Теорията на относителността промени всичко, но това отне съответно количество време.
Откриването на гравитационни вълни от лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова лаборатория LIGO се случи точно сто години след като Айнщайн формулира общата си теория на относителността в статия, където математически е описана възможността за съществуване на гравитационни вълни. Или поне това е историята, която беше представена на обществеността (включително и твоята наистина). И в някои отношения това е дори вярно.
Реалността обаче как относителността прогресира до точката, в която хората разпознаха, че гравитационните вълни изглежда съществуват и че могат да бъдат открити, се оказаха значително по-сложни от описаното по-горе. В тази седмица Nature Astronomy, група историци на науката предоставят всички подробности за това как пътувахме от зората на относителността до лабораторията LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave. И в процеса историците показват, че идеите за научните революции, водещи до неочаквани и радикални промени, понякога могат да се окажат несъстоятелни.
Промени ли се вашата парадигма?
Популярната концепция за научна революция (доколкото тя съществува) беше разяснена от Томас Кун. Кун описа процеса, чрез който данните постепенно придвижват съществуваща теория към криза, позволявайки на почти всички да видят, че тя вече не работи. След период на криза настъпва революция и се появява нова теория. Способността на теорията да разрешава всички проблеми, които ускориха настъпването на кризата, бързо печели подкрепа и започва нов период на науката, основан на теорията или „на базата на парадигма“, както го заявява Кун.
На определено ниво всичко това напълно се вписва в историята на относителността. Предложенията на Айнщайн наистина създадоха нова парадигма на извито пространство-време и те решиха множество проблеми с гравитацията на Нютон, а също така бързо получиха експериментално потвърждение и бяха приети. Но по-малко от година по-късно Айнщайн публикува документ, който използва нова парадигма за генерирането на гравитационни вълни. Статията се оказа грешна, но след няколко години той публикува преработена версия. Тази революция, която бележи началото на периода на откритие, е завършена един век по-късно.
Въпреки това, споменатите историци - Александър Блум, Роберто Лали и Юрген Рен - искаха да се справят старателно с този парад за смяна на парадигмата. И те правят това, като се фокусират върху последиците от формулирането на Айнщайн за обща относителност.
Промоционално видео:
(Трябва да се отбележи, че този подход също не подкрепя модела на революцията на Кун. Хората работеха добре в рамките на концепцията на Нютон, дори след като проблемите му станаха очевидни, а също така нямаше очевиден кризисен период, дори след като Айнщайн формулира теорията си за обща относителност В някои отношения общата относителност решава само проблема, който самият Айнщайн създава, когато предлага специална относителност).
Правете вълни
Като начало трябва да се каже, че гравитационните вълни не са възникнали директно от факта, че Айнщайн работи върху тях. Очевидно Айнщайн не е мислил сериозно за съществуването им, докато Карл Шварцшилд и радиусната му слава не го тласкаха да го направи. В първата му статия по темата възникна грешка и коригираната версия работи само ако вълните се разпространяват вътре в цилиндъра. Докато тази статия дава основа за твърденията, че именно Айнщайн е предсказал съществуването на гравитационни вълни, това несъмнено е приблизително решение в опростена среда.
И тук Айнщайн остави този проблем зад себе си. Фокусът му се измества и той се опитва да комбинира своята версия на гравитацията с електромагнетизма. Не много хора бяха готови да се справят с този въпрос по времето, когато квантовата механика набираше позиции, а Първата световна война нарушава работата на научната общност и насочва вниманието на нейните членове към приложна физика. Според тези историци на науката голяма част от работата в областта на теорията на относителността, която е била извършена през този период, е фокусирана върху превеждането на съществуващи и добре описани физически системи от езика на Нютоновата механика в езика на теорията на относителността. Много по-малко внимание се обръща на опитите да се определи какви уникални възможности за разбиране на Вселената се предоставя от теорията на относителността.
Липсата на дълбока памет за това какво означава относителността се усложнява от проблеми като математическите грешки на Айнщайн. Когато в математиката се появиха такива абсурдни понятия като сингулярност, не беше ясно какво се опитват да ни кажат по този начин. Имат ли реално подобни абстракции? Може ли друг математически подход да предложи по-интелигентно решение? Или теорията на относителността е ограничена в това, което може да обясни успешно? При липса на дълбоко разбиране на тази теория вероятно ще е трудно да се каже коя от следните опции е най-вероятна.
Тъй като гравитационните вълни могат да излязат от правилното уравнение, имаше малък интерес да се определи дали тяхното съществуване е необходимо, а още по-малко интерес беше във въпроса как можем да ги уловим.
пробив
Но как тази зона успя да избухне от застоя? През 50-те години физиката получава голяма подкрепа от държавата заради успехите си по време на войната и в резултат на това изследователската общност нараства. Освен това ставаше ясно, че ще са необходими гравитационни ефекти, за да разберем нашия разширяващ се корпус от данни, описващи Вселената и нейната еволюция.
Общността на относителността получи подкрепа от нарастващата интернационализация на науката и се организират ежегодни конференции по целия спектър от теми в тази област. Тази по-широка общност стигна до консенсус, че останалите физически въпроси относно теорията на относителността трябва да бъдат разгледани, ако всяка отделна група изследователи иска да има увереност в работата, която върши. Решаването на проблемите, свързани с теорията на относителността, също се смяташе за предпоставка за интегрирането й с квантовата механика и много от тях бяха заинтересовани да работят по този проблем.
Съществуването на гравитационни вълни беше един от тези проблеми и затова те започнаха да привличат вниманието. Ключовият пробив дойде на конференция, на която изследователи (включително Ричард Фейнман) успяха да разберат как енергията, съдържаща се в гравитационните вълни, може да се обменя с по-добре разбрани форми на енергия в останалата част на Вселената. Друг изследовател успя да направи математическо описание на електромагнитните вълни и след това да го модифицира, за да опише гравитационните вълни. Получените математически структури станаха основа за разбиране, че гравитационните вълни са трептения в пространството-времето и тази гледна точка се запазва и до днес.
въстание
Всичко това, както и напредъкът в други области на теорията на относителността, създадоха солидна теоретична основа. Блум, Лали и Рен смятат, че по времето, когато общата относителност е била представена за първи път, хората са мислили по отношение на последиците от относителността за други теории, които са използвали за разбиране на Вселената. Според историците до началото на 60-те години на теорията на относителността е трябвало да се даде заслуга, че е пряко свързана с поведението на Вселената и вече не е необходима друга теория. Това създаде основа за убеждението, че гравитационните вълни, бидейки естествено следствие от тази теория, трябва да имат някакво физическо проявление.
Това разбиране беше необходимо и за създаването на модел, който да ни позволи да говорим за това как трябва да изглеждат гравитационните вълни въз основа на събитията, които са ги породили. И успяхме да отделим реалните събития от шума, веднага щом разполагахме с детектор като LIGO с достатъчно чувствителност, за да ги открием.
Този 40-годишен процес не съвпада добре с революциите, за които говори Кун. Не е имало криза и не е имало период на неистови изследвания в момента, в който хората са се опитвали да разработят нова теория, която да разреши очевидните противоречия, характерни за нейния неустойчив предшественик. Тези историци обаче смятат, че има едно нещо, за което Кун е имал право: онези хора, които са дълбоко потопени в релативистичния свят, имат коренно противоположен възглед за вселената и ще им бъде трудно да споделят възгледите си с тези, които живеят в нютонския свят.
Кун разглежда този проблем като основно езиков проблем; старите термини придобиват нови значения в нова парадигма. Горните историци обаче смятат, че подобни промени в перспективата са необходими за всякакъв вид научен прогрес. Докато хората могат да влязат в реалността на една нова теория и да оценят всички нейни последици, ще им бъде трудно да разберат в достатъчна степен нейното значение и да направят прогнози - а промените в езика са просто страничен продукт.
Джон Тимър