Teória relativity zmenila všetko, ale trvalo to zodpovedajúce množstvo času.
K detekcii gravitačných vĺn laserovým interferometrickým gravitačným vlnovým laboratóriom LIGO došlo presne sto rokov potom, čo Einstein formuloval svoju všeobecnú teóriu relativity v článku, v ktorom bola matematicky opísaná možnosť existencie gravitačných vĺn. Alebo aspoň to je príbeh, ktorý bol predstavený verejnosti (vrátane skutočne vášho). A v niektorých ohľadoch dokonca zodpovedá skutočnosti.
Zdá sa však, že realita toho, ako relativita pokročila do bodu, keď ľudia zistili, že gravitačné vlny existujú a že ich bolo možné odhaliť, bola podstatne zložitejšia ako vyššie opísaný príbeh. V tomto týždni Prírodná astronómia poskytuje skupina historikov vedy všetky podrobnosti o tom, ako sme cestovali od úsvitu relativity do Laboratória laserových interferometrických gravitačných vĺn LIGO. Historici pritom ukazujú, že myšlienky vedeckých revolúcií vedúcich k neočakávaným a radikálnym posunom sa niekedy môžu ukázať ako neudržateľné.
Zmenilo sa vaše paradigma?
Populárny koncept vedeckej revolúcie (pokiaľ v nej existuje) vysvetlil Thomas Kuhn. Kuhn opísal proces, ktorým údaje postupne posúvajú existujúcu teóriu smerom ku kríze, čo umožňuje takmer každému vidieť, že už nefunguje. Po období krízy dôjde k revolúcii a objaví sa nová teória. Schopnosť teórie vyriešiť všetky problémy, ktoré urýchlili začiatok krízy, rýchlo získava podporu a začína sa nové vedecké obdobie založené na teórii alebo „založené na paradigme“, ako to tvrdí Kuhn.
Na určitej úrovni to všetko dokonale zapadá do histórie relativity. Einsteinove návrhy skutočne vytvorili novú paradigmu zakriveného priestoru, a vyriešili mnohé problémy Newtonovej gravitácie a tiež rýchlo dostali experimentálne potvrdenie a boli prijaté. O necelý rok neskôr však Einstein publikoval dokument, ktorý použil novú paradigmu na generovanie gravitačných vĺn. Článok sa ukázal ako nesprávny, ale po niekoľkých rokoch uverejnil revidovanú verziu. Táto revolúcia, ktorá znamenala začiatok obdobia objavovania, bola dokončená o storočie neskôr.
Uvedení historici - Alexander Blum, Roberto Lalli a Jürgen Renn - však chceli tento sprievod paradigmy dôkladne riešiť. A robia to zameraním sa na dôsledky Einsteinovej formulácie všeobecnej relativity.
Propagačné video:
(Malo by sa poznamenať, že tento prístup nepodporuje ani Kuhnov model revolúcie. Ľudia dobre pracovali v rámci Newtonovho konceptu aj po tom, čo sa jeho problémy ukázali, a nebolo zjavného krízového obdobia ani po tom, ako Einstein formuloval svoju teóriu všeobecnej relativity. Všeobecná relativita v niektorých ohľadoch vyriešila problém, ktorý Einstein sám vytvoril, keď navrhol osobitnú relativitu).
Vytvárajte vlny
Pre začiatočníkov treba povedať, že gravitačné vlny nevznikli priamo z toho, že na nich Einstein pracoval. Zdá sa, že Einstein v skutočnosti vážne nepremýšľal o ich existencii, až kým ho Karl Schwarzschild a jeho sláva polomeru na to nútili. Vo svojom prvom článku na túto tému sa vyskytla chyba a opravená verzia fungovala, iba ak sa vlny šírili vo valci. Aj keď tento článok poskytuje základ pre tvrdenia, že to bol Einstein, kto predpovedal existenciu gravitačných vĺn, toto bolo nepochybne približné riešenie v zjednodušenom prostredí.
A práve tu tento problém Einstein zanechal. Jeho zameranie sa posúva a snaží sa skombinovať svoju verziu gravitácie s elektromagnetizmom. Nie veľa ľudí bolo pripravených tento problém vyriešiť v čase, keď sa kvantová mechanika začala rozvíjať, a prvá svetová vojna prerušila prácu vedeckej komunity a obrátila pozornosť jej členov na aplikovanú fyziku. Podľa spomínaných historikov vedy sa veľká časť práce v oblasti teórie relativity, ktorá sa uskutočnila v tomto období, zamerala na prevod existujúcich a dobre opísaných fyzikálnych systémov z jazyka newtonovskej mechaniky do jazyka teórie relativity. Oveľa menej pozornosti sa venovalo pokusom určiť, aké jedinečné možnosti pochopenia vesmíru poskytuje teória relativity.
Nedostatok hlbokej spomienky na to, čo znamená relativita, sa znásobil problémami, ako sú Einsteinove matematické chyby. Keď sa v matematike objavili také absurdné pojmy, ako je singularita, nebolo jasné, čo sa nám týmto spôsobom snažia povedať. Majú takéto abstrakcie v skutočnosti nejaký základ? Mohol by iný matematický prístup ponúknuť inteligentnejšie riešenie? Alebo je teória relativity obmedzená v tom, čo dokáže úspešne vysvetliť? Pri absencii hlbokého porozumenia tejto teórie bude pravdepodobne ťažké povedať, ktorá z nasledujúcich možností je najpravdepodobnejšia.
Pretože gravitačné vlny sa môžu vynoriť zo správnej rovnice, bol malý záujem určiť, či je ich existencia nevyhnutná, a ešte menší záujem bol o otázke, ako ich môžeme zachytiť.
Prelom
Ako sa však tejto oblasti podarilo prekonať stagnáciu? V 50. rokoch 20. storočia bola fyzika od štátu veľmi podporovaná z dôvodu úspechov počas vojny, čo viedlo k rastu výskumnej komunity. Okrem toho sa ukázalo, že na pochopenie nášho rozširujúceho sa súboru údajov popisujúcich vesmír a jeho vývoj budú potrebné gravitačné účinky.
Komunita relativity získala podporu od rastúcej internacionalizácie vedy a organizovali sa každoročné konferencie o celej škále tém v tejto oblasti. Táto širšia komunita dospela k zhode, že zvyšné fyzické otázky týkajúce sa teórie relativity sa musia riešiť, ak každá jednotlivá skupina výskumných pracovníkov chce mať dôveru v prácu, ktorú vykonávajú. Riešenie problémov súvisiacich s teóriou relativity sa tiež považovalo za predpoklad na integráciu do kvantovej mechaniky a mnohí sa zaujímali o prácu na tomto probléme.
Jedným z týchto problémov bola existencia gravitačných vĺn, a preto začali priťahovať pozornosť. Kľúčový prielom prišiel na konferenciu, kde vedci (vrátane Richarda Feynmana) boli schopní pochopiť, ako sa energia obsiahnutá v gravitačných vlnách mohla vymieňať s lepšie pochopenými formami energie vo zvyšku vesmíru. Iný výskumný pracovník bol schopný urobiť matematický opis elektromagnetických vĺn a potom ho modifikovať tak, aby popisoval gravitačné vlny. Výsledné matematické štruktúry sa stali základom pre pochopenie toho, že gravitačné vlny sú oscilácie v časopriestore a podobný pohľad pretrváva aj v súčasnosti.
povstanie
To všetko, ako aj pokrok v iných oblastiach teórie relativity, vytvorili pevný teoretický základ. Bloom, Lally a Rennes veria, že v tom čase bola prvýkrát predstavená všeobecná relativita, ľudia premýšľali o dôsledkoch relativity na iné teórie, ktoré používali na pochopenie vesmíru. Podľa historikov začiatkom 60. rokov 20. storočia mala byť teória relativity ocenená za priamu súvislosť s správaním sa vesmíru a už žiadna iná teória už nebola potrebná. Toto vytvorilo základ pre presvedčenie, že gravitačné vlny, ktoré sú prirodzeným dôsledkom tejto teórie, musia mať nejaký fyzický prejav.
Toto porozumenie bolo potrebné aj na vytvorenie modelu, ktorý by nám umožnil hovoriť o tom, ako by mali gravitačné vlny vyzerať, na základe udalostí, ktoré ich vytvorili. A my sme boli schopní oddeliť skutočné udalosti od hluku, hneď ako sme mali detektor, ako je LIGO, s dostatočnou citlivosťou na ich detekciu.
Tento 40-ročný proces sa nezhoduje s revolúciami, o ktorých hovorí Kuhn. V čase, keď sa ľudia snažili vyvinúť novú teóriu, ktorá by dokázala vyriešiť zjavné rozpory charakteristické pre jej neudržateľného predchodcu, nedošlo k žiadnej kríze ani k obdobiu horúčkovitého výskumu. Títo historici sa však domnievajú, že Kuhn mal jednu pravdu: tí ľudia, ktorí sú hlboko ponorení do relativistického sveta, majú zásadne opačný pohľad na vesmír, a bude pre nich ťažké podeliť sa o svoje názory s tými, ktorí žijú v newtonovskom svete.
Kuhn považoval tento problém za v podstate jazykový problém; staré výrazy nadobúdajú nové významy v novej paradigme. Uvedení historici sa však domnievajú, že takéto zmeny v perspektíve sú potrebné pre akýkoľvek druh vedeckého pokroku. Kým ľudia nevstúpia do reality novej teórie a neuznajú všetky jej dôsledky, bude pre nich ťažké pochopiť jej význam a urobiť predpovede - a zmeny v jazyku sú iba vedľajším produktom.
John Timmer