هذا هو الكسوف الكلي الذي برهن صحةَ نظرية النسبية العامة لأينشتاين

عندما أعتمت سماء الصباح فوق غرب ولاية أوريجون، دخلت حيوانات الألباكا الثلاثة التي يمتلكها ريتشارد بيري إلى حظيرتها. وهناك أصيبت الحيوانات بالتوتر بسبب خفوت الضوء والجمهور الصغير الذي تجمع داخل حظيرة بارني، والمؤلَّف من أشخاص من خارج البلدة يحملون نظاراتهم الشمسية المصنوعة من الورق المقوَّى وطائراتهم المسيرة رباعية المراوح. في تلك الأثناء، وأمام أنظار هذا الجمهور وغيره، ومن دون أي اعتبار لذعر حيوانات الألباكا المسكينة، كانت تدور رقصة باليه سماوية نادرة بين الشمس والقمر.

في 21 أغسطس 2017، ظهر أول كسوف شمسي على كلا ساحلي الولايات المتحدة منذ 99 سنة. غير أن بيري، وهو فلكي هاوٍ ومدير التحرير السابق لمجلة فلكية، لم يكن هناك بصحبة مجموعة من الطلاب من جامعة بورتلاند الحكومية لمجرد الاستمتاع بالمنظر، فقد جهزوا التلسكوبات ومعدات التصوير لتكرار أشهر تجربة في الكسوف على الإطلاق، وهي أول اختبار ناجح لنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين. فقبل هذا الكسوف بحوالي مائة سنة، ذهب فريقان من الفلكيين إلى شواطئ بعيدة لمراقبة كسوف آخر لإقناع المشككين بخطأ نظريات نيوتن حول الجاذبية.

تقول نظرية أينشتاين، التي نُشرت لأول مرة في 1915، إن الأجسام السماوية الضخمة -مثل الشمس- تحني نسيج الزمكان حولها، وهو تفسير أينشتاين للجذب الثقالي، الذي يختلف جذرياً عن فكرة نيوتن حول الثقالة كقوة تؤثر بها المادة على غيرها. يؤدي هذا -وفقاً لأينشتاين- إلى انحناء أي ضوء في جوار الجسم الضخم مع انحناء الزمكان، وقد توصل أينشتاين في أوائل القرن العشرين إلى طريقة لإثبات صحة هذه النظرية الغريبة عن طريق الكسوف الكلي.

حدد أينشتاين طريقة العمل كما يلي: يجب أولاً أن توضع خريطة دقيقة لمواضع النجوم حول الشمس خلال الاحتجاب الكلي، أي تلك اللحظات الثمينة التي تختفي فيها الشمس تماماً خلف القمر ويمكن عندها رؤية النجوم في الخلف، ومن ثم يجب أن تُرصَد نفس النجوم من دون الكسوف. وإذا كانت النسبية العامة صحيحة، فسوف تختلف مواضع هذه النجوم بشكل لا تميزه العين البشرية، ولكن يمكن كشفه بالقياسات الدقيقة.

وفي العام 1919، نظّم الفلكيان الإنجليزيان آرثر إيدينجتون وفرانك دايسون بعثتين إلى جزيرة برينسيب قرب ساحل أفريقيا وسوبرال في البرازيل، على الترتيب، للتحقق من صحة عمل أينشتاين. وصادف اليوم المشهود تاريخ 29 مايو، وعندما نشر الفلكيان نتائجهما، تغير العالم كلياً، أو -على الأقل- تغير فهمنا له.

في 2017، قام توبي ديتريتش -وهو بروفيسور فيزياء في جامعة بورتلاند الحكومية- بتنظيم 12 مجموعة مراقبة بما فيها مجموعة بيري، فأرسل اثنين من طلابه إلى مزرعة الألباكا وآخرين إلى جبل أوريجون حتى يروا إذا كانوا على الأقل قادرين على مضاهاة عمل إيدينجتون ودايسون.

تعرض العمل في كلا الكسوفين إلى تحديات فنية، إضافة إلى تقلبات الطقس، حيث إن فرصة رصد لحظات الكسوف الكلي قصيرةُ الأمد. ففي 1919، تنعَّم الفلكيون بكسوف كلي دام أكثر من خمس دقائق، أما في 2017، فإن مرحلة الكسوف الكلي دامت حوالي دقيقتين للمراقبين في أميركا، ويمكن للغيوم أو الرياح أن تفسد عملية الرصد في هذه اللحظات الثمينة، وهو ما حدث أثناء اختبار للنسبية خلال كسوف كلي في 1918.

وقد كان الفلكي الهاوي دون برونز في كاسبر بوايومينج أثناء الكسوف في 2017 بالتنسيق مع ديتريتش، مستلهماً المحاولات الفاشلة الأربعة لتكرار تجربة إيدينجتون-دايسون بين 1936 و1954. ويقول: "بإجراء هذه التجربة، سيتحقق حلم هؤلاء الفلكيين أخيراً".

كان إيدينجتون ودايسون مناسبين لهذه المهمة بفضل خبراتهما؛ فقد كان دايسون يشغل منصب الفلكي الملكي ومدير المرصد الملكي في جرينتش. أما إيدينجتون فقد كان يدير مرصد كامبريدج، واشتهر أيضاً في المجال النظري بتقديم إثبات على وجود الشمس كما نعرفها بدلاً من أن تنهار على نفسها بفعل كتلتها، وذلك لأن الضوء يُصدر ضغطاً خاصاً به نحو الخارج.

تبيِّن هذه الصورة طيف الوهج للغلاف اللوني للشمس، وهو الطبقة الثانية من الأعلى للغلاف الجوي لها، وذلك خلال فترة الكسوف الكلي (في 21 أغسطس 2017) فوق أوريجون. كما تبين الصورة الكسوفَ عند كل طول موجي تصدره ذرات الغلاف اللوني. وعلى سبيل المثال، تصدر ذرات الهيدروجين الضوء في الطول الموجي "هيدروجين ألفا" الموافق للون الأحمر في اليمين، في حين تصدر ذرات الكالسيوم الضوء البنفسجي في اليسار (ريتشارد بيري/ مرصد مروج الألباكا).

وقد أجريت عملية الرصد في برينسيب داخل مزرعة كاكاو في الجزء الشمالي الغربي من الجزيرة، وقام بها إيدينجتون وإيدوين كوتينجهام. وكانت أغلب التجهيزات التي استخدماها مُستعارة من مرصد أوكسفورد، بما أن مرصد كامبريدج الذي كان يديره إيدينجتون لم يكن متخصصاً في الكسوف، وذلك كما ورد في كتاب دانييل كينيفيك: "No Shadow of a Doubt: The 1919 Eclipse That Confirmed Einstein’s Theory of Relativity".

ومن المرجح أن إيدينجتون قام بتحليل جميع البيانات في هذه البعثة بنفسه، على الرغم من أن كل سجلات البعثة اختفت مع مرور الزمن، بما فيها اللوحات الفوتوغرافية الأصلية. ووفقاً لشهادة شخصية من الفيزيائي الفلكي سوبراهمانيان تشاندراسيخار، وقد قال دايسون لكوتينجهام إنه إذا رصد إيدينجتون انحرافاً بقيمة تساوي ضعف ما توقعه أينشتاين، وهي نتيجة غريبة لم يتوقعها نموذج أينشتاين أو نيوتن، فإن "إيدينجتون سيُصاب بالجنون، وستعود إلى المنزل وحدك".

وفي تلك الأثناء، لم يخرج دايسون فعلياً من إنجلترا لهذه المناسبة، فقد أرسل إلى سوبرال بالبرازيل شخصين من طاقمه، تشارلز ديفيدسون وآندرو كروميلين، مع بعض المعدات من مرصده. وعندما عادا، أشرف دايسون على تحليل بيانات الفريق وتعاون مع إيدينجتون لصياغة التقرير النهائي.

وكان كلٌّ من فريقي الرصد في 1919 في حاجة إلى إحضار مجموعتين هامتين على الأقل من المعلومات على صفائح زجاجية. ويجب أن تحوي واحدة على الأقل صورةً ملتقطة خلال الكسوف الكلي، في حين تحوي الثانية صورةً مأخوذة خلال الليل لنفس النجوم في السماء، ولكن دون وجود الشمس أو القمر. وحتى لو التُقطت هذه الصور بشكل جيد، فإن تحليل البيانات عملية صعبة.

يقول كينيفيك: "كانت النجوم تبدو بطبيعة الحال على شكل دوائر صغيرة على الصفائح. وتبين أن التغير في الموضع أقل من حجم الدائرة، أي أن قياسه عملية دقيقة للغاية، وصعبة للغاية".

ومن حسن الحظ أن دايسون كان محترفاً في هذه المسائل، فقد كان عمله يتضمن دراسات دقيقة لمواضع النجوم وتغيراتها الصغيرة. وقد استخدم أداة تسمى برغي الميكرومتر لقياس المسافة بين نقطة وأخرى على الصفيحة.

وكان الحظ حليف الفريقين في كسوف 1919 لأن الشمس كانت قريبة من مجموعة نجمية فائقة السطوع تسمي هيديس، وقد وصفها إيدينجتون بأنها "أفضل خلفية نجمية صادفها حتى الآن". وبفضل هذا السطوع، كان تمييزها على صفيحة التلسكوب أسهل من تمييز النجوم الأقل سطوعاً، والتي يمكن أن يطمسها سطوع الإكليل الشمسي، وهو بلازما شديدة السخونة تظهر للعين المجردة عند الكسوف الكلي على شكل هالة حول الشمس.

وقد نجحت التجربة المزدوجة، وكانت نتائج كلتا البعثتين قريبة من الانحرافات التي توقعتها نظرية أينشتاين، غير أن هذا لم يمنع بعض الجدل والتشكيك. فقد أنتج واحد من التلسكوبين في سوبرال صفائح غريبة المنظر، تحمل نجوماً بأشكال أقرب إلى البقع منها إلى الدوائر، ويبدو أن دايسون اختار تجاهل هذه البيانات، ويتساءل بعض المؤرخين عما إذا كانت المجموعة قد تخلصت من البيانات التي لم توافق نظرية أينشتاين رغبة منها في إثباتها.

ولكن كينيفيك يقول إنه من غير المرجح أن يكون دايسون قد تجاهل النتائج. فقد كان إيدينجتون هو العالم الذي عبَّر بشكل واضح عن دعمه لتوقعات أينشتاين قبل إجراء التجربة، ولم يكن له أية علاقة بالتخلص من الصفائح في سوبرال. يقول كينيفيك: "من النادر أن يتمتع الإنسان بحياد كامل في العلم أو الحياة، وليس من العدل أن نتهجم على إيدينجتون بسبب تعبيره عن رأيه، لأن هذا أشبه بالطلب من العلماء أن يكذبوا حول وجهات نظرهم".

لم يبدُ أينشتاين شديد الاهتمام باختبار نظريته التي كانت مغمورة نوعاً ما في ذلك الحين، بل إن البعض لمَّح إلى أنه سخر من الموضوع برمته، وأنه كان واثقاً من نظريته لدرجة أنه لم يشعر بأدنى قلق لما قد تفصح عنه نتائج بعثة 1919. يقول كينيفيك: "لقد قال له بعض العلماء المشاهير إن هدوءه إزاء الموضوع لا يُصدق. لقد كانوا يشعرون بالذهول، وكانت ردة فعله المختصرة: أجل، أعرف ذلك!".

وعلى الرغم من ثقة أينشتاين، فقد كان راغباً في إجراء التجربة. وفي 1911، كان قد راسل بعض الفلكيين الآخرين مستفسراً عن إمكانية إجراء هذه التجربة في الكسوف، كما عمل بنشاط على جمع الأموال لها. وقد قام بتمويل بعثة الفلكي الألماني إيرفين فروندليش إلى كرايميا في 1914 لإجراء عمليات الرصد التي أجراها إيدينجتون في نهاية المطاف، غير أن هذه الرحلة لاقت مصيراً سيئاً، فعندما كان فروندليش يعبر روسيا، اغتيل الأرشيدوق فرانز فيرديناند واندلعت الحرب العالمية الأولى، فقام رجال القيصر الروسي باعتقال فروندليش ومصادرة معداته.

تقول الفيزيائية والفيلسوفة إلسي روزنثال شنايدر إنها كانت مع أينشتاين مباشرة بعد أن تلقى برقية تحمل نبأ تأكيد توقعاته عن طريق تجربة إيدينجتون–دايسون في سبتمبر من العام 1919. وقد كتبت أن أينشتاين بدا سعيداً، ولكن دون حماس، مما أثار استغرابها. يقول كينيفيك: "قالت له: ماذا كنت ستقول لو تبيَّن أن نظريتك خاطئة؟ هل كنت ستشعر بخيبة الأمل؟ فابتسم أينشتاين وأجاب: بل كنت سأشعر بالأسف تجاه الطبيعة، لأن النظرية صحيحة".

وقد تم عرض النتائج رسمياً في لقاء الجمعية الملكية في لندن بتاريخ 6 نوفمبر 1919، مما أطلق أينشتاين نحو شهرة عالمية. يقول الرياضي ألفريد نورث وايتهيد واصفاً الحدث: "كان جو الاهتمام الشديد أشبه بمسرحية إغريقية، فقد كنا جوقة تعلق على حكم القدر الذي أفصح عنه تطور حدث جلل. واتصف الحدث بطابع مسرحي، من الشكل الاحتفالي التقليدي، وصولاً إلى خلفية كبيرة تحمل صورة نيوتن، لتذكِّرنا بأن إحدى أهم النظريات العامة كانت ستحصل على أول تعديل لها بعد مُضي أكثر من قرنين من الزمن".

ولكن كان هناك كسوف آخر في 1922، مما أعطى الآخرين فرصة لتأكيد نتائج إيدينجتون ودايسون. ولكن الفيزيائيين -بطبيعة الحال- كانوا "متحمسين وسعداء ويشعرون بحيوية كبيرة، ولكنهم رحبوا بفرصة التحقق من الأمر بعد ثلاث سنوات، ولم يكن هناك داعٍ لتأجيل الاحتفالات إلى ذلك الوقت" وفقاً لكينيفيك. وفي ذلك الكسوف في 1922، قامت مجموعة من مرصد ليك في كاليفورنيا بإجراء تجربة مماثلة وحصلت على نتائج تقارب نتائج إيدينجتون ودايسون. ولكن بحلول ذلك الوقت، كان أينشتاين قد تحول إلى شخصية عالمية. وحاول دايسون أيضاً تكرار التجربة، ولكن الغيوم أعاقت عمله.

ولم يحاول أي محترف تكرار تجربة إيدينجتون – دايسون منذ 1973، حيث لم يعد كسوف الشمس ضرورياً لقياس انحراف الضوء الذي توقعه أينشتاين بسبب الشمس. وعلى سبيل المثال، تمكن العلماء في السبعينيات بفضل التلسكوبات الراديوية من مراقبة الشمس وهي تحني ضوء النجوم الزائفة، التي يتألف كل واحد منها من ثقب أسود عملاق محاطٍ بقرص يُصدر مقادير هائلة من الطاقة، وذلك أثناء النهار ودون مساعدة الكسوف.

وقد تعلم معظم الهواة -في المجموعات التي نظمها ديتريتش في 2017 لتكرار التجربة- أن العمل التجريبي معرَّض للكثير من المفاجآت غير المتوقعة؛ ففي عشرة من المواقع، واجه المشاركون مشاكل مع تجهيزاتهم، مثل الطاقة والتعرض الزائد للضوء، أو الاضطرابات في الغلاف الجوي، ولهذا كانت بياناتهم غير صالحة للاستخدام، كما تعرض المسند ثلاثي القوائم لتلسكوب أحد المجموعات إلى ركلة بالخطأ في لحظة حاسمة. وتبين هذه العثرات والحوادث أن حصول كلتا بعثتي 1919 على أية بيانات على الإطلاق أمرٌ في منتهى الحظ.

وقد كان بيري وطلاب جامعة بورتلاند الحكومية الذين يعملون معه يمثلون واحدة من المجموعتين الناجحتين من بين المجموعات الاثنتي عشرة. وكان هناك أيضاً دون برونز، الفلكي الهاوي المستعد للعمل في كاسبر بوايومينج، فقد كان يستعد منذ أكثر من سنة لإجراء عملية الرصد، وكان قد تدرب مراراً وتكراراً على العمل في تلك اللحظات الثمينة أثناء الكسوف الكلي، ولهذا كان "ناجحاً إلى درجة مثيرة للإعجاب" في رصده، كما يقول ديتريتش.

أظهرت بيانات بعثة إيدينجتون إلى برينسيب انحرافاً ضوئياً بمقدار 1.6 ثانية قوسية -وهو قياس زاوي للمسافة عبر السماء- في حين أن الصفائح من طاقم دايسون في سوبرال أظهرت انحرافاً بمقدار 1.98 ثانية قوسية مع ارتياب 30% تقريباً. في 2017، التقط برونز -وهو مختص متقاعد بالفيزياء البصرية- صوراً أظهرت المقدار الذي توقعه أينشتاين بالضبط: انحراف بمقدار 1.7512 ثانية قوسية، مع ارتياب يتعلق باضطرابات الغلاف الجوي بمقدار 3% فقط.

وقد فاز برونز عن هذا العمل بجائزة تشامبليس عن إنجازات الهواة من الجمعية الأميركية الفلكية، ونُشرت نتائجه في مجلة Classical and Quantum Gravity.

ويتطلع بيري وبرونز وديتريتش منذ الآن إلى العام 2024 انتظاراً للمرة المقبلة التي يظهر فيها كسوف كامل فوق الولايات المتحدة في منطقة مائلة تمتد من تكساس إلى ماين. يقول ديتريتش إن المجموعة تريد أن تخطط لعمل أكبر لتكرار التجربة، وربما الحصول على نتائج أكثر دقة مما حصل عليه برونز في 2017 إذا تمكنوا من تخفيض الارتياب الناتج عن الاضطرابات الهوائية.

وبالنظر إلى تجربة إيدينجتون–دايسون، فإن بيري ما زال يشعر بالذهول إزاء أهمية ما فعلته هذه الفرق منذ 100 سنة: "لقد كانت تجربة واجبة التنفيذ، وأحدثت أثراً كبيراً. وإذا تتبعت تطور النسبية وميكانيكا الكم وغيرها من التطورات العلمية التي تلتها، لوجدت أن العالم يعتمد كلياً على حدوث هذه الأشياء".

وأخيراً، فمن الجدير بالذكر أن نستذكر رأي أينشتاين بشأن البيانات التجريبية، حيث يقول الدكتور جراهام فارميلو في كتابه "الكون يتحدث بلغة الأرقام: كيف تكشف الرياضيات الحديثة عن أعمق أسرار الطبيعة" (The Universe Speaks in Numbers: How Modern Math Reveals Nature's Deepest Secrets): "إن أينشتاين كان مقتنعاً أن الطريق الملكي نحو قوانين الفيزياء لا يمر عبر قراءة البيانات التجريبية، وإنما عبر تطوير المحتوى الرياضي للنظريات ذات الأسس الراسخة".