100 Jahre Lichtablenkung - Max Camenzind Akademie Heidelberg 2019 - LSW Heidelberg

100 Jahre Lichtablenkung

    Max Camenzind
Akademie Heidelberg 2019

Faszination
  Sonnen-
 finsternis
--------------
     Der
 „Sonnen-
 Diamant“
 Video 1

Geschichte der Lichtablenkung
• 1911: Einstein leitet zum ersten Mal die
  Lichtablenkung her – leider falsch!
• 1914: Erster Versuch mit Sonnenfinsternis.
• 1915: Einstein berechnet die korrekte Form der
  Lichtablenkung.
• 1918: Campbell und Sonnenfinsternis in USA.
• 29.5.1919: Sir Arthur Eddington misst erfolgreich
  die Lichtablenkung an der Sonne.
• 1922: Sonnenfinsternis in Australien bestätigt AE
• April 2017: EHT Teleskop misst zum ersten Mal
  die Lichtablenkung am Schwarzen Loch.

Über den Einfluß der Schwer-
kraft auf Lichtausbreitung 1911

Einstein
   1911
fehlerhaft

In diesem Brief an George Ellery Hale illustriert Einstein die Lichtablenkung
durch das Gravitationsfeld der Sonne (Oct. 14, 1913). Beachte den falschen
Wert! [The Huntington Library, Art Collections, and Botanical Gardens]

Suche nach der grav. Lichtablenkung

Nur totale
  Sonnen-
 Finsternis
kann Klarheit
 schaffen !
     
Hintergrund-
   Sterne
 vermessen

1915 Einstein korrigiert Lichtablenkung
   1911 hatte der junge Physiker an der Karls-Universität
   Prag Albert Einstein eine Version der späteren
   Allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlicht: Über den
   Einfluss der Schwerkraft auf die Ausbreitung des Lichtes
   (Ann. Phys. 35 (1911) 898). Er sagte eine Ablenkung von
   Lichtstrahlen, die tangentiell den Sonnenrand streifen,
   von lediglich 0``,85 Bogensekunden voraus. In der
   Endfassung von 1915/6 erhöht sich der Wert auf 1``,75
   durch Berücksichtigung der Raumkrümmung. Sein
   Kollege, der Astronom Leo Wenzel Pollak, suchte
   Astronomen, die diesen Effekt beobachten sollten. Alle
   erfahrenen Astronomen sahen keine Chance. Freundlich,
   der der stupiden Routinetätigkeit entfliehen wollte,
   nahm die Herausforderung begeistert an. Damit begann
   eine lange Zusammenarbeit mit Einstein in Berlin.

Erwin Finlay Freundlich (1885-1964)
    bei der Beobachtung einer
  Sonnenfinsternis, Sumatra 1929

Zusammenfassung der
   5 Axiome Einsteins von 1915
• Einstein1: Flache Minkowski RaumZeit wird durch
  Riemann Mannigfaltigkeit ersetzt, jedoch lokal in jedem
  Punkt Minkowski (EEP)  es existiert ein ds² zur
  Messung der Länge (= Eigenzeit) von Weltlinien.
• Einstein2: Gravitation wird durch den metrischen
  Transport auf RaumZeit beschrieben ( keine Torsion).
• Einstein3: Testkörper (auch Planeten, Neutronensterne,
  Schwarze Löcher) bewegen sich auf Geodäten: ds² > 0;
  Photonen auf Nullgeodäten: ds² = 0  SEP erfüllt.
• Einstein4: Materieverteilung T in der RaumZeit be-
  stimmt die Krümmung  Ricc – R g/2 = k T
• Einstein5: Nicht-gravitative Kräfte (EM, QCD) verhalten
  sich im frei fallenden System wie in der SRT  EEP erf.

Materie & Energie krümmen
die RaumZeit (Einstein 1915)

              G: Newtonsche Konstante

Gravitation krümmt
    den Raum
 Lichtablenkung an Sonne

Gravitation krümmt den Raum
 Lichtablenkung an Sonne und Planeten

              b

a = 2(g+1)GM/c²b = 1,7505 arcsec ( RSonne / b )

William Campbell
Lick Observatorium
   ist der Experte

1914 Freundlichs Krim Expedition

Freundlich auf der Krim -
  Campbell nahe Kiew

Freundlich wird im Aug. 1914
          auf der Krim verhaftet -
      Campbell kann weiter arbeiten,
hat aber schlechtes Wetter & verliert Equip

Eddington kennt 1916 ART nicht
Eddington ist wie Einstein Pazifist - Quäker

De Sitter übersetzt 1916 Einsteins
Werk ins Englische  Eddington

Sonnenfinsternis von 1918
     nur in USA sichtbar
 Campbell findet keine Ablenkung

Campbell und seine Familie
 bei Sonnenfinsternis 1918

Sonnenfinsternis 29. Mai 1919
Europäer können wieder eingreifen
 2 Expeditionen: Eddington & Dyson

Lichtablenkung an Sonne

Sir Arthur
 Stanley
Eddington
    war der
 brillanteste
Astrophysiker
  jener Zeit,
 war Pazifist
wie Einstein,
 lernte 1916
Einsteins ART
    kennen

2 Expeditionen
    Sobral & Principe

Albert Einstein and British astronomers Arthur Eddington and Frank Dyson.

Eine berühmte Anekdote Eddington
“As the problem then presented itself to us, there were
three possibilities. There might be no deflection at all;
that is to say, light might not be subject to gravitation.
There might be a `half-deflection’, signifying that light
was subject to gravitation, as Newton had suggested,
and obeyed the simple Newtonian law. Or there might
be a `full deflection’, confirming Einstein’s instead of
Newton’s law. I remember Dyson explaining all of this
to my companion Cottingham, who gathered the main
idea that the bigger the result, the more exciting it
would be. `What will it mean if we get double the
deflection?’ `Then,’ said Dyson, `Eddington will go mad,
and you will have to come home alone.’”

Origins of Expeditions …
To begin with a brief overview of the eclipse expeditions, Eddington was one of
two leaders of the endeavor, the acknowledged senior man being Sir Frank
Watson Dyson the Astronomer Royal and, in that capacity, director of Britain’s
leading observatory at Greenwich. It was Dyson who originally observed that
the 1919 expedition would be uniquely suited to make this test, since the Sun
would be in the star field of the Hyades, the closest open stellar cluster to the
Earth (Dyson 1917). The expeditions were organized by the Joint Permanent
Eclipse Committee of the Royal Society and the Royal Astronomical Society, a
committee which Dyson chaired. Dyson was, at all times, the principal
organizer and director of the two expeditions, each of which was staffed by one
of two different observatories. Eddington, as director of the Cambridge
Observatory, led the expedition to Principe Island off the west coast of Africa,
accompanied by Edwin Turner Cottingham, a Northamptonshire clockmaker
who maintained many of the instruments at Cambridge. The other expedition,
posted to Sobral, in northern Brazil, was mounted by the Greenwich
Observatory and consisted of Andrew Claude de la Cherois Crommelin, an
assistant at Greenwich who hailed from what was about to become Northern
Ireland, and Charles R. Davidson, an experienced computer at Greenwich. The
expeditions were devoted exclusively to the test of the light-bending.

Instruments used during the solar eclipse
     expedition in Sobral, Brazil 2019

Sonnenfinsternis 29. Mai 1919
Eddington  nur 2 Aufnahmen

One of Eddington's
photographs of the total
solar eclipse of 29 May
1919, presented in his
1920 paper announcing
its success, confirming
Einstein's theory that
light "bends“.

William Campbell vom
Lick Observatorium hatte
jedoch keine Ablenkung
gemessen.
Er hielt seine Ergebnisse
aber zurück.
 Neue Daten!

Eddington vermisst die Platten
Eddington arbeitete sehr exakt mit Mikrometer

Eddington bestätigt Einstein
Lichtablenkung wie von Einstein berechnet -
Campbell jedoch misst keine Lichtablenkung!

Eddington`s Daten waren
  nicht geschummelt!

1979 wurden Eddingtons Platten mit
         modernen Geräten
am Royal Observatory in Greenwich
          nachgemessen:
  1. Teleskop: 1,90 +- 0,11 arcsec
  2. Teleskop: 1,60 +- 0,31 arcsec
  Theoretischer Wert: 1,75 arcsec

1919

Eddington löst eine Lawine aus
Dennoch Zweifel an der Messung

1919

Einstein  erste Superstar Physik

Einstein
 bekommt
  auch in
Deutschland
Anerkennung
     
  Physiker
  bleiben
 skeptisch!

Sonnenfinsternis 21.9.1922
bringt endgültige Bestätigung

7 Expeditionen nach Australien
Kanada, Lick Obs, UK, Freundlich, Indien & 2A

Sonnenfinsternis 1922

P3549-194 Photographic print, Wollal eclipse expedition unloading equipment,
Wollal, Western Australia, 30 August – 1 September, 1922

Links: Campbells Frau

P3549-201 Photographic print, Lick Observatory eclipse expedition,
the polar axis with spectrographs and Floyd telescope, photographer
unknown, Wollal, Western Australia, 1922

Campbell  bestätigt Einstein
 in vollem Umfang: 1,75 +- 0,09``

W.W. Campbell & R.J. Trumpler 1928; Lick Observatory Bulletin Nr. 397, p 130-160

Moderne: Das Gravitationsfeld
im Sonnensystem parametrisiert
 Gravitationsfeld im Sonnensystem hat in metrischen Theorien
 folgende Gestalt:  sog. Robertson Parameter ß und g
 Einstein: g = 1 = b ; Lorentz-Invarianz: h = 4b - g - 3 = 0

       Nicht-Linear                    Krümmung

                                         Sonnenquadrupolmoment
                                         = 2,18 x 10-7

pN-Geometrie Sonnensystem
 Newtonsches Potenzial + Raumkrümmung

            Nicht-Linearität

   Hälfte Newtonsches Potenzial + Hälfte Raumkrümmung

Schwache Gravitation:
   Was messen g und b ?
Der ppN Parameter g misst den Überschuss an
räumlicher Krümmung, der durch eine
Einheitsmasse erzeugt wird.

Der ppN Parameter b misst die Nicht-Linearität
in der Superposition der Gravitationsfelder.
In der Einstein Theorie gilt:
In einer Gravitationstheorie mit
                                   g E = 1 = bE
Skalarfeld (Brans-Dicke) treten
Abweichungen auf.

Warum ist g interessant ?
Welche Masse erzeugt Krümmung?
 Im heutigen Universum erwartet man eine
 Abweichung von der Größenordnung

Ein langreichweitiges Skalarfeld würde die
Einstein Theorie zu Fall bringen, ebenso das
Äquivalenzprinzip (Verletzung der Universalität
der physikalischen Konstanten!).
Die genaue Abweichung hängt von der konkreten
Theorie ab.

Shapiro-Laufzeit-Verzögerung
Irwin Shapiro 1964; 1967 erstmals gemessen
 Referenz-Quelle                    Erde

                            Sonne
                     r

    Quelle

Shapiro-Laufzeit-Verzögerung

                  GMS/c³ = 4,925490 µsec

Sonnensystem 
Shapiro-Laufzeit-Verzögerung
  Raum um die Sonne ist gekrümmt.

Sonnensystem
Abweichungen von g = 1
RaumZeit um Sonne Einstein

Lichtablenkung am Schwarzen Loch

Schwarze Löcher
schlucken Photonen

Photonorbit und Capture Radius

DM Halos  Gravitationslinsen
                                      Background Galaxien
              Halos Dunkler Materie

 Beobachter

     Lichtablenkung im Universum

Lichtablenkung durch Dunkle Materie