Relativitetsteorien endret alt, men det tok en tilsvarende tid.
Deteksjonen av gravitasjonsbølger av Laser Interferometric Gravitational Wave Laboratory LIGO skjedde nøyaktig hundre år etter at Einstein formulerte sin generelle relativitetsteori i en artikkel der muligheten for eksistensen av gravitasjonsbølger ble matematisk beskrevet. Eller i det minste er det historien som ble presentert for publikum (inkludert din virkelig). Og i noen henseender tilsvarer det til og med virkeligheten.
Virkeligheten for hvordan relativitet har kommet til det punktet hvor folk har erkjent at gravitasjonsbølger ser ut til å eksistere og at de kan oppdages, viste seg imidlertid å være mye mer sammensatt enn fortellingen beskrevet ovenfor. I denne ukens Naturastronomi gir en gruppe vitenskapshistorikere alle detaljene om hvordan vi reiste fra relativitets morgen til LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Laboratory. Og i prosessen viser historikere at ideer om vitenskapelige revolusjoner som fører til uventede og radikale skift noen ganger kan vise seg å være uholdbare.
Har paradigmet ditt forandret seg?
Det populære konseptet med vitenskapelig revolusjon (i den grad det eksisterer) ble forklart av Thomas Kuhn. Kuhn beskrev prosessen der data gradvis beveger en eksisterende teori mot krise, slik at nesten alle kan se at de ikke lenger fungerer. Etter en periode med krise oppstår en revolusjon og en ny teori dukker opp. Teoriens evne til å løse alle problemene som utløste begynnelsen av krisen, får raskt støtte, og en ny periode med vitenskap begynner, basert på teori eller "basert på et paradigme," slik Kuhn uttrykker det.
På et visst nivå stemmer alt perfekt med relativitetens historie. Einsteins forslag skapte virkelig et nytt paradigme av buet romtid, og de løste de mange problemene med Newtons alvor, og fikk også raskt eksperimentell bekreftelse og ble akseptert. Men mindre enn ett år senere publiserte Einstein en artikkel som brukte et nytt paradigme for generasjonen av gravitasjonsbølger. Artikkelen viste seg å være feil, men etter noen år publiserte han en revidert versjon. Denne revolusjonen, som markerte begynnelsen av oppdagelsesperioden, ble fullført et århundre senere.
Historikerne som ble nevnt - Alexander Blum, Roberto Lalli og Jürgen Renn - ønsket imidlertid å takle denne paradigmeskiftparaden grundig. Og de gjør dette ved å fokusere på implikasjonene av Einsteins formulering av generell relativitet.
Salgsfremmende video:
(Det skal bemerkes at denne tilnærmingen heller ikke støtter Kuhns revolusjonsmodell. Folk arbeidet godt innenfor rammen av Newtons konsept selv etter at problemene ble tydelige, og det var heller ingen åpenbar kriseperiode selv etter at Einstein formulerte sin teori om generell relativitet I noen henseender løste generell relativitet bare problemet som Einstein selv skapte da han foreslo spesiell relativitet).
Lage bølger
For det første skal det sies at gravitasjonsbølger ikke oppsto direkte fra det faktum at Einstein arbeidet med dem. Tilsynelatende tenkte Einstein ikke virkelig på deres eksistens veldig alvorlig før Karl Schwarzschild og hans radius-berømmelse presset ham til å gjøre det. Det var en feil i hans første artikkel om emnet, og den korrigerte versjonen fungerte bare hvis bølgene forplantet seg inne i sylinderen. Selv om denne artikkelen gir grunnlaget for påstandene om at det var Einstein som spådde eksistensen av gravitasjonsbølger, var dette utvilsomt en tilnærmet løsning i et forenklet miljø.
Og det var her Einstein etterlot dette problemet. Fokuset hans skifter, og han prøver å kombinere sin versjon av tyngdekraften med elektromagnetisme. Det var ikke mange som var klare til å ta tak i dette problemet på det tidspunktet da kvantemekanikk fikk gevinst, og første verdenskrig forstyrret det vitenskapelige samfunns arbeid og henvendte medlemmene til anvendt fysikk. I følge nevnte historikere av vitenskap fokuserte mye av arbeidet innen relativitetsteorien som ble utført i løpet av denne perioden på å oversette eksisterende og godt beskrevne fysiske systemer fra språket i Newtonsk mekanikk til språket i relativitetsteorien. Mye mindre oppmerksomhet er blitt viet til forsøk på å bestemme hvilke unike muligheter for å forstå universet som gis av relativitetsteorien.
Mangelen på et dypt minne om hva relativitet betyr ble forsterket av problemer som Einsteins matematiske feil. Da slike absurde begreper som singularitet dukket opp i matematikk, var det ikke klart hva de prøvde å fortelle oss på denne måten. Har slike abstraksjoner noe grunnlag i virkeligheten? Kan en annen matematisk tilnærming tilby en smartere løsning? Eller er relativitetsteorien begrenset i det den med hell kan forklare? I mangel av en dyp forståelse av denne teorien, vil det sannsynligvis være vanskelig å si hvilke av de følgende alternativene som er mest sannsynlig.
Siden gravitasjonsbølger kan komme ut av riktig ligning, var det liten interesse for å avgjøre om deres eksistens var nødvendig, og enda mindre interesse var i spørsmålet om hvordan vi kan fange dem.
Gjennombrudd
Men hvordan klarte dette området å bryte ut av stagnasjon? På 1950-tallet fikk fysikken mye støtte fra staten på grunn av suksessene under krigen, og som et resultat vokste forskersamfunnet. I tillegg ble det klart at gravitasjonseffekter ville være nødvendige for å forstå vårt ekspanderende korpus med data som beskriver universet og dets utvikling.
Relativitetssamfunnet har fått støtte fra den økende internasjonaliseringen av vitenskapen, og det har blitt arrangert årlige konferanser om hele spekteret av temaer på dette området. Dette bredere samfunnet har kommet til enighet om at de gjenværende fysiske spørsmålene om relativitetsteorien må tas opp hvis hver enkelt forskergruppe ønsker å ha tillit til arbeidet de gjør. Å løse problemene knyttet til relativitetsteorien ble også ansett som en forutsetning for å integrere den med kvantemekanikk, og mange var interessert i å jobbe med dette problemet.
Eksistensen av gravitasjonsbølger var et av disse problemene, og derfor begynte de å tiltrekke seg oppmerksomhet. Det viktigste gjennombruddet kom på en konferanse der forskere (inkludert Richard Feynman) var i stand til å forstå hvordan energien i gravitasjonsbølger kunne utveksles med bedre forståtte energiformer i resten av universet. En annen forsker var i stand til å lage en matematisk beskrivelse av elektromagnetiske bølger og deretter endre den for å beskrive gravitasjonsbølger. De resulterende matematiske strukturer ble grunnlaget for å forstå at gravitasjonsbølger er svingninger i rom-tid, og dette synspunktet vedvarer frem til i dag.
opprør
Alt dette, så vel som fremgang på andre områder av relativitetsteorien, har skapt et solid teoretisk fundament. Bloom, Lally og Rennes mener at på det tidspunktet den generelle relativitet ble presentert, tenkte folk i forhold til konsekvensene av relativitet for andre teorier de brukte for å forstå universet. I følge historikere, på begynnelsen av 1960-tallet, burde relativitetsteorien ha fått æren for å ha vært direkte relatert til atferden til universet, og ingen annen teori var nødvendig lenger. Dette skapte grunnlaget for troen på at gravitasjonsbølger, som er en naturlig konsekvens av denne teorien, må ha en slags fysisk manifestasjon.
Denne forståelsen var også nødvendig for å lage en modell som ville tillate oss å snakke om hvordan gravitasjonsbølger skulle se ut, basert på hendelsene som genererte dem. Og vi var i stand til å skille virkelige hendelser fra støy så snart vi hadde en detektor som LIGO med tilstrekkelig følsomhet til å oppdage dem.
Denne 40-årige prosessen passer ikke godt med revolusjonene Kuhn snakker om. Det var ingen krise, og det var ingen periode med hektisk forskning i øyeblikket da folk prøvde å utvikle en ny teori som kunne løse de åpenbare motsetninger som er karakteristiske for dens uholdbare forgjenger. Imidlertid mener disse historikerne at det er en ting som Kuhn hadde rett i: de menneskene som er dypt fordypet i den relativistiske verden har et grunnleggende motsatt syn på universet, og det vil være vanskelig for dem å dele sine synspunkter med de som lever i den Newtonske verden.
Kuhn så dette problemet som egentlig et språkproblem; gamle begreper får nye betydninger i et nytt paradigme. Ovennevnte historikere ser imidlertid ut til å tro at slike perspektivendringer er nødvendige for enhver form for vitenskapelig fremgang. Inntil folk kan gå inn i virkeligheten for en ny teori og sette pris på alle dens konsekvenser, vil det være vanskelig for dem å forstå tilstrekkelig betydningen og komme med forutsigelser - og språkendringer er bare et biprodukt.
John Timmer
