Relatiivsusteooria muutis kõike, kuid selleks kulus sama palju aega.
Gravitatsiooniliste lainete tuvastamine laserinterferomeetrilises gravitatsioonilainete laboris LIGO leidis aset täpselt sada aastat pärast seda, kui Einstein sõnastas oma üldise relatiivsusteooria artiklis, kus kirjeldati matemaatiliselt gravitatsioonilainete olemasolu võimalust. Või vähemalt see on lugu, mida avalikkusele (sealhulgas ka teie enda jaoks) tutvustati. Ja mõnes mõttes vastab see isegi tegelikkusele.
Kuid see, kuidas relatiivsus on arenenud punktini, kus inimesed on mõistnud, et gravitatsioonilained näivad eksisteerivat ja neid saab tuvastada, osutus aga palju keerukamaks kui ülalkirjeldatud narratiiv. Selle nädala loodusastronoomias pakub rühm teadusajaloolasi kõiki üksikasju selle kohta, kuidas me liikusime relatiivsustegevuse algusest LIGO laserinterferomeetrilise gravitatsioonilise laine laborisse. Ja selle käigus näitavad ajaloolased, et ideed teaduslikest revolutsioonidest, mis põhjustavad ootamatuid ja radikaalseid nihkeid, võivad mõnikord osutuda talumatuks.
Kas teie paradigma on muutunud?
Populaarset teadusrevolutsiooni kontseptsiooni (niivõrd kui see eksisteerib) selgitas Thomas Kuhn. Kuhn kirjeldas protsessi, mille käigus andmed viivad olemasoleva teooria järk-järgult kriisi poole, võimaldades peaaegu kõigil näha, et see enam ei toimi. Pärast kriisiperioodi toimub revolutsioon ja ilmub uus teooria. Teooria võime lahendada kõik kriisi algust soodustanud probleemid saab kiiresti tuge ja algab uus teaduse periood, mis põhineb teoorial või "põhineb paradigmal", nagu Kuhn ütleb.
Teatud tasemel sobib see kõik ideaalselt relatiivsusteooriaga. Einsteini ettepanekud lõid tõepoolest uue kõverate kosmoseaegade paradigma ning lahendasid Newtoni raskuse paljusid probleeme ning said kiiresti ka katselise kinnituse ja võeti vastu. Kuid vähem kui aasta hiljem avaldas Einstein paberi, milles kasutati gravitatsioonilainete tekitamiseks uut paradigmat. Artikkel osutus valeks, kuid mõne aasta pärast avaldas ta muudetud versiooni. See revolutsioon, mis tähistas avastusperioodi algust, viidi lõpule sajand hiljem.
Mainitud ajaloolased - Alexander Blum, Roberto Lalli ja Jürgen Renn - soovisid selle paradigma muutuste paraadiga siiski põhjalikult tegeleda. Ja nad teevad seda, keskendudes Einsteini üldrelatiivsusteooria sõnastuse tagajärgedele.
Reklaamvideo:
(Tuleb märkida, et see lähenemisviis ei toeta ka Kuhni revolutsioonimudelit. Inimesed töötasid Newtoni kontseptsiooni raames hästi isegi pärast selle probleemide ilmnemist ja ilmset kriisiperioodi polnud ka pärast seda, kui Einstein sõnastas oma üldrelatiivsusteooria. Mõnes mõttes lahendas üldrelatiivsusteooria ainult probleemi, mille Einstein ise tekitas, kui ta tegi ettepaneku erirelatiivsuse kohta).
Tehke laineid
Alustuseks tuleb öelda, et gravitatsioonilained ei tekkinud otseselt sellest, et Einstein töötas nende kallal. Ilmselt ei mõelnud Einstein nende olemasolust väga tõsiselt, kuni Karl Schwarzschild ja tema raadiuse kuulsus teda selleks sundisid. Tema esimeses selleteemalises artiklis oli viga ja parandatud versioon töötas ainult siis, kui lained levisid silindri sees. Kuigi see artikkel annab aluse väidetele, et just Einstein ennustas gravitatsiooniliste lainete olemasolu, oli see kahtlemata ligikaudne lahendus lihtsustatud keskkonnas.
Ja just siin jättis Einstein selle probleemi taha. Tema fookus nihkub ja ta proovib ühendada oma gravitatsiooni versiooni elektromagnetilisusega. Ajal, mil kvantmehaanika oli üha enam levinud, polnud paljud inimesed valmis selle teemaga tegelema ning Esimene maailmasõda häiris teadusringkondade tööd ja pööras selle liikmete tähelepanu rakendusfüüsikale. Nende teadusajaloolaste sõnul keskendus suur osa sel perioodil relatiivsusteooria valdkonnas tehtud tööst olemasolevate ja hästi kirjeldatud füüsiliste süsteemide tõlkimisele Newtoni mehaanika keelest relatiivsusteooria keelele. Palju vähem tähelepanu on pööratud katsetele kindlaks teha, milliseid ainulaadseid võimalusi universumi mõistmiseks pakub relatiivsusteooria.
Sügava mälu puudumine selle kohta, mida suhtelisus tähendab, on veelgi raskendatud selliste probleemidega nagu Einsteini matemaatilised vead. Kui matemaatikas ilmnesid sellised absurdsed mõisted nagu singulaarsus, polnud selge, mida nad meile sel viisil öelda üritavad. Kas sellistel abstraktsioonidel on tegelikkuses mingit alust? Kas mõni teine matemaatiline lähenemine võiks pakkuda nutikamat lahendust? Või on relatiivsusteooria piiratud sellega, mida sellega saab edukalt seletada? Selle teooria sügava mõistmise puudumisel on tõenäoliselt raske öelda, milline järgmistest variantidest on kõige tõenäolisem.
Kuna gravitatsioonilained võivad õigest võrrandist väljuda, tundis huvi nende olemasolu vajalikkuse kindlakstegemise vastu vähe huvi ja veelgi vähem huvitas küsimus, kuidas neid tabada.
Läbimurre
Kuid kuidas see piirkond suutis stagnatsioonist välja murda? 1950ndatel sai füüsika riigilt oma sõja ajal tehtud edusammude tõttu palju tuge ja selle tulemusel kasvas teadlaskond. Lisaks sai selgeks, et meie laieneva andmete kogumi, mis kirjeldab universumit ja selle arengut, mõistmiseks on vaja gravitatsioonilist mõju.
Relatiivsusteooria kogukond on saanud tuge teaduse kasvavast rahvusvahelistumisest ning selle ala kõigil teemadel on korraldatud iga-aastaseid konverentse. See laiem üldsus on jõudnud üksmeelele, et relatiivsusteooria osas allesjäänud füüsiliste küsimustega tuleb tegeleda, kui iga üksik teadlaste rühm soovib oma töös uskuda. Relatiivsusteooriaga seotud probleemide lahendamist peeti ka selle kvantmehaanikaga integreerimise eeltingimuseks ja paljud olid huvitatud selle probleemiga tegelemisest.
Gravitatsioonilainete olemasolu oli üks neist probleemidest ja seetõttu hakkasid nad tähelepanu köitma. Oluline läbimurre toimus konverentsil, kus teadlased (sealhulgas Richard Feynman) suutsid mõista, kuidas gravitatsioonilainetes sisalduvat energiat saab vahetada paremini mõistetavate energiavormide suhtes ülejäänud universumis. Teine teadlane suutis teha elektromagnetiliste lainete matemaatilise kirjelduse ja seejärel seda muuta, et kirjeldada gravitatsioonilisi laineid. Saadud matemaatilistest struktuuridest sai alus mõistmaks, et gravitatsioonilised lained on ruumis ajas võnkumised ja see vaatepunkt püsib praeguse ajani.
Ülestõus
Kõik see, nagu ka edasiminek relatiivsusteooria teistes valdkondades, on loonud tugeva teoreetilise aluse. Bloom, Lally ja Rennes usuvad, et üldrelatiivsusteooria esmakordsel tutvustamisel mõtlesid inimesed relatiivsusteooria tagajärgedele teistele teooriatele, mida nad universumi mõistmiseks kasutasid. Ajaloolaste sõnul oleks 1960. aastate alguseks tulnud relatiivsusteooriale anda tunnustust selle eest, et see oli otseselt seotud universumi käitumisega, ja muud teooriat polnud enam vaja. See lõi aluse veendumusele, et gravitatsioonilainetel, mis on selle teooria loomulik tagajärg, peab olema mingisugune füüsiline ilming.
See arusaam oli vajalik ka selleks, et luua mudel, mis võimaldaks neil sündinud sündmuste põhjal rääkida sellest, millised peaksid olema gravitatsioonilained. Ja suutsime tegelikud sündmused mürast eraldada kohe, kui meil oli detektor nagu LIGO, millel oli nende tuvastamiseks piisav tundlikkus.
See 40-aastane protsess ei sobi hästi revolutsioonidega, millest Kuhn räägib. Kriisi ei olnud ega olnud ka meeletu uurimistöö perioodi, mil inimesed üritasid välja töötada uut teooriat, mis suudaks lahendada selle talumatule eelkäijale iseloomulikud ilmsed vastuolud. Need ajaloolased usuvad siiski, et on üks asi, milles Kuhnil oli õigus: neil inimestel, kes on sügavalt sukeldunud relativistlikku maailma, on põhimõtteliselt vastupidine vaade universumile ja neil on raske jagada oma vaateid Newtoni maailmas elavate inimestega.
Kuhn pidas seda probleemi sisuliselt keeleprobleemiks; vanad terminid omandavad uues paradigmas uusi tähendusi. Ülaltoodud ajaloolased näivad siiski uskuvat, et sellised vaatenurga muutused on igasuguse teaduse arengu jaoks vajalikud. Kuni inimesed saavad siseneda uue teooria reaalsusesse ja mõista kõiki selle mõjusid, on neil keeruline selle tähendusest piisavalt aru saada ja prognoose teha - ning keelemuutused on vaid kõrvalsaadus.
John Timmer
