である。^[2]これは、ニュートンの重力理論を使用した計算で予測された値の 2 倍である。エディントンの遠征隊やその後の日食観測者が観測しようとしたのは、この 2 つの理論間の偏向の差であった。

この遠征の目的は、皆既日食の際の月の遮蔽効果を利用し、天文測量法を用いて日食中の太陽の周りの空の星の位置を測定することであった。これらの星は、通常、太陽の明るさのために日中は見えないが、月が太陽の円盤を覆う皆既の瞬間に見えるようになる。日食中の星の観測位置が、通常の位置（数か月前の夜間、太陽が視野にないときに測定）と比べて異なる場合、これらの星からの光が太陽の近くを通過する際に曲がったことを示している。ダイソンは、1916年に遠征を計画したとき、1919年の日食を選んだ。それは、ヒアデス星団と呼ばれる明るい星団の前に太陽が位置するからである。これらの星が明るいため、位置の変化を測定しやすくなる。

2人ずつの2つのチームが、西アフリカのプリンシペ島とブラジルのソブラルの2か所に日食を観測するために派遣される予定だった。

プリンシペ号の遠征隊のメンバーは、ケンブリッジ天文台のエディントンとエドウィン・ターナー・コッティンガムであり、ソブラル号の遠征隊のメンバーは、ロンドンのグリニッジ天文台のアンドリュー・クロメリンとチャールズ・ランドル・デイビッドソンであった。エディントンはケンブリッジ天文台の所長であり、コッティンガムは天文台の機器を扱う時計職人であった。同様に、クロメリンはグリニッジ天文台の助手であり、デイビッドソンは天文台のコンピューターの1人であった。

この遠征は、王立協会と王立天文学会の合同委員会である合同常設日食委員会によって組織され、王立天文学者ダイソンが委員長を務めた。遠征の資金申請は政府補助金委員会に提出され、機器代として 100 ポンド、旅費やその他の費用として 1,000 ポンドを要求した。

1918年半ば、ブラジル国立天文台の研究者らは、セアラ州ソブラル市が日食を観測するのに最適な地理的位置にあると判断した。同天文台の所長エンリケ・シャルル・モリゼ [pt]は、ロンドンの王立天文学会を含む世界中の科学機関にこの件に関する報告書を送った。^[13]

ブラジルに派遣されたグリニッジ天文台チームはチャールズ・デイビッドソンとアンドリュー・クロメリンで構成され、フランク・ダイソンがヨーロッパからすべての調整を行い、後にチームのデータを分析する責任を負った。チームは1919年3月23日にブラジルに到着し、ブラジル政府の厚意により装備は検査なしで免除された。^[13]エディントンはプリンシペ号遠征に参加したが、ダイソンがブラジルに行かなかった理由は不明である。^[14]

この装置は、シーロスタットと呼ばれる鏡システムに接続された2つの天体望遠鏡で作られており、1つは王立グリニッジ天文台の口径13インチの主望遠鏡で、16インチのシーロスタットに取り付けられており、もう1つはアロイシウス・コルティから借りた口径4インチの小型のバックアップ望遠鏡である。^[13]

4月30日、チームはソブラルに到着した。日食当日は曇り空で始まったが、空は晴れ、午前8時56分前には月が太陽を覆い始めた。日食は5分13秒続いた。チームは7月までソブラルに滞在し、夜に同じ星空を撮影した。^{[13] [15]}

メイン望遠鏡は12個の星を記録し、バックアップ望遠鏡は7個の星を記録した。メイン望遠鏡の画像はぼやけていたため最終結論から除外されたが、小型望遠鏡の画像は最も鮮明で信頼性が高かった。^{[13] [14] [15]}ダニエル・ケネフィックは、ソブラルの写真がなければ1919年の日食の結果は決定的なものにはならず、将来の日食の際の遠征ではデータが改善されなかったと主張している。^[14]

英国チームには、エンリケ・シャルル・モリゼ率いるブラジルチームと、太陽コロナの分光観測を目的とした天文学者のレリオ・ガマ [pt]、ドミンゴス・フェルナンデス・ダ・コスタ、アリリオ・ユグネイ・デ・マットス、テオフィロ・リーが参加した。^[16]

チームは、現在日食博物館となっているパトロシーニオ教会前の広場に機材を設置した。チームは、太陽とその端近くの星の位置を捉えた24×18cmと9×12cmのプレートを数枚撮影したが、残念ながらブラジルチームが作成したデータからは意味のある結論は得られず、その貢献は英国チームと気候観測への後方支援とみなされた。^[16]ブラジルチームのプレートは2015年に国立天文台によって修復されたが、^[16]英国チームのプレートは1979年以降紛失した。^[14]

その日から3回目の探検隊はカーネギー研究所のダニエル・メイナード・ワイズとアンドリュー・トムソンによって結成された。彼らの目的は日食が磁場と大気の電気に与える影響を研究することだった。^[16]

1925年、アインシュタインはブラジルの報道機関に対し、この結果について「私の頭脳が考えた問題は、明るいブラジルの空によって解決された」と述べた。^{[15] [17]}

西アフリカ沖のギニア湾に浮かぶプリンシペ 島への遠征に使用された装備は、オックスフォードのラドクリフ天文台から借りた天体写真用レンズだった。エディントンは1919年3月にイギリスから出航した。5月中旬までに、当時のスペイン領ギニアに近いプリンシペ島に装備を設置した。日食は5月29日の午後2時に起こるはずだったが、その日の朝は激しい雨を伴う嵐だった。エディントンは次のように書いている。

雨は正午ごろに止み、1 時半ごろには太陽が見え始めました。私たちは信じて写真を撮らなければなりませんでした。私はプレートの交換に忙しく、日食を見ることができませんでした。ただ、日食が始まったことを確認するために一度だけちらっと見たのと、途中で雲がどのくらいあるか確認するためにもう一度見ただけです。私たちは 16 枚の写真を撮りました。太陽はどれもよく写っていて、非常に目立つほど目立っていますが、雲が星の画像を妨げています。最後の数枚の写真には、必要な情報を提供してくれることを期待する画像がいくつか写っています。

エディントンはプリンシペ島の写真を現像し、日食中の恒星の位置の変化を測定しようとした。6 月 3 日、雲で写真の質が落ちていたにもかかわらず、エディントンはノートに次のように記した。「私が測定した写真の 1 枚は、アインシュタインの考えと一致する結果を示した。」

イギリスの将来の天文学者で天体物理学者となるセシリア・ペイン＝ガポシュキンは、この遠征^[要検証]とエディントンの講義に出席し、後にこの航海がいかに彼女に大きな影響を与えたかを語った。^[18]

この研究結果は1919年11月の王立協会の会合で発表され、^[19] 1920年に王立協会の哲学論文集に掲載されました。 ^[2]遠征隊の帰還後、エディントンは王立天文学会主催の晩餐会で演説し、より明るい一面を見せて、オマール・ハイヤームのルバイヤートをパロディにした次のような詩を朗読しました。^[20]

ああ、賢者に私たちの尺度を照合させてください。
少なくとも一つだけ確かなことは、光には重さがある
ということです。一つだけ確かなことは、残りは議論の余地があります
。光線は、太陽の近くにあるときは、まっすぐ進みません。

— アーサー・スタンレー・エディントン、RASディナー^[21]

光の偏向の測定は、 1922年9月21日のオーストラリアでの皆既日食を観測した遠征隊によって繰り返されました。これには、米国カリフォルニア州のリック天文台^[c]とウィルソン山天文台が重要な役割を果たしました。 ^[8] 1923年4月12日、ウィリアム・ウォレス・キャンベルは、 200を超える星の測定により、新しい予備的な結果がアインシュタインの相対性理論と光の偏向量の予測を裏付けたと発表しました。^[23] 1928年に発表された最終結果には、3,000を超える星の画像の測定が使用されました。^[24]

1919年11月6日の王立協会と王立天文学会の合同セッションでの結果発表は、まずイギリスで、数日後にはアメリカの新聞、特にニューヨークタイムズ紙で、さらに数日後にはドイツの新聞でも大々的に報道された。アインシュタインは、その頃までに数年前からドイツではそこそこ有名な公人であったが、問題の記事は彼が国際的に有名になるきっかけとなった。^[25]注目すべき例外はベルギーで、そこではエディントンの結果は冷遇された。これは、ベルギーが第一次世界大戦で被った苦難がまだ国内で強く残っていたため、アインシュタインがドイツを代表する人物とみなされていたためでもある。^[26]アインシュタインの理論が突然人気を博したことで、科学書の「アインシュタインブーム」が起こった。^[27]

後にアインシュタインが実験結果に感銘を受けず、証拠がなくても理論に確信を持っていた（もし結果が違ったら何と答えたかと尋ねられたとき、「それでは神に同情するでしょう。いずれにせよ理論は正しいのです」と述べている^）という逸話があるが、アインシュタインが他の科学者に宛てた手紙の証拠は、逆に彼が新しい結果に感銘を受け感動し、それを重要な成功とみなしていたことを示している。^[29]

1919年の結果は、ノーベル賞受賞者のフィリップ・レーナードがアインシュタインの信用を失墜させるための組織的な取り組みの一部としても利用された。レーナード自身は熱心な国家社会主義者で、彼が「ドイツ物理学」と見なすものの提唱者であり、不自然な「ユダヤ物理学」の危険な提唱者と見なしていた。^[30]レーナードは、ヨハン・ゲオルク・フォン・ゾルドナーがニュートンの重力から、巨大な物体の周りで星の光が曲がることについて導き出した1801年の予測を指摘した。 ^[31]これはアインシュタインが1915年に導き出した一般相対論的予測の半分に相当し、したがってアインシュタイン自身の1911年のそれ以前の導き出しに相当し、それがアインシュタインが盗作者であることを証明し、1919年の結果の功績はゾルドナーに与えられるべきだと主張した。

1919 年の結果自体と、その結果を収録したエディントンの一般相対性理論の教科書は、科学界におけるアインシュタインの理論の受容において重要な役割を果たした。エディントンの結果は、アインシュタインの理論への関心が高まるにつれて、第 2 版で多数翻訳された。^[32]エディントンの結果はアインシュタインの予測を裏付けるものと見なされ、その立場からすぐに一般相対性理論の教科書に掲載されたが、^[33]他の天文学者の間では、光の偏向の定量的な値について 10 年にわたる議論が続き、その後の日食の際にエディントンの観測が数回の遠征で繰り返された後も、正確な結果は論争の的となっていた。^[34]この議論は、1922 年と 1929 年の日食遠征で異なる星に割り当てられた異なる重みなどのデータ分析と、結果を歪める可能性のある特定の体系的効果の問題の両方に関係していた。^{[35] [36]}

全体として、可視光を使用したこの種の日食測定にはかなりの不確実性が残っており、偏向量は一般相対性理論で予測された完全な値であり、「ニュートン」計算で予測された数の半分ではないことが決定的に示されたのは、1960 年代後半の電波天文学的測定のみでした。^[37]これらの測定とその後継は、現在では、いわゆるポストニュートン重力テストの重要な部分であり、これは、パラメータ化されたポストニュートン形式論のコンテキストで、一般相対性理論やその他の理論の予測を 10 個の調整可能なパラメータでパラメータ化する体系的な方法です。各パラメータは、ニュートンの万有引力の法則からの逸脱の可能性を表します。ポストニュートン近似の最も初期のパラメータ化は、エディントン (1922) によって実行されました。重力源による光の偏向量に関係するパラメータは、いわゆるエディントンパラメータ (γ) であり、現在のところ、ポストニュートンパラメータの 10 個の中で最も制約が厳しいものです。

1973年にテキサス大学の遠征隊がモーリタニアで観測した最後の本格的な写真乾板による日食測定の頃、エディントンの元の測定がアインシュタインの予言を立証するのに十分であったかどうか、あるいはエディントンと彼の同僚による偏った分析が結果を歪めたのではないかという疑問が浮上し始めた。^[38]系統的誤差や確証バイアスの可能性に関する同様の懸念は科学史コミュニティでも提起され^{[39] 、}トレバー・ピンチとハリー・コリンズの人気書籍「ゴーレム」の一部としてさらに注目された。^[40]しかし、データセットの現代的な再分析は、エディントンの分析が正確であり、実際にはその後に行われた日食データの分析のいくつかよりもバイアスの影響が少なかったことを示唆している。^{[41] [42]}エディントンの結論の一部は、1919年当時よりもはるかに近代的なプレート測定機を使用して、2つのソブラルの機器のプレートを1979年に再分析したことから得られ、エディントンの結果を裏付けています。^[43]

この実験は、2008年のBBCテレビ映画『アインシュタインとエディントン』のストーリーの中心となり、デイヴィッド・テナントがエディントン役を演じた。

• 一般相対性理論のテスト
• アインシュタインとエディントン

• ゲイツ、シルベスター J. Jr; ペルティエ、キャシー (2019)。『アインシュタインの正しさを証明する: 宇宙の見方を変えた大胆な探検』 (初版)。ニューヨーク: PublicAffairs。ISBN 978-1541762251。
• ケネフィック、ダニエル (2019)。『疑いの余地なし: アインシュタインの相対性理論を裏付けた 1919 年の日食』プリンストン: プリンストン大学出版局。ISBN 9780691183862。
• コリンズ、ハリー、ピンチ、トレバー（1993年）。『ゴーレム：科学について誰もが知っておくべきこと』ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0521477360。
• コーウェン、ロン（2019年5月）。重力の世紀：アインシュタインの日食からブラックホールの画像まで（イラスト版）。ハーバード大学出版局。ISBN 978-0-674-97496-8。
• クレリンステン、ジェフリー（2006年5月）。『アインシュタインの陪審：相対性理論を検証する競争』プリンストン大学出版局。ISBN 978-0-691-12310-3。
• スタンリー、マシュー（2019）。『アインシュタインの戦争：第一次世界大戦の悪質なナショナリズムの中で相対性理論はいかに勝利したか』ダットン。ISBN 978-1-5247-4541-7。

• Eclipse 1919、日食、探検、100周年記念イベントに関するウェブサイト
• 「エディントンの日食とアインシュタインの有名人」ディスカバリー（音声）エピソード（BBC ワールド サービスより）
• 「アインシュタインを世界に知らしめた男」（BBCニュース、2019年5月24日）
• 「マシュー・スタンレーとアインシュタインの戦争」。2020年7月30日にWayback Machineにアーカイブ（クラーク・センター・フォー・ヒューマン・イマジネーション、UCSDポッドキャスト）
• 「100年後：宇宙観を変えた写真」（オブザーバー、2019年5月12日）
• 「1919 年の日食がいかにしてアインシュタインを世界で最も有名な科学者にしたか」（ディスカバー誌、2019 年 5 月）
• 「100年前の皆既日食がアインシュタインの一般相対性理論を証明した」（スミソニアン誌、2019年5月24日）
• 「アインシュタイン、エディントン、そして1919年の日食」（ネイチャー、2019年4月）
• 「アーサー・S・エディントン：物理学から哲学へ、そして再び物理学へ」（エディントン会議、2019年5月27～29日、パリ）