A Gólem

1. A Gólem Két kísérlet, amely „bizonyította” a relativitás elméletét A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

2. Kérdések és fogalmak • Kérdések: • Mi történik, ha egy elméletnek ellentmondó eredményre vezet egy kísérlet? • Mikor igazol és mikor cáfol egy megfigyelés egy elméletet? • Hogyan alakul ki konszenzus egy elmélet megítélése körül a tudományos közösségben? • Fogalmak: • Döntő kísérlet • Igazolás (verifikáció) és cáfolás (falszifikáció) • A társas elfogadás viszonyai • A kísérletek elméletfüggése • Elméleti elköteleződések és várakozások • Tudományos forradalmak A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

3. Miről lesz szó? – két esettanulmány • Két kísérlet, amely az értő közvélemény szemében „bizonyította” a relativitás elméletét: • az 1887-es Michelson–Morley-kísérletet a speciális, • Eddington 1919-es expedícióját az általános relativitáselmélet melletti döntő bizonyítékként szokták említeni • Kik? • Elsősorban a fizikatankönyvek és a tudományos népszerűsítő irodalom • Ezek olvasói a mi célközönségünk is: • NEM az adott részterülettel foglalkozó tudósok és tudománytörténészek – nekik általában alapos tudásuk van ezekről az esetekről, ők a szakértői ennek - bár az eltérő nézőpontnak köszönhetően nem feltétlenül jutnak ugyanazokra a konklúzióra, mint a tudománytörténészek • Viszont szinte mindenki más laikus ezzel kapcsolatban: nemcsak a tudomány iránt érdeklődők általában, hanem a más területen dolgozó kutatók is! A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

4. Egy új gondolat elsöprő sikere • A relativitáselmélet sok mindennek vált a szimbólumává: • az emberi géniusz csúcsteljesítménye • az érthetetlenség netovábbja • a relativizmus mételye • a bátor tudományos állítások és kísérleti igazolásuk iskolapéldája A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

5. Néhány idézet • „A Michelson-Morley kísérlet bebizonyította, hogy nincs éterszél, és megállapította, hogy a fénysebesség állandó minden inerciarendszerhez viszonyítva” (http://hu.wikipedia.org/wiki/Speciális_relativitáselmélet) • „Albert Einstein nevéhez fűződik a tudományos élet egyik legnagyobb felfedezése, a relativitáselmélet megalkotása. A híres német tudóst barátság fűzte kortársához, az angol tudományos élet kiemelkedő képviselőjéhez, Sir Arthur Eddingtonhoz. Az angol fizikus volt ugyanis az első, aki megértette Einstein elméletét. A két lángelme felvette egymással a kapcsolatot, levelezésük során megosztották egymással észrevételeiket és gondolataikat.” (port.hu, az Einstein és Eddington c. 2008-as film ismertetője) A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

6. Az elméletek igazolása • Honnan tudjuk, hogy egy elmélet igaz? • Megmérjük? • Tudunk olyan kísérletről, ami igazolja a jóslatait? • Minden kísérlet igazolja a jóslatait? • Belátjuk, hogy szükségszerűen igaz? • Mindenki elhiszi? • „Ha van olyan mérés, amely igazolja az elméletünket, azaz az elmélet jóslatait megbízható adatokkal tudja alátámasztani, akkor az elméletünk helyes.” • Ez logikailag nyilvánvalóan sántít, mégis sokszor ebben a formában szoktak hivatkozni kísérletekre • Milyen döntő kísérletekről tudunk, amelyek igazoltak kérdéses elméleteket? A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

7. Einstein forradalmi elmélete bátor jóslatot tesz a newtoni világképhez képest Mindkét elméletben elhajlik a fény erős gravitáció esetén, de az általános relativitáselmélet szerint nagyobb mértékben. Kérdés: kinek van igaza? Eddington csillagászati mérései Einstein elméletét igazolták I. felvonás: Elmászó csillagok A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

8. Egy csapásra hősök lesznek, akik a nemzetek közötti viszálykodás helyett együttműködve érnek el világraszóló eredményt Szalagcímek a sajtóból: "The Revolution In Science/Einstein Versus Newton" (The London Times, 1919. nov. 8.) "Lights All Askew In The Heavens/Men Of Science More Or Less Agog Over Results Of Eclipse Observations/Einstein Theory Triumphs" (The New York Times, 1919. nov. 10.) A szokásos forgatókönyv A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

9. A relativitáselmélet „általánosítása” • Nézzük meg a történetet kicsit közelebbről • Einsteint az 1905-ös eredményei után is tovább foglalkoztatták a különböző megfigyelők közötti relációk • Ekvivalencia-elv: egy külső „gravitációs erő” hatására szabadon eső rendszer lokálisan megkülönböztethetetlen az erőmentes mozgástól (1907) • Ez a felismerés, ha többnek tekintjük puszta véletlennél, a gravitáció és a mozgásegyenletek alapvető „összegyúrását” követeli meg • Einstein egy évtizedig küzd a problémával, mire rátalál a megfelelő matematikai alakra, és 1916-ban eljut a ma általános relativitáselméletnek nevezett megfogalmazáshoz A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

10. A fényelhajlás jóslata • Einstein elgondolásai fokozatosan öltöttek formát • 1911-ben egy még félig klasszikus gondolatmenet alapján arra jut, hogy közvetlenül a Nap mellett elhaladó fénysugár 0,87’’ (szögmásodperc) elhajlást szenved • 1916-ban, a teljes elmélet birtokában egy második levezetést is ad, amely pontosan egy kettes szorzóban tér el a korábbitól: 1,74” • Eddington 1918-as összefoglalójában az első számot nevezte az elhajlás „newtoni” értékének • Pedig Einstein ezt is már az ekvivalencia-elv alapján vezette le, viszont még hagyományos téridő-képben • Newton természetesen nem mondott ilyesmit – ahhoz a fény és a tömeggel bíró testek közötti valamiféle kölcsönhatás feltételezésére lett volna szükség • Később kiderült, hogy egy bizonyos Johann Georg von Soldner 1804-ben (!) publikált egy hasonló számolást, ami teljesen visszhang nélkül maradt A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

11. Három lehetőség a fényelhajlásra 1. Nincs 2. 0,87’’ a „newtoni” mértéke: 3. 1,74’’ az „einsteini” mértéke A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

12. Kísérleti ellenőrzés? • Einstein már az1911-es cikkében felvetette, hogy teljes napfogyatkozáskor lehetne ellenőrizni a jóslatát • Elméletileg a kor technológiája alapján kimérhető a jósolt eltérés • Gyakorlatban azonban – mint azt látni fogjuk – jóval nehezebb a feladat • Az öt legközelebbi teljes napfogyatkozás: • 1912. október 10.: Erwin Freundlich Brazíliába utazott – ahol a fogyatkozás idején végig esett • 1914. augusztus 21.: három kutatócsoport is egy kitörő háborúban találja magát Oroszországban • 1916: mindenki háborúskodik • 1918. június 8.: egy amerikai csoport (W. Campbell és H. D. Curtis) felvételeket készít, de az eredményeket a kiértékelés nehézsége és bizonytalansága miatt soha nem publikálták • 1919. május 29.: pont igen jó a csillagok állása – erről szól a mi történetünk… A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

13. A megfigyelés nehézségei • Cél: összehasonlítani a csillagok pozícióit normál körülmények között, valamint akkor, amikor a Nap közelében vannak • Nehézségek: • A Nap mellett a csillagok csakteljes napfogyatkozásidején látszanak, amik csak ritkán és tipikusan nem az obszervatóriumok felett történnek • Olyan kicsi az eltérés, hogy csak akkor lehet kimutatni, ha ugyanazt az égboltterületet fotózzák le Nappal és Nap nélkül • Ez több hónapos várakozást jelent, hiszen az egyik esetben a Nap jelen van az ég ugyanazon pontján, míg a másik esetben nincs, vagyis az éjszakai égboltot jócskán egy másik oldaláról kell lássuk • A megfigyelések ezért más-más évszakra tevődnek, ami eltérő környezeti hőmérsékletet, és így a távcsövek nehezen kontrollálható deformációját okozhatja, ami módosítja a fókusztávolságot is • A távoli, eldugott helyen esedékes napfogyatkozásokhoz csak kisebb távcsöveket lehet használni, amelyeknek hosszabb záridőre van szükségük az éles képhez; ez újabb problémához vezet: • A távcsövet vagy egy tükröt mozgatni kell, hogy kövesse a Föld forgását • Ráadásul az időjárás minden előkészületet meghiúsíthat A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

14. A megfigyelés nehézségei • Feladat: meg kell tudni különböztetni a berendezés torzító hatásait a kimérni kívánt effektustól a) fényelhajlás b) skálázási hiba A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

15. Príncipe szigete (Afrika) – Eddington & Cottingham egy nagyobb, asztrográfiai teleszkóp Sobral (Brazília) – Commelin & Davidson egy nagyobb, asztrográfiai teleszkóp, és egy kisebb távcső, probléma esetére Probléma lett is: Príncipén felhős volt az ég Sobralban a felhők éppen eltűntek a fogyatkozás körül, viszont a nagyobb távcső alatt mozgatandó tükörrel akadtak gondok Helyszín, eszközök és problémák A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

16. A Sobral-csoport eszközei • Príncipe szigete (Afrika) – Eddington & Cottingham • egy nagyobb, asztrográfiai teleszkóp • Sobral (Brazília) – Commelin & Davidson • 19 fotó egy nagyobb és • 8 egy kisebb távcsővel (ebből 1 felhős) A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

17. A mérések eredménye • Príncipe (Eddingtonék): • a felhőzet nem volt nagyon vastag, ezért készítettek felvételeket, hátha valami látszik majd • 16 fotólemez készült, de otthon kiderült, hogy ezek közül csak 2 használható, és azokon is csak öt csillag látszik • Sobral (Commelin & Davidson): • 19 fotó a nagyobb teleszkóppal • a tükör problémája miatt elmosódott képek (nagyon nehéz és bizonytalan a kiértékelésük) • 8 a kisebb távcsővel • szép éles képek, csak egy felhős • viszont kisebb területet mutatnak (kevesebb az adat a torzítási korrekciók kiszámítására) A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

18. A mérések kiértékelése • A fotólemezek kiértékelése hónapokig tart • A különféle hibák miatt többféle módszertant is alkalmaznak • 1. eredmény (Sobral) • A Nap melletti csillag-elmozdulás (fényhajlás) mértéke: 1,86 és 2,1 szögmásodperc között van a kisebb távcső adatai alapján (Einsteinnek van igaza?) • DE!! A nagyobb teleszkóp képei szerint csak 0,86 szögmásodperc (Newtonnak van igaza?) • 2. eredmény (Príncipe) • A két rossz minőségű fotó alapján számított szögelhajlás 1,31–1,91 szögmásodperc (mégis inkább Einsteinnek van igaza?) A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

19. A mérések kiértékelése Várható eredmények: 0” 0,87” 1,74” Principe: Kis távcső, 2 kép: 1,61” Sobral Nagy távcső, 19 kép: 0,86” Kis távcső, 8 kép: 1,93

20. Az eredmények értelmezése • 1919. november 6.: Frank Watson Dyson, a királyi főcsillagász bejelenti, hogy a megfigyelések Einstein elméletét igazolták. • A kisebb sobrali távcső adatait tekintették döntő bizonyítéknak, és támogató adatként kezelték a két rossz minőségű Príncipe-i fotót, míg a 18 db, nagyobb távcsővel készült képet figyelmen kívül hagyták! • A publikált anyagból a sobrali nagy távcsővel készített képek már kimaradtak, így a mérések közzétett eredményei inkább Einsteint igazolták. • A 2.0 körüli érték viszont Einsteint sem igazolja egyértelműen • Nem bizonyítható egyértelműen, de valószínű, hogy Dyson és Eddington az adatok kiértékelése során valamennyire szem előtt tartották a tesztelendő elméleteket is • Így az elmélet és a kísérlet „idő előtt” kapcsolatba került egymással (pedig a kísérletektől azt szokás elvárni, hogy függetlenek legyenek az elmélettől) A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

21. Az eredmények értelmezése • Később természetesen sok további mérés igazolta ezt az értéket, az 1919-es adatok kiértékelése azonban korántsem volt egyértelmű • Mi volt a siker titka? • Szerencse? • Helyes tudományos megérzés? • Valamennyire mindkettő, de az bizonyos, hogy az utókor megítélésében nagy szerepet játszott a retorika A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

22. II. felvonás: „Éterszél” a Föld körül • USA, 1887 – Albert A. Michelson és Edward Morley (1852–1931) (1838–1923) A kísérlet: a fény sebességét próbálták megmérni a Föld mozgásának mentén, és arra merőleges irányokban is. Miért? A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

23. Miért fontos ez a mérés? • Nyilván a relativitáselmélettől függetlenül, hiszen az csak 25 évvel később születik – megvolt a saját relevanciája • A 19. század elméleti fizikai csúcsteljesítménye, az elektromágneses jelenségeket leíró Maxwell-egyenletek szerint a fény sebessége természeti állandó, kb. 300000 km/s – ez elég pontosan egyezett a korabeli mérésekkel • Newtoni világképben természetesen felmerül a kérdés, hogy mihez képest, milyen megfigyelő szerint? • A század második felében az volt az általános nézet, hogy a fényhullámokat egy sajátos közeg, az éter közvetíti, tehát (értelemszerűen) a fénysebesség az éterhez viszonyítva állandó • Ebből arra következtettek, hogy a fényhullámok sebessége a Föld mozgásával változik fog, hiszen a Föld felszínén állva, ha az ún. „éterszéllel” szembe nézünk, a fénynek gyorsabban kellene közelednie, mintha az éterszél hátulról érne minket. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

24. A Naprendszer az éterben A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

25. A kísérlet elméleti háttere • Cél: A Föld éterbeli sebességének megmérése • A fénysebesség nagysága: kb. 300000 km/másodperc • Az éter becsült legnagyobb sebessége Föld felszínén (kb. egyenlő a Föld keringési sebességével): 30 km/másodperc • A különbség tehát 10000-szeres. • Módszer: interferometria • Egy fénysugarat kettébontanak, majd újraegyesítenek. • Az egyesített sugár esetén interferenciára lehet számítani, ha a külön megtett utakon eltérő volt a sebesség (az effektus már csak 1/100002) • Ha a Föld mozgásával más-más szöget zár be a megtört fénysugár, akkor elmozdul az interferenciakép is (hiszen az éter eltérő mértékben lassítja a különböző sugarakat). A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

26. A kísérleti berendezés • A kísérlet fő elemei: • A fénysugarakat megfelelő szögekben kell vezetni és visszaverni • A megfigyeléseket több irányban el kell végezni • A megfigyeléseket a Föld forgása miatt különböző időpontokban is meg kell ismételni • A megfigyeléseket minden évszakban el kell végezni, tekintettel a Föld keringési pályájára • A kísérletet egy nyitott, könnyű épületben, lehetőleg minél magasabban kell végezni • A kísérletek szerkezete: • osztott fénysugár, tükrökkel a megfelelő szögben vezetve, majda forrásnál újraegyesítve • egy teljes körben 16 különböző szög megfigyelése • éjszakai kísérletezés (csökkentett zajforrás), nyugodt környezet • Változók: • a berendezés anyaga • a fénysugarak hossza A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

27. Az első két kísérlet • 1881:Michelson (Potsdam) • Fénysugár hossza: 120 cm • Elvárás: a gyűrűk 4/100-nyi eltolódása • Problémák: vibráció és torzítás a berendezés állítgatása során • Publikált eredmény: nem figyelhető mega várt eltolódás (csak kisebb, de túl bizonytalan volt az egész) • Kritika: nem vette figyelembe azt, hogy az éterre merőleges mozgás is kap valamekkora eltolódást, ami felezi a várt effektust (H.A. Lorentz) • 1887: Michelson és Morley (Cleveland) • Helyszín: az egyetem pincéje • Anyag: öntöttvas kád téglákon, higannyal töltve; ezen úszott egy nagy, könnyen forgatható homokkő (akár hat órán keresztül is forgott nagyon lassan a kádban, ha meglökték). • Ezen a kőlapon volt a prizma, a tükrök és a fényforrás. • Fénysugár hossza: 11 méter • Elvárás: az interferencia 4/10-nyi eltolódása (1/100 már látható volna) • Eredmény: nincs változás A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

28. A Michelson-Morley-féle higanykád A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

29. Továbblépés: a relativitáselmélet • A Michelson-Morley kísérlet nem tudta megmérni a Föld sebességét, de rámutatott, hogy a fény azonos sebességgel terjed a mozgó bolygón minden irányban (pedig a sebességének változnia kellett volna attól függően, hogy mekkora szöget zár be a Föld mozgásvektorával). • Morley-Miller kísérletek a századfordulón • 1905: továbbfejlesztett kísérlet egy dombtetőn, üvegkunyhóban • az eredmény: ugyanaz • Közben a relativitáselmélet egyre népszerűbbé válik. • 1925: Miller (Mount Wilson, USA, 2000 méter magasan) • Mind a négy évszakban mér • Eredményes kísérlet: a „Föld sebessége” 10 km/órának adódik • Ezzel a relativitáselmélet cáfolatát jelentené • Reakciók: a kísérlet minden ismétlése nulla eredménnyel zárul, ami szakmai ellentétekhez vezet, és kezdik figyelmen kívül hagyni Miller egyedi eredményeit A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

30. A két kísérlet tanulsága • Van olyan eset, hogy egy-egy mérés eredménye alátámaszt egy elméletet, azonban nem igazolja azt sosem • Ha egy mérés egy elmélet igazolásának látszik, akkor is még számos emberi tényezőt kell számításba vennünk, és semmiképpen nem érdemes véglegesnek tekintenünk az eredményeket. • Fel kell adnunk a „döntő kísérlet” mítoszát, hiszen jól látszik, hogy az ilyen kísérletek nem mindig igazolják a kérdéses elméletet, és „döntővé” nyilvánításuk és népszerűségük pedig számos (tudomány)szociológiai tényezőtől is függ. A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

31. Döntő kísérletek • A döntő kísérlet szinte sohasem egyetlen kísérlet, hanem mérések gondosan (sőt: egyre gondosabban) kivitelezett sorozata • A kísérletek különböző kritikákat vonnak maguk után, a következő mérések ezekre próbálnak meg válaszolni • Az utókor ezek közül egyet emel ki és jegyez meg (általában időben az elsőt), ami eléggé hamis tudományképhez vezet A Gólem – BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék