A relativitáselmélet mindent megváltoztatott, de ennek megfelelő időt vett igénybe.
A gravitációs hullámok LIGO lézerinterferometrikus gravitációs hullámlaboratórium általi észlelése pontosan száz évvel azután történt, hogy Einstein egy cikkben megfogalmazta általános relativitáselméletét, amelyben a gravitációs hullámok fennmaradásának lehetőségét matematikailag ismertették. Vagy legalább ezt a történetet mutatták be a nagyközönségnek (beleértve a tiédét is). És bizonyos tekintetben ez még a valóságnak is megfelel.
Ugyanakkor az a valóság, hogy a relativitáseljesítmény addig fejlődött, amikor az emberek felismerték, hogy a gravitációs hullámok léteznek, és hogy észlelhetők, szignifikánsan összetettebbnek bizonyult, mint a fentebb leírt narratívum. Ezen a héten a természet-csillagászatban egy tudománytörténész csoport ad részletes információkat arról, hogyan utaztunk a relativitás hajnalától a LIGO lézeres interferometrikus gravitációs hullám laboratóriumába. A folyamatban a történészek azt mutatják, hogy a váratlan és radikális változásokhoz vezető tudományos forradalmak elképzelései időnként tarthatatlanná válhatnak.
Megváltozott a paradigma?
Thomas Kuhn kifejtette a tudományos forradalom népszerű koncepcióját (amennyiben létezik). Kuhn leírta azt a folyamatot, amellyel az adatok fokozatosan mozgatják a meglévő elméletet a válság felé, lehetővé téve szinte mindenkinek, hogy az már nem működik. A válság időszakát követően forradalom következik be, és új elmélet jelent meg. Az elmélet azon képessége, hogy megoldja az összes olyan problémát, amely a válság kezdetét kiváltotta, gyorsan megkapja a támogatást, és megkezdődik a tudomány új korszaka, amely elmélet alapján vagy "paradigma alapján", ahogy Kuhn állítja.
Bizonyos szinten ez mind tökéletesen illeszkedik a relativitáselmélethez. Einstein javaslatai valóban új ívelt téridő-paradigmát hoztak létre, megoldották Newton gravitációjának sok problémáját, gyorsan megkaptak kísérleti megerősítést, és elfogadták őket. De kevesebb mint egy évvel később Einstein kiadott egy olyan papírt, amely új paradigmát alkalmazott a gravitációs hullámok generálásához. A cikk rossznak bizonyult, de néhány év elteltével kiadott egy felülvizsgált verziót. Ez a forradalom, amely a felfedezés időszakának kezdete volt, egy évszázaddal később fejeződött be.
Az említett történészek - Alexander Blum, Roberto Lalli és Jürgen Renn - azonban a paradigmaváltás felvonulását akarták alaposan kezelni. És ezt úgy teszik, hogy összpontosítanak Einstein általános relativitáselméleti megfogalmazásának következményeire.
Promóciós videó:
(Meg kell jegyezni, hogy ez a megközelítés sem támogatja Kuhn forradalmi modelljét. Az emberek Newton koncepciójának keretein belül is jól működtek, még akkor is, amikor annak problémái nyilvánvalóvá váltak, és nem volt nyilvánvaló válságidőszak sem, miután Einstein megfogalmazta az általános relativitáselmélet elméletét. Bizonyos értelemben az általános relativitáselmélet csak azt a problémát oldotta meg, amelyet Einstein maga hozott létre, amikor a speciális relativitáselméletet javasolta.
Hogy hullámok
A kezdőknek azt kell mondani, hogy a gravitációs hullámok nem közvetlenül merültek fel az a tény miatt, hogy Einstein dolgozott rajtuk. Nyilvánvaló, hogy Einstein nem igazán gondolkodott létezésükről komolyan, amíg Karl Schwarzschild és a sugárhírneve rátette rá. Hiba történt a témáról szóló első cikkében, és a javított verzió csak akkor működött, ha a hullámok a henger belsejében terjedtek. Noha ez a cikk megalapozza az állításokat, miszerint Einstein jósolta meg a gravitációs hullámok meglétét, ez kétségtelenül hozzávetőleges megoldás volt az egyszerűsített környezetben.
És Einstein itt hagyta el ezt a problémát. Fókusza eltolódik, és megpróbálja összekapcsolni gravitációs változatát az elektromágnesességgel. A kvantummechanika egyre nagyobb terepen nem volt kész arra, hogy foglalkozzon ezzel a kérdéssel, amikor az első világháború megszakította a tudományos közösség munkáját, és tagjai figyelmét az alkalmazott fizikára fordította. Az említett tudományos történészek szerint az ebben az időszakban a relativitáselmélet területén végzett munka nagy része a meglévő és jól leírt fizikai rendszereknek a newtoni mechanika nyelvétől a relativitáselmélet nyelvére történő fordítására összpontosított. Sokkal kevesebb figyelmet szenteltek annak meghatározására, hogy az univerzum megértésének milyen egyedi lehetőségeit biztosítja a relativitáselmélet.
A relativitáselmélet mély emlékezetének hiányát olyan problémák súlyosbították, mint Einstein matematikai hibái. Amikor megjelentek a matematikában olyan abszurd fogalmak, mint a szingularitás, nem volt világos, mit akarnak mondani nekünk ily módon. Van-e ilyen absztrakció a valóságban alapja? Tudna-e egy másik matematikai megközelítés okosabb megoldást kínálni? Vagy a relativitáselmélet korlátozott abban, amit meg tud magyarázni? Ennek az elméletnek a mély megértése hiányában valószínűleg nehéz megmondani, hogy a következő lehetőségek közül melyik a legvalószínűbb.
Mivel a gravitációs hullámok megjelenhetnek a helyes egyenletből, kevés érdeklődést mutatott annak meghatározása érdekében, hogy létezésük szükséges-e, és még kevésbé volt érdeklődés a kérdés iránt, hogy hogyan tudjuk őket elfogni.
Áttörés
De hogyan sikerült kitörni a stagnálásból? Az 1950-es években a fizika nagyon sok támogatást kapott az államtól, a háború alatt elért sikerei miatt, és ennek eredményeként nőtt a kutatói közösség. Ezenkívül világossá vált, hogy gravitációs effektusokra van szükség ahhoz, hogy megértsük az univerzumot és annak fejlődését leíró bővülő adathalmazunkat.
A relativitáselméleti közösség támogatást kapott a tudomány egyre növekvő nemzetközivé válásáról, és e téren a témák teljes skálájáról éves konferenciákat szerveztek. Ez a szélesebb közösség konszenzusra jutott abban, hogy a relativitáselmélettel kapcsolatos fennmaradó fizikai kérdéseket meg kell oldani, ha minden egyes kutatói csoport bízni akar az elvégzett munkában. A relativitáselmélettel kapcsolatos problémák megoldását is a kvantummechanika integrációjának előfeltételének tekintették, és sokan érdekeltek ezen a problémán.
A gravitációs hullámok megléte volt ezeknek a problémáknak az egyike, ezért kezdett felkelteni a figyelmet. A kulcsfontosságú áttörés egy konferencián történt, ahol a kutatók (köztük Richard Feynman) megértették, hogy a gravitációs hullámokban levő energiát hogyan lehet kicserélni az univerzum többi részén jobban megérthető energiaformákra. Egy másik kutató képessé tette az elektromágneses hullámok matematikai leírását, majd módosította a gravitációs hullámok leírására. A kapott matematikai struktúrák alapját képezték annak megértésében, hogy a gravitációs hullámok a tér-idő oszcillációi, és ez a nézőpont a jelen időig fennmarad.
Felkelés
Mindez, valamint a relativitáselmélet más területein elért eredmények szilárd elméleti alapot teremtettek. Bloom, Lally és Rennes úgy vélik, hogy amikor az általános relativitáselméletet először bemutatták, az emberek elgondolkodtak a relativitáselmélet következményei szempontjából más elméletekben, amelyeket az univerzum megértésében használtak. A történészek szerint az 1960-as évek elején a relativitáselméletnek hitelt kellett volna kapnia ahhoz, hogy közvetlenül kapcsolatban álljon az univerzum viselkedésével, és már nincs szükség más elméletre. Ez alapozta meg azt a hitet, hogy a gravitációs hullámoknak, amelyek ennek az elméletnek a természetes következményei, valamilyen fizikai megnyilvánulásnak kell lenniük.
Ehhez a megértéshez egy olyan modell létrehozásához is szükség volt, amely lehetővé tenné számunkra, hogy beszéljünk arról, hogy a gravitációs hullámoknak hogyan kell kinézniük, az azokat generáló események alapján. És képesek voltunk elválasztani a valódi eseményeket a zajtól, mihelyt rendelkeztünk egy olyan detektorral, mint például a LIGO, amely elég érzékeny volt az észlelésre.
Ez a 40 éves folyamat nem felel meg teljesen azoknak a forradalmaknak, amelyekről Kuhn beszél. Nem volt válság, és nem volt az őrült kutatás ideje abban a pillanatban, amikor az emberek új elméletet próbáltak kidolgozni, amely megoldhatja a tarthatatlan elődjére jellemző nyilvánvaló ellentmondásokat. Ezek a történészek azonban úgy vélik, hogy van egy dolog, amelyben Kuhnnak igaza volt: azoknak az embereknek, akik mélyen belemerülnek a relativista világba, alapvetően ellentétes a véleményük az univerzumról, és nekik nehéz lesz megosztani véleményüket azokkal, akik a newtoni világban élnek.
Kuhn ezt a problémát alapvetően nyelvi problémának tekintette; a régi kifejezések új jelentést szereznek egy új paradigmában. Úgy tűnik azonban, hogy a fenti történészek úgy vélik, hogy az ilyen perspektíva változásai bármilyen tudományos haladáshoz szükségesek. Mindaddig, amíg az emberek nem léphetnek be egy új elmélet valóságába, és nem tudják értékelni annak összes következményét, nehezen lesznek képesek kellően megérteni annak jelentését és előrejelzéseket tenni - és a nyelvváltozás csak melléktermék.
John Timmer