Teorija relativnosti promijenila je sve, ali bilo joj je potrebno odgovarajuće vrijeme.
Otkrivanje gravitacijskih valova laboratorijskim laserskim interferometrijskim gravitacijskim valovima LIGO dogodilo se točno stotinu godina nakon što je Einstein formulirao svoju opću teoriju relativnosti u članku u kojem je matematički opisana mogućnost postojanja gravitacijskih valova. Ili je barem to priča koja je predstavljena javnosti (uključujući i vašu uistinu). A u nekim aspektima to čak i odgovara stvarnosti.
Međutim, stvarnost kako je relativnost napredovala do točke u kojoj su ljudi prepoznali da gravitacijski valovi kao da postoje i da ih je moguće detektirati, pokazala se mnogo složenijom od gore opisane pripovijesti. U ovotjednoj Nature Astronomy, skupina povjesničara znanosti daje sve detalje o tome kako smo putovali od zore relativnosti do LIGO laserskog interferometrijskog laboratorija gravitacijskog vala. I u tom procesu povjesničari pokazuju da ideje o znanstvenim revolucijama koje vode neočekivanim i radikalnim pomacima ponekad mogu ispasti neodržive.
Je li se promijenila vaša paradigma?
Thomas Kuhn objasnio je popularni koncept znanstvene revolucije (ukoliko postoji). Kuhn je opisao postupak kojim podaci postupno kreću postojeću teoriju prema krizi, omogućujući gotovo svima da vide da to više ne djeluje. Nakon razdoblja krize dolazi do revolucije i pojavljuje se nova teorija. Sposobnost teorije da riješi sve probleme koji su potaknuli početak krize brzo dobiva potporu i započinje novo razdoblje znanosti, temeljeno na teoriji ili "temeljeno na paradigmi", kako Kuhn kaže.
Na određenoj razini to se savršeno uklapa u povijest relativnosti. Einsteinovi prijedlozi doista su stvorili novu paradigmu zakrivljenog svemira i oni su riješili mnoge probleme Newtonove gravitacije, a također su brzo dobili eksperimentalnu potvrdu i bili su prihvaćeni. No manje od godinu dana kasnije, Einstein je objavio članak koji je koristio novu paradigmu za stvaranje gravitacijskih valova. Članak se pokazao pogrešnim, ali nakon nekoliko godina objavio je revidiranu verziju. Ova revolucija, koja je označila početak razdoblja otkrića, dovršena je stoljeće kasnije.
Međutim, spomenuti povjesničari - Alexander Blum, Roberto Lalli i Jürgen Renn - željeli su temeljito riješiti ovu paradu promjene paradigme. A to čine usredotočujući se na implikacije Einsteinove formulacije opće relativnosti.
Promotivni video:
(Treba napomenuti da i ovaj pristup ne podržava Kuhnov model revolucije. Ljudi su dobro radili u okviru Newtonove koncepcije čak i nakon što su njegovi problemi postali očigledni, a također nije bilo očiglednog kriznog razdoblja čak i nakon što je Einstein formulirao svoju teoriju opće relativnosti U nekim je aspektima opća relativnost samo riješila problem koji je sam Einstein stvorio kad je predložio posebnu relativnost).
Napravite valove
Za početak treba reći da gravitacijski valovi nisu nastali izravno iz činjenice da je Einstein radio na njima. Očigledno, Einstein nije ozbiljno razmišljao o njihovom postojanju sve dok ga Karl Schwarzschild i njegova radijusova slava nisu potaknuli na to. U njegovom prvom članku o ovoj temi došlo je do pogreške, a ispravljena verzija funkcionirala je samo ako se valovi šire u cilindru. Iako je ovaj članak osnova za tvrdnje da je Einstein predvidio postojanje gravitacijskih valova, to je nesumnjivo bilo približno rješenje u pojednostavljenom okruženju.
I ovdje je Einstein ovaj problem ostavio za sobom. Fokus mu se mijenja, a on pokušava kombinirati svoju verziju gravitacije s elektromagnetizmom. Nisu mnogi ljudi bili spremni baviti se tim problemom u vrijeme kada je kvantna mehanika sve više dobivala na površini, a Prvi svjetski rat poremetio je rad znanstvene zajednice i skrenuo pozornost svojih članova na primijenjenu fiziku. Prema ovim povjesničarima znanosti, velik dio rada na polju teorije relativnosti koji je proveden u ovom razdoblju bio je usmjeren na prevođenje postojećih i dobro opisanih fizičkih sustava iz jezika newtonske mehanike u jezik teorije relativnosti. Znatno manje pažnje posvećeno je pokušajima da se utvrdi koje jedinstvene mogućnosti razumijevanja svemira pruža teorija relativnosti.
Manjak dubokog sjećanja na to što znači relativnost bio je složen s problemima poput Einsteinove matematičke pogreške. Kad su se takvi apsurdni pojmovi poput singularnosti pojavili u matematici, nije bilo jasno što su nam pokušali reći na ovaj način. Postoje li takve apstrakcije u stvarnosti? Može li drugi matematički pristup ponuditi pametnije rješenje? Ili je teorija relativnosti ograničena u onome što se može uspješno objasniti? U nedostatku dubokog razumijevanja ove teorije, vjerojatno će biti teško reći koja je od sljedećih opcija najvjerojatnija.
Budući da gravitacijski valovi mogu nastati iz ispravne jednadžbe, malo je bilo interesa za utvrđivanje je li njihovo postojanje neophodno, a još manje interesa bilo je pitanje kako ih možemo uhvatiti.
Proboj
Ali kako je to područje uspjelo izbiti iz stagnacije? Pedesetih godina prošlog stoljeća fizika je dobila veliku potporu države zbog svojih uspjeha tijekom rata, a kao rezultat toga, istraživačka zajednica je rasla. Pored toga, postajalo je jasno da će gravitacijski efekti biti potrebni kako bismo razumjeli naš širi korpus podataka koji opisuju svemir i njegovu evoluciju.
Zajednica relativnosti dobila je podršku od rastuće internacionalizacije znanosti, a godišnje konferencije organiziraju se o čitavom rasponu tema iz ovog područja. Ova šira zajednica postigla je konsenzus da preostala fizička pitanja o teoriji relativnosti moraju biti riješena ako svaka pojedina skupina istraživača želi imati povjerenja u posao koji rade. Rješavanje problema povezanih s teorijom relativnosti također se smatralo preduvjetom da se ona integrira u kvantnu mehaniku, a mnogi su bili zainteresirani za rad na ovom problemu.
Postojanje gravitacijskih valova bio je jedan od tih problema i zato su počeli privlačiti pažnju. Do ključnog otkrića došlo je na konferenciji na kojoj su istraživači (uključujući Richard Feynman) bili u stanju razumjeti kako se energija sadržana u gravitacijskim valovima može razmjenjivati s bolje razumljivim oblicima energije u ostatku svemira. Drugi je istraživač uspio napraviti matematički opis elektromagnetskih valova, a zatim ga modificirati kako bi opisao gravitacijske valove. Nastale matematičke strukture postale su osnova za razumijevanje da su gravitacijski valovi oscilacije u prostoru-vremenu, a ovo gledište traje i do današnjeg vremena.
Ustanak
Sve to, kao i napredak u ostalim područjima teorije relativnosti, stvorili su čvrste teorijske temelje. Bloom, Lally i Rennes vjeruju da su, u vrijeme kada je generalna relativnost prvi put predstavljena, ljudi razmišljali u smislu implikacija relativnosti za druge teorije koje su koristile za razumijevanje svemira. Prema povjesničarima, do ranih 1960-ih teorija relativiteta trebala je dobiti zaslugu da je izravno povezana s ponašanjem svemira i više nije bila potrebna druga teorija. To je stvorilo osnovu za uvjerenje da gravitacijski valovi, kao prirodna posljedica ove teorije, moraju imati neku vrstu fizičke manifestacije.
Ovo je razumijevanje bilo potrebno i za stvaranje modela koji će nam omogućiti da razgovaramo o tome kako bi trebali izgledati gravitacijski valovi na temelju događaja koji su ih stvorili. I uspjeli smo odvojiti stvarne događaje od buke čim smo imali detektor poput LIGO-a s dovoljno osjetljivosti da ih otkrijemo.
Ovaj 40-godišnji postupak se ne uklapa u revolucije o kojima Kuhn govori. Nije bilo krize, niti je bilo razdora nepristojnog istraživanja u trenutku kada su ljudi pokušali razviti novu teoriju koja bi mogla razriješiti očite suprotnosti karakteristične za njezinog nepodnošljivog prethodnika. Međutim, ovi povjesničari vjeruju da postoji jedna stvar oko koje je Kuhn bio u pravu: oni ljudi koji su duboko uronjeni u relativistički svijet imaju bitno suprotan pogled na svemir, pa će im biti teško podijeliti svoje poglede s onima koji žive u newtonskom svijetu.
Kuhn je ovaj problem shvatio kao jezični problem; stari izrazi stječu nova značenja u novoj paradigmi. Međutim, čini se da gornji povjesničari vjeruju da su takve promjene u perspektivi potrebne za bilo kakav znanstveni napredak. Dok ljudi ne mogu ući u stvarnost nove teorije i procijeniti sve njezine posljedice, bit će im teško da dovoljno shvate njezino značenje i naprave predviđanja - a promjene na jeziku samo su nusproizvod.
John Timmer