Teorija relativnosti je spremenila vse, vendar je trajalo ustrezno količino časa.
Zaznavanje gravitacijskih valov s pomočjo laserskega interferometričnega laboratorija za gravitacijsko valovanje LIGO se je zgodilo natanko sto let po tem, ko je Einstein svojo splošno teorijo relativnosti formuliral v članku, kjer je matematično opisana možnost obstoja gravitacijskih valov. Ali vsaj to je zgodba, ki je bila predstavljena javnosti (tudi resnično vaša). In v nekaterih pogledih celo ustreza resničnosti.
Vendar se je resničnost napredka relativnosti do točke, ko so ljudje prepoznali, da gravitacijski valovi na videz obstajajo in da jih je mogoče zaznati, izkazala za veliko bolj zapleteno kot zgoraj opisana pripoved. V tokratni oddaji Nature Astronomy skupina zgodovinarjev znanosti navaja vse podrobnosti o tem, kako smo potovali od zore relativnosti do laboratorija za laserski interferometrični gravitacijski valovanje LIGO. V tem času zgodovinarji kažejo, da se ideje o znanstvenih revolucijah, ki vodijo do nepričakovanih in radikalnih premikov, včasih izkažejo za nevzdržne.
Se je vaša paradigma spremenila?
Thomas Kuhn je razložil priljubljeni koncept znanstvene revolucije (kolikor obstaja). Kuhn je opisal postopek, s katerim podatki postopoma premaknejo obstoječo teorijo v krizo in tako skoraj vsem omogočijo, da vidijo, da ne deluje več. Po kriznem obdobju pride do revolucije in pojavi se nova teorija. Sposobnost teorije za reševanje vseh problemov, ki so povzročili nastanek krize, hitro dobi podporo in začne se novo znanstveno obdobje, ki temelji na teoriji ali "na podlagi paradigme", kot trdi Kuhn.
Na neki ravni se to popolnoma ujema z zgodovino relativnosti. Einsteinovi predlogi so resnično ustvarili novo paradigmo ukrivljenega prostora-časa in so rešili številne težave Newtonove gravitacije in tudi hitro dobili eksperimentalno potrditev in bili sprejeti. Toda manj kot leto dni kasneje je Einstein objavil članek, ki je uporabil novo paradigmo za generiranje gravitacijskih valov. Članek se je izkazal za napačnega, a je po nekaj letih objavil spremenjeno različico. Ta revolucija, ki je pomenila začetek obdobja odkritja, je bila končana stoletje pozneje.
Vendar so omenjeni zgodovinarji - Aleksander Blum, Roberto Lalli in Jürgen Renn - želeli temeljito reševati to parado premika paradigme. In to storijo tako, da se osredotočijo na posledice Einsteinove formulacije splošne relativnosti.
Promocijski video:
(Treba je opozoriti, da ta pristop ne podpira niti Kuhnovega modela revolucije. Ljudje so dobro sodelovali v okviru Newtonovega koncepta tudi potem, ko so njegove težave postale očitne, prav tako ni bilo očitnega kriznega obdobja, tudi potem, ko je Einstein formuliral svojo teorijo splošne relativnosti Splošna relativnost je v nekaterih pogledih rešila samo problem, ki ga je ustvaril sam Einstein, ko je predlagal posebno relativnost).
Naredite valove
Za začetek je treba reči, da gravitacijski valovi niso nastali neposredno iz dejstva, da je Einstein deloval na njih. Očitno Einstein ni resno razmišljal o njihovem obstoju, dokler ga Karl Schwarzschild in njegova radijska slava niso spodbudili k temu. V njegovem prvem članku o temi je prišlo do napake, popravljena različica pa je delovala le, če so se valovi razširili znotraj valja. Čeprav ta članek daje podlago za trditve, da je Einstein napovedal obstoj gravitacijskih valov, je bila to v poenostavljenem okolju nedvomno približna rešitev.
In tu je Einstein to težavo pustil za seboj. Njegov fokus se premakne in poskuša združiti svojo različico gravitacije z elektromagnetizmom. V času, ko se je kvantna mehanika vse bolj uveljavljala, prva svetovna vojna pa je motila delo znanstvene skupnosti in pozornost svojih članov usmerila v uporabno fiziko, se ni bilo veliko ljudi pripravljeno lotiti tega vprašanja. Po mnenju teh zgodovinarjev znanosti se je velik del dela na področju teorije relativnosti, ki je bil opravljen v tem obdobju, osredotočil na prevajanje obstoječih in dobro opisanih fizičnih sistemov iz jezika newtonske mehanike v jezik teorije relativnosti. Veliko manj pozornosti smo namenili poskusom določitve, katere edinstvene možnosti razumevanja vesolja ponuja teorija relativnosti.
Pomanjkanje globokega spomina na to, kaj pomeni relativnost, so zapletle težave, kot so Einsteinove matematične napake. Ko so se v matematiki pojavili takšni absurdni pojmi, kot je singularnost, ni bilo jasno, kaj nam skušajo povedati na ta način. Ali imajo takšne abstrakcije v resnici kakršno koli podlago? Bi lahko drug matematični pristop ponudil pametnejšo rešitev? Ali je teorija relativnosti omejena v tem, kar lahko uspešno razloži? Ker te teorije ne bomo globoko razumeli, bo verjetno težko reči, katera od naslednjih možnosti je najverjetnejša.
Ker lahko gravitacijski valovi nastanejo iz pravilne enačbe, ni bilo zanimanja za ugotovitev, ali je njihov obstoj potreben, še manj zanimanja pa je bilo pri vprašanju, kako jih lahko zajamemo.
Preboj
Toda kako se je to območje uspelo prebiti iz stagnacije? Fizika je v petdesetih letih prejšnjega stoletja dobila veliko podporo države zaradi svojih uspehov med vojno in posledično je rasla raziskovalna skupnost. Poleg tega je postajalo jasno, da bodo potrebni gravitacijski učinki, da bi razumeli naš razširjeni korpus podatkov, ki opisujejo vesolje in njegovo evolucijo.
Relativnostna skupnost je dobila podporo naraščajoče internacionalizacije znanosti, na tem področju pa so organizirane letne konference o celotnem številu tem. Ta širša skupnost je dosegla soglasje, da je treba rešiti preostala fizična vprašanja o teoriji relativnosti, če želi vsaka posamezna skupina raziskovalcev zaupati v svoje delo. Reševanje problemov, povezanih s teorijo relativnosti, je bilo tudi predpogoj za njegovo integracijo s kvantno mehaniko in mnogi so bili zainteresirani za delo na tej težavi.
Obstoj gravitacijskih valov je bil eden od teh težav, zato so začeli pritegniti pozornost. Ključni preboj je prišel na konferenci, kjer so raziskovalci (vključno z Richardom Feynmanom) lahko razumeli, kako je mogoče energijo, ki jo vsebujejo gravitacijski valovi, izmenjati z bolj razumljivimi oblikami energije v preostalem vesolju. Drugemu raziskovalcu je uspelo narediti matematični opis elektromagnetnih valov in ga nato spremeniti tako, da je opisal gravitacijske valove. Nastale matematične strukture so postale osnova za razumevanje, da gravitacijski valovi nihajo v vesolju in času in to stališče se obdrži do današnjega časa.
Vstajenje
Vse to, pa tudi napredek na drugih področjih teorije relativnosti je ustvaril trden teoretični temelj. Bloom, Lally in Rennes verjamejo, da so ljudje v času, ko je bila prvič predstavljena splošna relativnost, razmišljali o posledicah relativnosti za druge teorije, s katerimi so razumeli vesolje. Po mnenju zgodovinarjev naj bi bila teorija relativnosti do zgodnjih šestdesetih let prejšnjega stoletja zaslužna, da je neposredno povezana z obnašanjem vesolja, in nobena druga teorija ni bila več potrebna. To je ustvarilo osnovo za prepričanje, da morajo imeti gravitacijski valovi, ki so naravna posledica te teorije, neke vrste fizično manifestacijo.
Takšno razumevanje je bilo potrebno tudi za oblikovanje modela, ki bi omogočil, da bomo govorili o tem, kako naj izgledajo gravitacijski valovi, na podlagi dogodkov, ki so jih ustvarili. In resnične dogodke smo lahko ločili od hrupa, takoj ko smo imeli detektor, kot je LIGO, z dovolj občutljivosti, da jih zaznamo.
Ta 40-letni proces se ne ujema dobro z revolucijami, o katerih Kuhn govori. Krize ni bilo in ni bilo obdobja neresničnih raziskav v trenutku, ko so ljudje poskušali razviti novo teorijo, ki bi lahko razrešila očitna nasprotja, značilna za njenega neustavljivega predhodnika. Vendar pa ti zgodovinarji verjamejo, da je Kuhn imel prav eno stvar: ti ljudje, ki so globoko potopljeni v relativistični svet, imajo v bistvu nasprotni pogled na vesolje in težko bodo delili svoja stališča s tistimi, ki živijo v newtonskem svetu.
Kuhn je videl to težavo v bistvu jezikovno težavo; stari izrazi pridobijo nove pomene v novi paradigmi. Vendar se zdi, da zgornji zgodovinarji menijo, da so takšne spremembe v perspektivi potrebne za kakršen koli znanstveni napredek. Dokler ljudje ne bodo stopili v resničnost nove teorije in cenili vseh njenih posledic, bodo težko dovolj razumeli njen pomen in napovedovali - spremembe jezikov pa so le stranski produkt.
John Timmer