Teoria relativității a schimbat totul, dar a durat un timp corespunzător.
Detectarea undelor gravitaționale de către Laboratorul Laser Interferometric Gravitational-Wave LIGO a avut loc exact la o sută de ani după ce Einstein și-a formulat teoria generală a relativității într-un articol în care a fost descrisă posibilitatea existenței undelor gravitaționale. Sau cel puțin aceasta este povestea care a fost prezentată publicului (inclusiv a ta cu adevărat). Și în anumite privințe, chiar corespunde realității.
Cu toate acestea, realitatea modului în care relativitatea a progresat până la punctul în care oamenii au recunoscut că undele gravitaționale par să existe și că pot fi detectate s-au dovedit a fi mult mai complexe decât narațiunea descrisă mai sus. În Astronomia naturii din această săptămână, un grup de istorici științifici oferă toate detaliile despre modul în care am călătorit din zorii relativității până la Laboratorul laser interferometric cu unde gravitaționale LIGO. Și în acest proces, istoricii arată că ideile despre revoluții științifice care duc la schimbări neașteptate și radicale se pot dovedi uneori a fi de nejustificat.
S-a schimbat paradigma ta?
Conceptul popular de revoluție științifică (în măsura în care există) a fost expus de Thomas Kuhn. Kuhn a descris procesul prin care datele mută treptat o teorie existentă către criză, permițând aproape tuturor să vadă că nu mai funcționează. După o perioadă de criză, apare o revoluție și apare o nouă teorie. Abilitatea teoriei de a rezolva toate problemele care au precipitat debutul crizei câștigă rapid sprijin și începe o nouă perioadă de știință, bazată pe teorie sau „bazată pe o paradigmă”, după cum spune Kuhn.
La un anumit nivel, toate acestea se potrivesc perfect cu istoria relativității. Propunerile lui Einstein au creat într-adevăr o nouă paradigmă de spațiu-timp curbat și au rezolvat numeroase probleme ale gravitației lui Newton și, de asemenea, au primit rapid confirmarea experimentală și au fost acceptate. Dar mai puțin de un an mai târziu, Einstein a publicat o lucrare care a folosit o nouă paradigmă pentru generarea undelor gravitaționale. Articolul s-a dovedit a fi greșit, dar după câțiva ani a publicat o versiune revizuită. Această revoluție, care a marcat începutul perioadei de descoperire, a fost finalizată un secol mai târziu.
Cu toate acestea, istoricii menționați - Alexander Blum, Roberto Lalli și Jürgen Renn - au dorit să abordeze temeinic această paradă a schimbărilor de paradigmă. Și fac acest lucru concentrându-se pe implicațiile formulării Einstein a relativității generale.
Video promotional:
(Trebuie menționat că această abordare nu acceptă nici modelul de revoluție al lui Kuhn. Oamenii au funcționat bine în cadrul conceptului lui Newton chiar și după ce problemele sale au devenit evidente și nu a existat, de asemenea, o perioadă evidentă de criză chiar și după ce Einstein și-a formulat teoria relativității generale. În anumite privințe, relativitatea generală a rezolvat doar problema pe care Einstein însuși a creat-o atunci când a propus relativitate specială).
A face valuri
Pentru început, trebuie spus că undele gravitaționale nu au apărut direct din faptul că Einstein lucra la ele. Aparent, Einstein nu s-a gândit cu adevărat la existența lor foarte serios până când Karl Schwarzschild și faima sa de rază l-au împins să facă acest lucru. A apărut o eroare în primul său articol pe această temă, iar versiunea corectată a funcționat numai dacă undele s-au propagat în interiorul cilindrului. Deși acest articol oferă baza afirmațiilor conform cărora Einstein a prezis existența undelor gravitaționale, aceasta a fost fără îndoială o soluție aproximativă într-un mediu simplificat.
Și aici a fost Einstein a lăsat în urmă această problemă. Focalizarea lui se schimbă și încearcă să-și combine versiunea gravitației cu electromagnetismul. Nu puțini oameni erau pregătiți să abordeze această problemă în perioada în care mecanica cuantică câștiga teren, iar Primul Război Mondial a perturbat activitatea comunității științifice și a îndreptat atenția membrilor săi asupra fizicii aplicate. Potrivit acestor istorici ai științei, o mare parte a lucrărilor în domeniul teoriei relativității care a fost realizată în această perioadă s-a concentrat pe traducerea sistemelor fizice existente și bine descrise din limba mecanicii newtoniene în limbajul teoriei relativității. Mult mai puțină atenție a fost acordată încercărilor de a determina ce posibilități unice de înțelegere a universului sunt oferite de teoria relativității.
Lipsa unei amintiri profunde a ceea ce înseamnă relativitate a fost agravată de probleme precum erorile matematice ale lui Einstein. Când în matematică au apărut concepte atât de absurde precum singularitatea, nu era clar ce încercau să ne spună în acest fel. Astfel de abstractizări au vreo bază în realitate? Ar putea o altă abordare matematică să ofere o soluție mai inteligentă? Sau teoria relativității este limitată în ceea ce poate explica cu succes? În absența unei înțelegeri profunde a acestei teorii, va fi probabil dificil să spun care dintre următoarele opțiuni este cea mai probabilă.
Întrucât undele gravitaționale pot ieși din ecuația corectă, nu există prea puțin interes în a determina dacă existența lor era necesară și, cu atât mai puțin interes, se punea problema modului în care le putem captura.
Breakthrough
Dar cum a reușit această zonă să se rupă de stagnare? În anii ’50, fizica a primit mult sprijin din partea statului din cauza succeselor sale din timpul războiului și, în consecință, comunitatea de cercetare a crescut. În plus, devenea clar că ar fi necesare efecte gravitaționale pentru a înțelege corpul nostru în expansiune de date care descrie universul și evoluția acestuia.
Comunitatea relativității a primit sprijin din partea internaționalizării în creștere a științei, iar conferințele anuale au fost organizate pe toată gama de subiecte din acest domeniu. Această comunitate mai largă a ajuns la un consens că întrebările fizice rămase despre teoria relativității trebuie abordate dacă fiecare grup individual de cercetători dorește să aibă încredere în munca pe care o desfășoară. Rezolvarea problemelor asociate teoriei relativității a fost considerată, de asemenea, o condiție necesară pentru integrarea ei cu mecanica cuantică, iar mulți erau interesați să lucreze la această problemă.
Existența undelor gravitaționale a fost una dintre aceste probleme și, prin urmare, au început să atragă atenția. Avansul cheie a venit la o conferință în care cercetătorii (inclusiv Richard Feynman) au putut înțelege modul în care energia conținută în undele gravitaționale poate fi schimbată cu forme de energie mai bine înțelese în restul universului. Un alt cercetător a fost capabil să facă o descriere matematică a undelor electromagnetice și apoi să o modifice pentru a descrie undele gravitaționale. Structurile matematice rezultate au devenit baza pentru a înțelege că undele gravitaționale sunt oscilații în spațiu-timp, iar acest punct de vedere persistă până în prezent.
Insurecţie
Toate acestea, precum și progresul în alte domenii ale teoriei relativității, au creat o bază teoretică solidă. Bloom, Lally și Rennes cred că la momentul în care a fost prezentată prima dată relativitatea generală, oamenii se gândeau în ceea ce privește consecințele relativității pentru alte teorii pe care le foloseau pentru a înțelege universul. Potrivit istoricilor, până la începutul anilor '60, teoria relativității ar fi trebuit să aibă credite pentru a fi direct legată de comportamentul universului și nu mai era nevoie de altă teorie. Aceasta a creat baza credinței că undele gravitaționale, fiind o consecință naturală a acestei teorii, trebuie să aibă un fel de manifestare fizică.
Această înțelegere a fost necesară și pentru a crea un model care să ne permită să vorbim despre cum ar trebui să arate undele gravitaționale, pe baza evenimentelor care le-au generat. Și am putut separa evenimentele reale de zgomot imediat ce am avut un detector precum LIGO cu suficientă sensibilitate pentru a le detecta.
Acest proces de 40 de ani nu se potrivește bine cu revoluțiile despre care vorbește Kuhn. Nu a existat nicio criză și nu a existat nicio perioadă de cercetări frenetice în momentul în care oamenii încercau să dezvolte o nouă teorie care să poată rezolva contradicțiile evidente caracteristice predecesorului său insesizabil. Cu toate acestea, acești istorici cred că există un lucru despre care Kuhn a avut dreptate: acei oameni care sunt profund cufundați în lumea relativistă au o viziune fundamental opusă asupra universului și le va fi dificil să împărtășească părerile lor cu cei care trăiesc în lumea newtoniană.
Kuhn a văzut această problemă ca fiind esențial o problemă de limbă; termenii vechi dobândesc sensuri noi într-o nouă paradigmă. Cu toate acestea, istoricii citați mai sus par să creadă că astfel de schimbări de perspectivă sunt necesare pentru orice fel de progres științific. Până când oamenii pot intra în realitatea unei noi teorii și vor aprecia toate implicațiile acesteia, le va fi dificil să înțeleagă suficient sensul și să facă predicții - iar schimbările limbajului sunt doar un produs secundar.
John Timmer
