Relativitātes teorija mainīja visu, bet tas prasīja atbilstošu laiku.
Gravitācijas viļņu noteikšana ar lāzera interferometriskās gravitācijas viļņu laboratorijas LIGO palīdzību notika tieši simts gadus pēc tam, kad Einšteins formulēja savu vispārējo relativitātes teoriju rakstā, kur matemātiski tika aprakstīta gravitācijas viļņu pastāvēšanas iespēja. Vai vismaz tas ir stāsts, kas tika prezentēts sabiedrībai (arī patiesi jūsu). Un dažos aspektos tas pat atbilst realitātei.
Tomēr realitāte, kā relativitāte progresēja līdz vietai, kad cilvēki atzina, ka gravitācijas viļņi patiešām pastāv un ka tos var atklāt, izrādījās ievērojami sarežģītāka nekā iepriekš aprakstītais stāstījums. Šīs nedēļas Dabas astronomijas zinātņu vēsturnieku grupa sniedz visu informāciju par to, kā mēs devāmies no relativitātes rītausmas uz LIGO lāzera interferometrisko gravitācijas viļņu laboratoriju. Šajā procesā vēsturnieki parāda, ka idejas par zinātniskām revolūcijām, kas izraisa negaidītas un radikālas pārmaiņas, dažreiz var izrādīties neizturamas.
Vai jūsu paradigma ir mainījusies?
Tautas zinātniskās revolūcijas jēdzienu (ciktāl tāds pastāv) izskaidroja Tomass Kuhns. Kuhns aprakstīja procesu, kurā dati pamazām virzās uz esošo krīzes teoriju, ļaujot gandrīz visiem redzēt, ka tā vairs nedarbojas. Pēc krīzes perioda notiek revolūcija un parādās jauna teorija. Teorijas spēja atrisināt visas problēmas, kas izraisīja krīzes sākšanos, ātri iegūst atbalstu, un sākas jauns zinātnes periods, kas balstās uz teoriju vai "balstās uz paradigmu", kā to saka Kuhns.
Noteiktā līmenī tas viss lieliski saskan ar relativitātes vēsturi. Einšteina priekšlikumi patiešām radīja jaunu izliekta telpas-laika paradigmu, un tie atrisināja daudzas Ņūtona gravitācijas problēmas, kā arī ātri saņēma eksperimentālu apstiprinājumu un tika pieņemti. Bet mazāk nekā gadu vēlāk Einšteins publicēja rakstu, kurā tika izmantota jauna paradigma gravitācijas viļņu ģenerēšanai. Raksts izrādījās nepareizs, bet pēc dažiem gadiem viņš publicēja pārskatītu versiju. Šī revolūcija, kas iezīmēja atklāšanas perioda sākumu, tika pabeigta gadsimtu vēlāk.
Tomēr pieminētie vēsturnieki - Aleksandrs Blūms, Roberto Lalli un Jirgens Renns - vēlējās pamatīgi risināt šo paradigmas maiņas gājienu. Viņi to dara, koncentrējoties uz Einšteina vispārējās relativitātes formulējuma sekām.
Reklāmas video:
(Jāatzīmē, ka šī pieeja neatbalsta arī Kuhna revolūcijas modeli. Cilvēki labi darbojās Ņūtona koncepcijas ietvaros pat pēc tam, kad parādījās tās problēmas, un nebija arī acīmredzams krīzes periods pat pēc tam, kad Einšteins formulēja savu vispārējās relativitātes teoriju. Dažos aspektos vispārējā relativitāte tikai atrisināja problēmu, kuru pats Einšteins radīja, ierosinot īpašu relativitāti).
Izveidojiet viļņus
Par starteri jāsaka, ka gravitācijas viļņi neradās tieši no tā, ka Einšteins strādāja pie tiem. Acīmredzot Einšteins patiesībā nedomāja par viņu eksistenci ļoti nopietni, līdz Kārlis Švarcšilds un viņa rādiusa slava viņu piespieda to darīt. Viņa pirmajā rakstā par tēmu bija kļūda, un labotā versija darbojās tikai tad, ja viļņi izplatījās cilindra iekšpusē. Lai arī šis raksts sniedz pamatu apgalvojumiem, ka tieši Einšteins paredzēja gravitācijas viļņu esamību, tas neapšaubāmi bija aptuvens risinājums vienkāršotā vidē.
Un tieši šeit Einšteins atstāja šo problēmu aiz muguras. Viņa fokuss mainās, un viņš mēģina apvienot savu gravitācijas versiju ar elektromagnētismu. Ne daudzi cilvēki bija gatavi risināt šo jautājumu laikā, kad kvantu mehānika sāka attīstīties, un Pirmais pasaules karš izjauca zinātniskās sabiedrības darbu un pievērsa tās dalībnieku uzmanību lietišķajai fizikai. Pēc šo zinātnes vēsturnieku domām, liela daļa relativitātes teorijas darbu, kas tika veikts šajā periodā, bija vērsta uz esošo un labi aprakstīto fizisko sistēmu tulkošanu no Ņūtona mehānikas valodas uz relativitātes teorijas valodu. Daudz mazāk uzmanības ir pievērsts mēģinājumiem noteikt, kādas unikālas iespējas izprast Visumu sniedz relativitātes teorija.
Dziļās atmiņas par to, ko nozīmē relativitāte, trūkumu sarežģīja tādas problēmas kā Einšteina matemātiskās kļūdas. Kad matemātikā parādījās tādi absurdi jēdzieni kā singularitāte, nebija skaidrs, ko viņi mēģina mums pateikt šādā veidā. Vai šādām abstrakcijām ir kāds pamats patiesībā? Vai cita matemātiska pieeja varētu piedāvāt viedāku risinājumu? Vai arī relativitātes teorija ir ierobežota tajā, ko tā var veiksmīgi izskaidrot? Ja nav dziļas izpratnes par šo teoriju, droši vien būs grūti pateikt, kura no šīm iespējām ir visticamākā.
Tā kā gravitācijas viļņi var rasties no pareizā vienādojuma, nebija lielas intereses noteikt, vai to esamība ir nepieciešama, un vēl mazāk interese bija par jautājumu, kā mēs tos varam uztvert.
Izrāviens
Bet kā šai teritorijai izdevās izlauzties no stagnācijas? Piecdesmitajos gados fizika no valsts saņēma lielu atbalstu, pateicoties tās panākumiem kara laikā, un tā rezultātā pētniecības kopiena pieauga. Turklāt kļuva skaidrs, ka gravitācijas efekti būs nepieciešami, lai izprastu mūsu paplašinošo datu kopumu, kas apraksta Visumu un tā attīstību.
Relativitātes kopiena ir saņēmusi atbalstu no arvien pieaugošās zinātnes internacionalizācijas, un ir organizētas ikgadējas konferences par visu šīs jomas tēmu klāstu. Šī plašākā sabiedrība ir panākusi vienošanos, ka ir jārisina atlikušie fizikālie jautājumi par relativitātes teoriju, ja katra pētnieku grupa vēlas paļauties uz savu darbu. Par priekšnoteikumu tās integrēšanai kvantu mehānikā tika uzskatīts arī par relativitātes teorijas problēmu risināšanu, un daudzi bija ieinteresēti strādāt pie šīs problēmas.
Gravitācijas viļņu esamība bija viena no šīm problēmām, un tāpēc viņi sāka piesaistīt uzmanību. Galvenais sasniegums notika konferencē, kurā pētnieki (ieskaitot Ričardu Feinmanu) varēja saprast, kā gravitācijas viļņos esošo enerģiju var apmainīt ar labāk saprotamām enerģijas formām pārējā Visumā. Cits pētnieks spēja veikt matemātisku elektromagnētisko viļņu aprakstu un pēc tam to modificēt, lai aprakstītu gravitācijas viļņus. Iegūtās matemātiskās struktūras kļuva par pamatu izpratnei par to, ka gravitācijas viļņi ir svārstības telpā-laikā, un līdzīgs viedoklis saglabājas arī līdz šim brīdim.
Sacelšanās
Tas viss, kā arī progress citās relativitātes teorijas jomās ir radījis stabilu teorētisko pamatu. Blūms, Lāls un Renns uzskata, ka, pirmo reizi iepazīstinot ar vispārējo relativitāti, cilvēki domāja par relativitātes sekām citām teorijām, kuras viņi izmantoja, lai saprastu Visumu. Pēc vēsturnieku domām, līdz 1960. gadu sākumam relativitātes teorijai vajadzēja pievērst uzmanību tam, ka tā ir tieši saistīta ar Visuma izturēšanos, un cita teorija vairs nebija vajadzīga. Tas radīja pamatu uzskatam, ka gravitācijas viļņiem, kas ir šīs teorijas dabiskas sekas, ir jābūt kaut kādām fiziskām izpausmēm.
Šī izpratne bija nepieciešama arī, lai izveidotu modeli, kas ļautu mums runāt par to, kādai vajadzētu izskatīties gravitācijas viļņiem, pamatojoties uz notikumiem, kas tos ģenerēja. Un mēs varējām nodalīt reālus notikumus no trokšņa, tiklīdz mums bija tāds detektors kā LIGO ar pietiekamu jutīgumu, lai tos atklātu.
Šis 40 gadu process ne tuvu neatbilst revolūcijām, par kurām runā Kuhns. Nebija krīzes, un tajā laikā nebija izmisīgu pētījumu perioda, kad cilvēki mēģināja izstrādāt jaunu teoriju, kas varētu atrisināt acīmredzamās pretrunas, kas raksturīgas tā neveiksmīgajam priekšgājējam. Tomēr šie vēsturnieki uzskata, ka ir viena lieta, par kuru Kuhnam bija taisnība: tiem cilvēkiem, kuri ir dziļi iegrimuši relativistiskajā pasaulē, ir principiāli pretējs uzskats par Visumu, un viņiem būs grūti dalīties savos uzskatos ar tiem, kuri dzīvo Ņūtona pasaulē.
Kuhns šo problēmu uzskatīja par būtībā valodas problēmu; vecie termini iegūst jaunas nozīmes jaunā paradigmā. Tomēr šķiet, ka iepriekš minētie vēsturnieki uzskata, ka šādas perspektīvas izmaiņas ir vajadzīgas jebkura veida zinātnes progresam. Kamēr cilvēki nevar ienākt jaunas teorijas realitātē un novērtēt visas tās sekas, viņiem būs grūti pietiekami aptvert tās nozīmi un izteikt prognozes - un valodas izmaiņas ir tikai blakusprodukts.
Džons Timmers