Teoria względności zmieniła wszystko, ale zajęła odpowiednią ilość czasu.
Wykrywanie fal grawitacyjnych przez Laser Interferometric Gravitational Wave Laboratory LIGO nastąpiło dokładnie sto lat po tym, jak Einstein sformułował swoją ogólną teorię względności w artykule, w którym opisano matematycznie możliwość istnienia fal grawitacyjnych. A przynajmniej taka jest historia, która została zaprezentowana publiczności (łącznie z Twoją). I pod pewnymi względami odpowiada to nawet rzeczywistości.
Jednak rzeczywistość tego, jak teoria względności posunęła się naprzód do punktu, w którym ludzie uznali, że fale grawitacyjne wydają się istnieć i że można je wykryć, okazała się znacznie bardziej złożona niż opisana powyżej narracja. W tym tygodniu w Nature Astronomy grupa historyków nauki przedstawia wszystkie szczegóły podróży od zarania teorii względności do Laboratorium Interferometrycznych Fal Grawitacyjnych LIGO Laser. Historycy pokazują, że pomysły rewolucji naukowych, które prowadzą do nieoczekiwanych i radykalnych zmian, mogą czasami okazać się nie do utrzymania.
Czy twój paradygmat się zmienił?
Popularna koncepcja rewolucji naukowej (o ile ona istnieje) została wyjaśniona przez Thomasa Kuhna. Kuhn opisał proces, w którym dane stopniowo przesuwają istniejącą teorię w kierunku kryzysu, pozwalając prawie każdemu zobaczyć, że ona już nie działa. Po okresie kryzysu następuje rewolucja i pojawia się nowa teoria. Zdolność teorii do rozwiązania wszystkich problemów, które spowodowały nadejście kryzysu, szybko zyskuje poparcie i rozpoczyna się nowy okres nauki oparty na teorii lub „oparty na paradygmacie”, jak to ujął Kuhn.
Na pewnym poziomie wszystko to doskonale pasuje do historii teorii względności. Propozycje Einsteina rzeczywiście stworzyły nowy paradygmat zakrzywionej czasoprzestrzeni i rozwiązały wiele problemów związanych z grawitacją Newtona, a także szybko otrzymały potwierdzenie eksperymentalne i zostały zaakceptowane. Ale niecały rok później Einstein opublikował artykuł, w którym zastosowano nowy paradygmat do generowania fal grawitacyjnych. Artykuł okazał się błędny, ale po kilku latach opublikował poprawioną wersję. Ta rewolucja, która zapoczątkowała okres odkryć, zakończyła się sto lat później.
Jednak wspomniani historycy - Alexander Blum, Roberto Lalli i Jürgen Renn - chcieli dokładnie zmierzyć się z tą paradygmatyczną paradą zmiany. Robią to, skupiając się na implikacjach sformułowania ogólnej teorii względności przez Einsteina.
Film promocyjny:
(Należy zauważyć, że to podejście również nie wspiera modelu rewolucji Kuhna. Ludzie pracowali dobrze w ramach koncepcji Newtona nawet po ujawnieniu się jej problemów, a nawet po sformułowaniu przez Einsteina teorii ogólnej teorii względności nie było oczywistego kryzysu. Pod pewnymi względami ogólna teoria względności rozwiązała tylko problem, który sam Einstein stworzył, proponując szczególną teorię względności).
Robić fale
Na początek należy powiedzieć, że fale grawitacyjne nie powstały bezpośrednio z tego, że Einstein nad nimi pracował. Najwyraźniej Einstein nie myślał zbyt poważnie o ich istnieniu, dopóki Karl Schwarzschild i jego promień sławy nie zmusiły go do tego. W jego pierwszym artykule na ten temat był błąd, a poprawiona wersja działała tylko wtedy, gdy fale rozchodziły się wewnątrz cylindra. Chociaż ten artykuł stanowi podstawę do twierdzeń, że to Einstein przewidział istnienie fal grawitacyjnych, było to niewątpliwie przybliżone rozwiązanie w uproszczonym środowisku.
I to tutaj Einstein zostawił ten problem za sobą. Jego uwaga się zmienia i próbuje połączyć swoją wersję grawitacji z elektromagnetyzmem. Niewiele osób było gotowych zająć się tym problemem w czasie, gdy mechanika kwantowa zdobywała popularność, a I wojna światowa zakłóciła pracę społeczności naukowej i skierowała uwagę jej członków na fizykę stosowaną. Według tych historyków nauki, znaczna część prac z zakresu teorii względności, które zostały przeprowadzone w tym okresie, dotyczyło tłumaczenia istniejących i dobrze opisanych systemów fizycznych z języka mechaniki Newtona na język teorii względności. Znacznie mniej uwagi poświęcono próbom ustalenia, jakie wyjątkowe możliwości zrozumienia wszechświata daje teoria względności.
Brak głębokiej pamięci o tym, co oznacza teoria względności, był potęgowany przez problemy, takie jak błędy matematyczne Einsteina. Kiedy w matematyce pojawiły się takie absurdalne pojęcia, jak osobliwość, nie było jasne, co próbują nam w ten sposób przekazać. Czy takie abstrakcje mają jakiekolwiek podstawy w rzeczywistości? Czy inne podejście matematyczne mogłoby zaoferować inteligentniejsze rozwiązanie? A może teoria względności jest ograniczona w tym, co może skutecznie wyjaśnić? Przy braku głębokiego zrozumienia tej teorii prawdopodobnie trudno będzie stwierdzić, która z poniższych opcji jest najbardziej prawdopodobna.
Ponieważ fale grawitacyjne mogą wyłonić się z prawidłowego równania, nie było większego zainteresowania ustaleniem, czy ich istnienie jest konieczne, a jeszcze mniejsze było pytanie, jak możemy je uchwycić.
Przełom
Ale jak ten obszar zdołał wyrwać się ze stagnacji? W latach pięćdziesiątych fizyka otrzymała duże wsparcie ze strony państwa ze względu na jej wojenne sukcesy, w wyniku czego społeczność naukowa się rozrosła. Ponadto stawało się jasne, że efekty grawitacyjne będą potrzebne do zrozumienia naszego rozszerzającego się zbioru danych opisujących wszechświat i jego ewolucję.
Społeczność zajmująca się względnością otrzymała wsparcie od rosnącej internacjonalizacji nauki, a coroczne konferencje były organizowane na pełen zakres tematów w tej dziedzinie. Ta szersza społeczność doszła do konsensusu, że pozostałe fizyczne pytania dotyczące teorii względności muszą zostać rozpatrzone, jeśli każda indywidualna grupa badaczy chce mieć zaufanie do wykonywanej pracy. Rozwiązanie problemów związanych z teorią względności było również uważane za warunek wstępny integracji jej z mechaniką kwantową i wielu było zainteresowanych pracą nad tym problemem.
Istnienie fal grawitacyjnych było jednym z tych problemów i dlatego zaczęły przyciągać uwagę. Kluczowy przełom nastąpił na konferencji, na której badacze (w tym Richard Feynman) byli w stanie zrozumieć, w jaki sposób energię zawartą w falach grawitacyjnych można wymienić na lepiej poznane formy energii w pozostałej części Wszechświata. Innemu badaczowi udało się dokonać matematycznego opisu fal elektromagnetycznych, a następnie zmodyfikować go tak, aby opisywał fale grawitacyjne. Powstałe w ten sposób struktury matematyczne stały się podstawą do zrozumienia, że fale grawitacyjne są oscylacjami w czasoprzestrzeni i podobny punkt widzenia utrzymuje się do chwili obecnej.
Insurekcja
Wszystko to, a także postęp w innych obszarach teorii względności, stworzyły solidne podstawy teoretyczne. Bloom, Lally i Rennes uważają, że w czasie, gdy po raz pierwszy zaprezentowano ogólną teorię względności, ludzie myśleli w kategoriach konsekwencji tej teorii dla innych teorii, których używali do zrozumienia wszechświata. Według historyków na początku lat sześćdziesiątych XX wieku teoria względności powinna była zostać doceniona za to, że była bezpośrednio związana z zachowaniem wszechświata i żadna inna teoria nie była już potrzebna. Stworzyło to podstawę do przekonania, że fale grawitacyjne, będące naturalną konsekwencją tej teorii, muszą mieć jakąś fizyczną manifestację.
Zrozumienie to było również niezbędne do stworzenia modelu, który pozwoliłby nam porozmawiać o tym, jak powinny wyglądać fale grawitacyjne na podstawie wydarzeń, które je wygenerowały. Byliśmy w stanie oddzielić rzeczywiste zdarzenia od szumu, gdy tylko mieliśmy detektor, taki jak LIGO, o wystarczającej czułości, aby je wykryć.
Ten 40-letni proces nie pasuje dobrze do rewolucji, o których mówi Kuhn. Kryzysu nie było i nie było okresu gorączkowych badań w chwili, gdy ludzie próbowali opracować nową teorię, która mogłaby rozwiązać oczywiste sprzeczności charakterystyczne dla jej poprzedniczki, której nie można było obronić. Jednak historycy ci uważają, że jest jedna rzecz, co do której Kuhn miał rację: ludzie głęboko zanurzeni w relatywistycznym świecie mają zasadniczo odmienny pogląd na wszechświat i trudno będzie im podzielić się swoimi poglądami z tymi, którzy żyją w świecie Newtona.
Kuhn postrzegał ten problem jako zasadniczo problem językowy; Stare terminy nabierają nowego znaczenia w nowym paradygmacie. Wydaje się jednak, że powyżsi historycy uważają, że takie zmiany perspektywy są niezbędne dla wszelkiego rodzaju postępu naukowego. Dopóki ludzie nie wejdą w rzeczywistość nowej teorii i nie docenią wszystkich jej konsekwencji, będzie im trudno dostatecznie zrozumieć jej znaczenie i przewidzieć - a zmiany w języku są tylko produktem ubocznym.
John Timmer