Op 29 mei 1919 stonden twee groepen astronomen met hun telescopen klaar op twee plekken op aarde: het eilandje Príncipe voor de westkust van Afrika, en Sobral in het noordoosten van Brazilië. Ze wachtten op iets dat maar een paar minuten zou duren, een totale zonsverduistering. Wat ze die middag maten, zou uitgroeien tot een van de beroemdste experimenten uit de geschiedenis van de natuurkunde en Albert Einstein van de ene op de andere dag wereldberoemd maken. Dit is het verhaal van het Eddington-experiment: wat het testte, waarom een zonsverduistering daarvoor onmisbaar was, en waarom het nog steeds als een van de mooiste bevestigingen van een natuurkundige theorie geldt.
De theorie die getest moest worden
In 1915 publiceerde Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie. Kern van die theorie is dat zwaartekracht niet, zoals Newton dacht, een kracht is die op afstand werkt, maar het gevolg van de kromming van ruimte en tijd door massa. Een zware massa, zoals de zon, buigt de ruimte om zich heen, en alles wat door die gekromde ruimte beweegt, inclusief licht, volgt een gebogen pad. Dat leidde tot een concrete, meetbare voorspelling: licht van een verre ster dat rakelings langs de zon scheert, zou lichtjes van richting veranderen door de zwaartekracht van de zon. Vanaf de aarde gezien zou de positie van die ster daardoor lijken te verschuiven. Het bijzondere is dat er al eerder een voorspelling voor lichtbuiging bestond, gebaseerd op de klassieke Newtoniaanse zwaartekracht (als je licht behandelt als deeltjes met massa). Die voorspelde afbuiging voor een lichtstraal die rakelings langs de zonnerand gaat, bedroeg ongeveer 0,87 boogseconden. Einstein's algemene relativiteitstheorie voorspelde echter een afbuiging van ongeveer 1,75 boogseconden, precies het dubbele. Deze factor twee is cruciaal: het gaf astronomen de kans om niet alleen te testen of er afbuiging bestond, maar ook welke van de twee theorieën, Newton of Einstein, gelijk had. Een boogseconde is extreem klein: het is ongeveer de hoekgrootte van een euromunt gezien vanaf drie kilometer afstand.
Waarom een totale zonsverduistering onmisbaar was
Om de voorspelde afbuiging te kunnen meten, moesten astronomen sterren fotograferen die aan de hemel vlak bij de zon staan, hoe dichter bij de zonnerand, hoe groter het effect. Normaal gesproken is dat volstrekt onmogelijk: overdag overstraalt het zonlicht alle sterren volledig, net zoals je 's nachts geen sterren ziet als er een felle schijnwerper naast staat. Een totale zonsverduistering biedt hiervoor een unieke, kortdurende oplossing. Wanneer de maan precies voor de zon schuift, wordt de felle zonneschijf enkele minuten lang volledig geblokkeerd. De hemel verduistert zich zodanig dat sterren die normaal onzichtbaar zouden zijn door het zonlicht, plotseling zichtbaar worden, inclusief de sterren die aan de hemel vlak naast de verduisterde zon staan. Dat korte venster van totale duisternis, meestal niet meer dan vijf à zeven minuten, is de enige gelegenheid waarop je vanaf de aarde sterren kunt fotograferen die schijnbaar vlak langs de zonnerand staan.
De onderzoeksstrategie was dan ook elegant in zijn eenvoud:
- Fotografeer tijdens de zonsverduistering een sterrenveld dat zich aan de hemel rond de verduisterde zon bevindt, en leg de exacte posities van die sterren op de foto vast.
- Fotografeer datzelfde sterrenveld enkele maanden later 's nachts, wanneer de zon zich ergens anders aan de hemel bevindt en het sterrenlicht niet meer rakelings langs de zon hoeft te reizen.
- Vergelijk de twee foto's. Als de sterren dichter bij de zonrand tijdens de verduistering een klein beetje naar buiten verschoven blijken te staan ten opzichte van hun "normale" positie, is dat het bewijs dat hun licht is afgebogen door de zwaartekracht van de zon.
Zonder de zonsverduistering was er simpelweg geen manier om sterren dicht genoeg bij de zon te observeren om het effect te meten.
De expeditie van 1919
De Britse astronoom Arthur Stanley Eddington, directeur van het Cambridge Observatory en een van de weinige wetenschappers in Groot-Brittannië die de wiskunde van Einsteins theorie volledig doorgrondde, werd de drijvende kracht achter het project. Samen met de Astronomer Royal Frank Watson Dyson organiseerde hij twee expedities om de zonsverduistering van 29 mei 1919 waar te nemen, een verduistering die bijzonder geschikt was omdat de zon op dat moment precies voor een opvallend rijke sterrenhoop stond, de Hyaden in het sterrenbeeld Stier. Twee teams vertrokken naar plekken waar de verduistering totaal zichtbaar zou zijn: Eddington zelf reisde met een collega naar het eiland Príncipe, voor de westkust van Afrika. Een tweede team, onder leiding van Andrew Crommelin, reisde naar Sobral in Brazilië. Twee locaties verhoogden de kans dat minstens één team goed weer zou treffen, bewolking kan een zonsverduistering-waarneming in één klap onbruikbaar maken. In Príncipe was het weer inderdaad grillig; door wolken kon Eddington slechts een beperkt aantal bruikbare platen maken. Het team in Sobral had meer geluk met helderdere lucht en verzamelde uiteindelijk de scherpste en meest betrouwbare metingen. De expedities kort na het einde van de Eerste Wereldoorlog hadden overigens ook een symbolische lading: een Britse wetenschapper die uittrok om de theorie van een Duitse natuurkundige te testen, werd door velen gezien als een gebaar van wetenschappelijke verzoening over de grenzen van de recent nog vijandige naties heen.
De meting en de uitkomst
Terug in Engeland analyseerden Eddington en zijn collega's de fotografische platen nauwgezet. Het meten van verschuivingen van slechts een fractie van een boogseconde op fotografische glasplaten was precisiewerk: kleine vervormingen door temperatuurschommelingen, optische onvolkomenheden en meetfouten konden de resultaten makkelijk verstoren. Op 6 november 1919 maakte de Royal Society in Londen de resultaten bekend tijdens een gezamenlijke bijeenkomst met de Royal Astronomical Society. De metingen wezen op een lichtafbuiging die veel dichter bij Einsteins voorspelling van 1,75 boogseconden lag dan bij de Newtoniaanse waarde van 0,87 boogseconden. De uitslag werd gepresenteerd als een overwinning voor de algemene relativiteitstheorie. De volgende dag kopte The Times: "Revolution in Science, New Theory of the Universe, Newtonian Ideas Overthrown." Binnen enkele dagen werd Einstein wereldberoemd; kranten over de hele wereld schreven over de man die had aangetoond dat ruimte en tijd konden krommen.
Kritiek en latere heranalyse
Hoewel het experiment triomfantelijk werd onthaald, is het door de decennia heen ook onderwerp van methodologische discussie geweest. Een deel van de platen uit Príncipe en enkele platen uit Sobral, gemaakt met een ander instrument, werden door Eddington en Dyson met minder gewicht meegenomen in de uiteindelijke berekening omdat ze als minder betrouwbaar werden beoordeeld, een keuze waarover latere wetenschapshistorici hebben gediscussieerd, met de vraag of die selectie (bewust of onbewust) in het voordeel van Einsteins voorspelling uitpakte. Latere heranalyses van de originele data, onder andere met modernere statistische methoden in de jaren tachtig, hebben echter laten zien dat de conclusie van 1919 overeind blijft: de metingen ondersteunden inderdaad Einsteins voorspelling significant beter dan de Newtoniaanse. Bovendien is de lichtafbuiging door de zon sindsdien vele malen preciezer bevestigd met heel andere technieken, waaronder radiosterren en interferometrie, zonder dat daarvoor nog een zonsverduistering nodig was, al blijft 1919 de allereerste, en daardoor historisch cruciale, test.
Waarom sterrenkundigen dit soort experimenten bleven herhalen
Na 1919 zijn er tijdens tal van volgende zonsverduisteringen vergelijkbare metingen gedaan, deels om de precisie te verbeteren en deels om systematische fouten uit te sluiten. Pas met de komst van radiotelescopen in de jaren zestig en zeventig konden astronomen de afbuiging van radiogolven van quasars die vlak langs de zon passeren met veel grotere nauwkeurigheid meten, zonder afhankelijk te zijn van het zeldzame en kortdurende venster van een zonsverduistering. Deze metingen bevestigden Einsteins voorspelling tot op een fractie van een procent nauwkeurig. Toch blijft het Eddington-experiment een schoolvoorbeeld in de wetenschapsgeschiedenis, om een paar redenen: Het toont hoe een gedurfde theoretische voorspelling, zonder enige aanpassing achteraf, daadwerkelijk getoetst en (voorlopig) bevestigd kan worden door observatie. Het laat zien hoe een natuurlijk fenomeen, de zonsverduistering, wetenschappers een uniek en tijdelijk venster kan bieden om metingen te doen die anders onmogelijk zouden zijn. Het is een van de eerste grote voorbeelden van internationale wetenschappelijke samenwerking kort na een verwoestende oorlog.
Het Eddington-experiment is een mooi voorbeeld van hoe eenvoud en elegantie in de wetenschap samen kunnen gaan met enorme impact. De vraag was in essentie simpel: buigt licht af rond de zon, en zo ja, met hoeveel? Het antwoord vereiste echter een zeldzame samenloop van omstandigheden, een totale zonsverduistering, twee expedities aan weerszijden van de Atlantische Oceaan, en de bereidheid om maandenlang te wachten op een tweede set foto's om mee te vergelijken. De volgende keer dat je naar een zonsverduistering kijkt, of er beelden van ziet, is het de moeite waard om te bedenken dat precies zo'n moment van verduisterde duisternis, meer dan honderd jaar geleden, ons beeld van ruimte, tijd en zwaartekracht voorgoed heeft veranderd.
