Astăzi vom spune povestea verificării faptului că razele de lumină se curbează în câmp gravitațional.

Dacă vă uitați la fotografia lui James Clerk Maxwell ați putea crede că priviți un vârstnic. Maxwell a murit însă la 49 de ani în 1879 din cauza unui cancer la stomac. Moștenirea științifică vizează matematica, fizica, aplicații în inginerie, electronică, tehnologia informației, teoria culorilor, filozofia științei, medicină și astronomie. Maxwell este primul fizician care a folosit metode matematice sofisticate pentru a soluționa probleme complexe de fizică. În astronomie a  fost cel care a înțeles că inelul lui Saturn nu este gazos și nici lichid, ci este format din bucăți de material solid care orbitează aparent stabil planeta. Teoriile sale despre electromagnetism au fost esențiale pentru dezvoltarea teoriei relativității a lui Albert Einstein și a mecanicii cuantice. Einstein a remarcat odată că „transformarea radicală a imaginii noastre despre Univers ar fi fost de neconceput fără munca lui Maxwell.”

Acest cuvinte întregesc portretul unui om de știință format la universitățile din Edinburgh și Cambridge, om care a ajuns profesor și cercetător la King’s College în Londra și apoi la universitatea Cambridge.  Aici, laboratorul Cavendish al universității a fost creat și organizat de Maxwell, acesta devenind unul din cele mai prestigioase laboratoare de cercetare ale teoriilor fizice. Deci nu demonul lui Maxwell este un vârf al cercetării sale în fizica teoretică, ci teoria electromagnetică cu implicațiile ei în teoria relativității. Și asta vom încerca să înțelegem în cele ce urmează.

Mulți dintre dumneavoastră au văzut o eclipsă de Soare. Dacă nu, pe Youtube aveți o mulțime de filmulețe despre subiect. Luna se interpune între Soare și Pământ iar lumina zilei dispare atunci când suprapunerea este perfectă. Cerul se întunecă și se pot vedea stele ale bolții cerești din vecinătatea Soarelui acoperit de Lună. Aceste stele își trimit lumina către noi și putem să le fotografiem prin intermediul unui telescop atât atunci când sunt pe bolta cerească a unei nopți normale, cât și atunci când Soarele este acoperit de Lună, deci atunci când este eclipsă. Diferența între cele două situații este următoarea: când este eclipsă, lumina de la aceste stele va trece pe lângă Soare. Einstein a demonstrat că Soarele va devia razele de lumină care vin de la aceste stele. A folosit un model matematic inspirat de teoria relativității care descrie această situație și a prezis mărimea unghiului de deviere.

Acum teoria trebuia verificată prin experiment. Să subliniem că pentru partea teoretică avem nevoie de rezultatele obținute de Einstein în contextul teoriei despre lumină dezvoltată de Maxwell. 

Pentru partea de experiment intervine un alt ilustru astrofizician format la Cambridge, Arthur Eddington. Trebuie menționat că Eddington a lucrat și la laboratorul Cavendish din Cambridge, laborator despre care am vorbit înainte. Dar împlinirea lui Eddington s-a datorat faptului că matematica studiată îi permitea să înțeleagă geometria diferențială, deci și relativitatea generalizată. 

După ce a devenit în 1906 (la numai 24 de ani) director al Observatorului Regal de la Greenwich a trebuit să răspundă întrebărilor colegilor legate de articolul lui Einstein privind teoria restrânsă a relativității, teorie care „contrazicea” fundamentul teoretic al mecanicii newtoniene.

În fața unei numeroase audiențe și-a început prelegerea spunând ca vremea spațiului și timpului absolut considerate de Newton a trecut. 

⁃ Trebuie să acceptăm că timpul depinde de sistemul de referință, la fel ca și spațiul. Timpul se dilată pentru observatorul în repaus absolut. Distanțele sunt percepute contractate de observatorul din reperul în repaus când se uită la un corp care se deplasează cu viteză constantă. 

Auditoriul a început să murmure, să protesteze, cei mai mulți credeau că Eddington nu a înțeles corect cele spuse de Einstein. Acum noi știm că el înțelesese corect dar lumea nu era pregătită pentru revoluția conceptual-faptică adusă de relativitate. Mecanica newtoniană descria atât de bine realitatea încât toți credeau ca Eddington se înșeală. 

Eddington însă a perseverat, și a început o corespondență cu Einstein, corespondență care în perioada primului război mondial a fost facilitată de Max Planck. Părea de neimaginat ca oameni de știință din tabere dușmane să uite de apocalipsa conflictului și să își comunice rezultate științifice. Odată cu articolul lui Einstein privind relativitatea generalizată, Eddington, unul dintre primii care a înțeles-o, i-a cerut lui Einstein să îi explice prin intermediul acestei noi teorii a gravitației abaterea seculară a periheliului  planetei Mercur.

Einstein i-a trimis o scrisoare lungă cu calcule detaliate în care dovedea că teoria sa poate explica abaterea periheliului și calcula efectiv valoarea abaterii. Iar valoarea calculată coincidea cu observațiile astronomice. 

Eddington a devenit convins că adevărata teorie a gravitației trebuie să fie relativitatea generalizată și si-a propus să efectueze experimentul care dovedește că  razele de lumină  se curbează în câmp gravitațional și rezultatul prezis de teorie poate fi verificat experimental. 

Nu a fost simplu să-și convingă colegii să fie de acord cu finanțarea în 1919 a unei expediții în Africa de Sud unde urma să aibă loc o eclipsă totală de Soare. A trebuit să îi facă să accepte că englezii erau în oricare dintre situații avantajați. 

Dacă se constata că Einstein nu a avut dreptate, mecanica newtoniana devenea iar regină. Dacă experimentul confirma teoria lui Einstein, va deveni istorie că știința din Anglia era capabilă să valideze o teorie pe care germanii nu au putut-o valida. 

Participanții au votat pentru investirea sumei necesare expediției. Şi astfel Eddington, un telescop performant și un aparat fotografic cu plăci au ajuns în Africa de Sud. Telescopul a fost fixat în direcția în care a doua zi se va afla Soarele în momentul în care va fi acoperit de Lună. Culmea, asta se calculează folosind mecanica newtoniană. În noaptea de dinaintea eclipsei au făcut mai multe poze ale acelei zone, poze care trebuiau comparate cu pozele obținute în timpul eclipsei. A doua zi a plouat, era înnorat și Eddington era îngrijorat de faptul că eclipsa nu va fi vizibilă. Dar întâmplarea a făcut să fie vânt, norii să se risipească și eclipsa să fie perfect vizibilă. Au fost făcute poze care urmau să confirme sau să infirme teoria lui Einstein. Eddington spera ca plăcile fotografice să fie bune, pozele să nu se voaleze la developare, să nu fie tremurate… cine știe tot ce era în mintea lui Eddington. 

La întoarcerea la Greenwich, a anunțat că rezultatele vor fi prezentate în direct în fața unei audiențe formată din astronomi, fizicieni, matematicieni și alți oameni de știință care voiau să cunoască adevărul dezvăluit de experiment. Închipuiți-vă o sală care îl privește pe Eddington proiectând negativul primei fotografii realizate în seara dinainte de eclipsă. Cu negativul unei fotografii realizată în timpul eclipsei în mână, Eddington le arată două grupuri de stele la care trebuiau să fie atenți cei din sală.

⁃ Dacă toate stelele din această fotografie coincid cu cele din fotografia proiectată, Newton a avut dreptate. Daca grupurile acestea două de stele nu coincid dar toate celelalte stele coincid, Einstein are dreptate. Să lăsăm imaginea să ne spună.

Un murmur de uimire în sală. Cele două grupuri de stele nu erau la locul lor, toate celelalte erau. Sigur că trebuia să ne așteptăm la asta dacă ne gândim că teoria era verificată în cazul abaterii seculare a periheliului lui Mercur. 

Unii au părăsit indignați sala. Era greu de acceptat că Soarele curba textura universului și lumina nu făcea altceva decât să se miște pe textura deformată. A fost ultima zi în care cineva îl mai putea privi pe Einstein ca pe un fizician obscur cu teorii trăznite despre univers. Ziarele din Marea Britanie și apoi din toată lumea își anunțau cititorii că un fizician german a schimbat imaginea despre univers pe care Newton ne-a oferit-o. Și asta nu ar fi fost posibil fară inteligența, puterea de înțelegere și încăpățânarea lui Eddington. 

Se spune că, încercând să-i explice sorei lui cum masele mari afectează textura universului, a pus-o să apuce o față de masă de două colțuri, celelalte două fiind apucate de el, iar un invitat a aruncat un măr pe fața de masă astfel întinsă:

⁃ Priviți Soarele cum îndoaie textura universului…

Și Eddington își mișcă mâinile în așa fel încât mărul să se miște pe fața de masă care se curbează sub greutatea lui. Este imaginea celebră pe care profesorii o folosesc de atunci pentru a explica studenților lor cum masele mari deformează textura universului.