Relativitetsteorien ændrede alt, men det tog en tilsvarende tid.
Påvisningen af gravitationsbølger af laserinterferometrisk gravitationsbølgelaboratorium LIGO forekom nøjagtigt hundrede år efter, at Einstein formulerede sin generelle relativitetsteori i en artikel, hvor muligheden for eksistensen af gravitationsbølger blev matematisk beskrevet. Eller i det mindste er det historien, der blev præsenteret for offentligheden (inklusive din virkelig). Og i nogle henseender svarer det endda til virkeligheden.
Realiteten af, hvordan relativitet er kommet frem til det punkt, hvor folk har erkendt, at tyngdepunktbølger ser ud til at eksistere, og at de kan opdages, viste sig at være meget mere kompliceret end den fortælling, der er beskrevet ovenfor. I denne uges Naturastronomi giver en gruppe af videnskabshistorikere alle detaljerne om, hvordan vi rejste fra relativitetsdagens morgen til LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Laboratory. Og i processen viser historikere, at ideer om videnskabelige revolutioner, der fører til uventede og radikale forskydninger undertiden kan vise sig at være uholdbare.
Er dit paradigme ændret?
Det populære koncept med videnskabelig revolution (i det omfang det eksisterer) blev udlagt af Thomas Kuhn. Kuhn beskrev den proces, hvormed data gradvist bevæger en eksisterende teori mod krise, så næsten alle kan se, at de ikke længere fungerer. Efter en kriseperiode opstår der en revolution, og en ny teori vises. Teoriens evne til at løse alle de problemer, der udfældede krisens begyndelse, får hurtigt støtte, og en ny periode med videnskab begynder, baseret på teori eller "baseret på et paradigme", som Kuhn udtrykker det.
På et bestemt niveau passer alt sammen perfekt med relativitetshistorien. Einsteins forslag skabte faktisk et nyt paradigme med buet rumtid, og de løste de mange problemer med Newtons tyngdekraft og fik også hurtigt eksperimentel bekræftelse og blev accepteret. Men mindre end et år senere udgav Einstein et papir, der brugte et nyt paradigme til generering af tyngdekraftsbølger. Artiklen viste sig at være forkert, men efter et par år offentliggjorde han en revideret version. Denne revolution, der markerede starten på opdagelsesperioden, blev afsluttet et århundrede senere.
Imidlertid ønskede de nævnte historikere - Alexander Blum, Roberto Lalli og Jürgen Renn - grundigt at tackle denne paradigmeskiftparade. Og de gør dette ved at fokusere på implikationerne af Einsteins formulering af generel relativitet.
Salgsfremmende video:
(Det skal bemærkes, at denne fremgangsmåde heller ikke understøtter Kuhns revolutionens model. Folk arbejdede godt inden for rammerne af Newtons koncept, selv efter at dets problemer blev tydelige, og der var heller ingen åbenbar kriseperiode, selv efter at Einstein formulerede sin teori om generel relativitet I nogle henseender løste generel relativitet kun det problem, som Einstein selv skabte, da han foreslog særlig relativitet).
Lav bølger
For det første skal det siges, at gravitationsbølger ikke opstod direkte af det faktum, at Einstein arbejdede på dem. Tilsyneladende tænkte Einstein ikke rigtig alvorligt på deres eksistens, indtil Karl Schwarzschild og hans radiusberømmelse pressede ham til at gøre det. Der opstod en fejl i hans første artikel om emnet, og den korrigerede version fungerede kun, hvis bølgerne forplantede sig inde i cylinderen. Mens denne artikel giver grundlag for påstandene om, at det var Einstein, der forudsagde eksistensen af tyngdekraftsbølger, var dette utvivlsomt en tilnærmelsesrig løsning i et forenklet miljø.
Og det var her, Einstein efterlod dette problem. Hans fokus skifter, og han prøver at kombinere sin version af tyngdekraften med elektromagnetisme. Ikke mange mennesker var parate til at tackle dette spørgsmål på et tidspunkt, hvor kvantemekanik fik vinder, og første verdenskrig forstyrrede det videnskabelige samfunds arbejde og vendte sine medlemmers opmærksomhed mod anvendt fysik. Ifølge de nævnte videnskabshistorikere fokuserede meget af arbejdet inden for relativitetsteorien, der blev udført i løbet af denne periode, på at oversætte eksisterende og velbeskrevne fysiske systemer fra sproget i Newtonian mekanik til sproget i relativitetsteorien. Meget mindre opmærksomhed er blevet viet forsøg på at bestemme, hvilke unikke muligheder for at forstå universet, der leveres af relativitetsteorien.
Manglen på en dyb hukommelse af, hvad relativitet betyder, blev forstærket af problemer som Einsteins matematiske fejl. Når sådanne absurde begreber som singularitet dukkede op i matematik, var det ikke klart, hvad de forsøgte at fortælle os på denne måde. Har sådanne abstraktioner noget grundlag i virkeligheden? Kunne en anden matematisk tilgang tilbyde en smartere løsning? Eller er relativitetsteorien begrænset i, hvad den med succes kan forklare? I mangel af en dyb forståelse af denne teori, vil det sandsynligvis være vanskeligt at sige, hvilke af følgende muligheder der er mest sandsynlige.
Da gravitationsbølger kan komme ud af den rigtige ligning, var der ringe interesse for at bestemme, om deres eksistens var nødvendig, og endnu mindre interesse var i spørgsmålet om, hvordan vi kan fange dem.
Bryde igennem
Men hvordan lykkedes dette område at bryde ud af stagnation? I 1950'erne modtog fysik meget støtte fra staten på grund af dens succeser under krigen, og som et resultat voksede forskersamfundet. Derudover blev det klart, at gravitationseffekter ville være nødvendige for at forstå vores ekspanderende korpus med data, der beskriver universet og dets udvikling.
Relativitetssamfundet har modtaget støtte fra den voksende internationalisering af videnskaben, og der er arrangeret årlige konferencer om hele spektret af emner på dette område. Dette bredere samfund er nået til enighed om, at de resterende fysiske spørgsmål om relativitetsteorien skal adresseres, hvis hver enkelt forskergruppe ønsker at have tillid til det arbejde, de udfører. Løsning af problemerne forbundet med relativitetsteorien blev også betragtet som en forudsætning for at integrere den med kvantemekanik, og mange var interesserede i at arbejde på dette problem.
Eksistensen af gravitationsbølger var et af disse problemer, og derfor begyndte de at tiltrække opmærksomhed. Det vigtigste gennembrud kom på en konference, hvor forskere (inklusive Richard Feynman) var i stand til at forstå, hvordan energien indeholdt i gravitationsbølger kunne udveksles med bedre forståede former for energi i resten af universet. En anden forsker var i stand til at lave en matematisk beskrivelse af elektromagnetiske bølger og derefter ændre den til at beskrive tyngdekraftsbølger. De resulterende matematiske strukturer blev grundlaget for at forstå, at gravitationsbølger er svingninger i rum-tid, og dette synspunkt fortsætter til nutiden.
opstanden
Alt dette såvel som fremskridt på andre områder af relativitetsteorien har skabt et solidt teoretisk fundament. Bloom, Lally og Rennes mener, at på det tidspunkt, hvor den generelle relativitet blev præsenteret, tænkte mennesker med hensyn til konsekvenserne af relativitet for andre teorier, de brugte til at forstå universet. Ifølge historikere skulle i begyndelsen af 1960'erne have været relativitetsteorien have fået æren for at have været direkte relateret til universets opførsel, og ingen anden teori var nødvendig. Dette skabte grundlaget for troen på, at gravitationsbølger, der er en naturlig konsekvens af denne teori, skal have en form for fysisk manifestation.
Denne forståelse var også nødvendig for at skabe en model, der gjorde det muligt for os at tale om, hvordan tyngdekraften skulle se ud, baseret på de begivenheder, der genererede dem. Og vi var i stand til at adskille virkelige begivenheder fra støj, så snart vi havde en detektor som LIGO med tilstrækkelig følsomhed til at opdage dem.
Denne 40-årige proces passer ikke godt sammen med de revolutioner, som Kuhn taler om. Der var ingen krise, og der var ingen periode med hektisk forskning i det øjeblik, hvor folk forsøgte at udvikle en ny teori, der kunne løse de åbenlyse modsigelser, der er karakteristiske for dens uholdbare forgænger. Imidlertid mener disse historikere, at der er en ting, som Kuhn havde ret i: disse mennesker, der er dybt nedsænket i den relativistiske verden, har en grundlæggende modsat syn på universet, og det vil være vanskeligt for dem at dele deres synspunkter med dem, der lever i den Newtonske verden.
Kuhn så dette problem som et sprogproblem; gamle udtryk får nye betydninger i et nyt paradigme. Ovenstående historikere synes dog at tro, at sådanne ændringer i perspektiv er nødvendige for enhver form for videnskabelig fremgang. Indtil folk kan komme ind i virkeligheden i en ny teori og sætte pris på alle dens implikationer, vil det være vanskeligt for dem at forstå tilstrækkeligt dens betydning og komme med forudsigelser - og sprogændringer er kun et biprodukt.
John Timmer