Suhteellisuusteoria muutti kaiken, mutta kesti vastaavan paljon aikaa.
Gravitaatioaaltojen havaitseminen laserinterferometrisessä gravitaatioaaltolaboratoriossa LIGO tapahtui tarkalleen sadan vuoden kuluttua siitä, kun Einstein muotoili yleisen suhteellisuusteoriansa artikkelissa, jossa kuvattiin matemaattisesti gravitaatioaaltojen olemassaolon mahdollisuus. Tai ainakin se tarina, joka esitettiin yleisölle (mukaan lukien sinun oikein). Ja tietyssä suhteessa se vastaa jopa todellisuutta.
Todellisuus siitä, kuinka suhteellisuusteoria on edennyt pisteeseen, jossa ihmiset ovat huomanneet, että gravitaatioaallot näyttävät olevan olemassa ja että ne voidaan havaita, osoittautuivat kuitenkin paljon monimutkaisemmiksi kuin edellä kuvattu kertomus. Tämän viikon luontoastronomiassa ryhmä tiedehistorioitsijoita tarjoaa kaikki yksityiskohdat siitä, kuinka olemme matkalla suhteellisuusajan kynnyksestä LIGO-laserinterferometrisen gravitaatioaaltolaboratorion laboratorioon. Ja prosessin aikana historioitsijat osoittavat, että ideat tieteellisistä vallankumouksista, jotka johtavat odottamattomiin ja radikaaleihin muutoksiin, voivat joskus osoittautua kestämättömiksi.
Onko paradigma muuttunut?
Thomas Kuhn selitti suosittua tieteellisen vallankumouksen käsitettä (sikäli kuin sitä on olemassa). Kuhn kuvasi prosessia, jolla data siirtyy asteittain olemassa olevan teorian kohti kriisiä, jolloin melkein kaikki näkevät, että se ei enää toimi. Kriisijakson jälkeen tapahtuu vallankumous ja ilmestyy uusi teoria. Teorian kyky ratkaista kaikki kriisin puhkeamiseen johtaneet ongelmat saa nopeasti tukea ja alkaa uusi tiedekausi, joka perustuu teoriaan tai "perustuu paradigmaan", kuten Kuhn sanoo.
Tietyllä tasolla tämä kaikki sopii täydellisesti suhteellisuusteoriaan. Einsteinin ehdotukset todellakin loivat uuden kaarevan avaruusajan paradigman, ja ne ratkaisivat Newtonin painovoiman monet ongelmat ja saivat myös nopeasti kokeellisen vahvistuksen, ja hyväksyttiin. Mutta vähemmän kuin vuosi myöhemmin, Einstein julkaisi paperin, jossa käytettiin uutta paradigmaa gravitaatioaaltojen tuottamiseen. Artikkeli osoittautui vääräksi, mutta muutaman vuoden kuluttua hän julkaisi tarkistetun version. Tämä vallankumous, joka merkitsi löytökauden alkua, saatiin päätökseen vuosisataa myöhemmin.
Mainitut historioitsijat - Alexander Blum, Roberto Lalli ja Jürgen Renn - kuitenkin halusivat puuttua perusteellisesti tähän paradigmamuutoksen paraatiin. Ja he tekevät tämän keskittymällä Einsteinin yleisen suhteellisuussuhteen muotoilun vaikutuksiin.
Mainosvideo:
(On huomattava, että tämä lähestymistapa ei tue myöskään Kuhnin vallankumousmallia. Ihmiset työskentelivät hyvin Newtonin konseptin puitteissa myös sen ongelmien ilmestymisen jälkeen, eikä myöskään ollut selvää kriisiaikaa edes sen jälkeen, kun Einstein muotoili yleisen suhteellisuusteorian teoriansa. Joissain suhteissa yleinen suhteellisuusteoria ratkaisi vain ongelman, jonka Einstein itse loi ehdottaessaan erityistä suhteellisuusteoriaa).
Tehdä aaltoja
Ensinnäkin on sanottava, että painovoima-aallot eivät syntyneet suoraan siitä, että Einstein työskenteli niiden parissa. Ilmeisesti Einstein ei ajatellut heidän olemassaoloaan kovin vakavasti, ennen kuin Karl Schwarzschild ja hänen sädekuulu pakottivat hänet tekemään niin. Hänen ensimmäisessä aiheartikkelissaan oli virhe, ja korjattu versio toimi vain, jos aallot etenivät sylinterin sisällä. Vaikka tämä artikkeli antaa perustan väitteille, että Einstein ennusti gravitaatioaaltojen olemassaoloa, tämä oli epäilemättä likimääräinen ratkaisu yksinkertaistetussa ympäristössä.
Ja juuri täällä Einstein jätti tämän ongelman taakse. Hänen keskittymisensä muuttuu, ja hän yrittää yhdistää painovoimansa version sähkömagneetismiin. Ei paljon ihmisiä ollut valmiita käsittelemään tätä kysymystä silloin, kun kvanttimekaniikka oli vauhdissa. Ensimmäinen maailmansota häiritsi tiedeyhteisön työtä ja kiinnitti jäsentensä huomion soveltavaan fysiikkaan. Mainittujen tieteen historioitsijoiden mukaan suuri osa suhteellisuusteorian alalla tällä hetkellä suoritetusta työstä keskittyi olemassa olevien ja hyvin kuvattujen fysikaalisten järjestelmien kääntämiseen newtonilaisen mekaniikan kielestä suhteellisuusteorian kielelle. Paljon vähemmän huomiota on kiinnitetty yrityksiin selvittää, mitkä ainutlaatuiset mahdollisuudet maailmankaikkeuden ymmärtämiseen suhteellisuusteoria tarjoaa.
Syvän muistin puuttuminen siitä, mitä suhteellisuustaso tarkoittaa, on vaikeuttanut esimerkiksi Einsteinin matemaattisia virheitä. Kun matematiikassa ilmestyivät sellaiset absurdi käsitteet kuin singulaarisuus, ei ollut selvää, mitä he yrittivät kertoa meille tällä tavalla. Onko tällaisilla abstraktioilla todellisuutta? Voisiko toinen matemaattinen lähestymistapa tarjota älykkäämmän ratkaisun? Vai onko suhteellisuusteoria rajoitettu siihen, mitä se voi selittää onnistuneesti? Jos tätä teoriaa ei ymmärretä syvästi, on todennäköisesti vaikea sanoa, mikä seuraavista vaihtoehdoista on todennäköisin.
Koska painovoima-aallot voivat ilmetä oikeasta yhtälöstä, oli vähän kiinnostusta määrittää, onko niiden olemassaolo välttämätöntä, ja vielä vähemmän kiinnosti kysymys siitä, kuinka ne voidaan vangita.
Läpimurto
Mutta kuinka tämä alue onnistui murtautumaan pysähtyneisyydestä? Fysiikka sai 1950-luvulla valtiolta paljon tukea sodan aikana saavutettujen menestysten takia, ja sen seurauksena tutkimusyhteisö kasvoi. Lisäksi oli käymässä selväksi, että painovoimavaikutuksia tarvitaan ymmärtämään maailmanlaajuisesti ja sen evoluutiota kuvaavan laajentuvan tietojoukkomme tietoisuutta.
Relatiivisuusyhteisö on saanut tukea tieteen kasvavasta kansainvälistymisestä, ja koko alueen aiheista on järjestetty vuosittaisia konferensseja. Tämä laajempi yhteisö on päässyt yksimielisyyteen siitä, että suhteellisuusteoriaa koskeviin jäljellä oleviin fyysisiin kysymyksiin on vastattava, jos kukin tutkijaryhmä haluaa luottaa tekemässään työhön. Suhteellisuusteoriaan liittyvien ongelmien ratkaisemista pidettiin myös edellytyksenä sen integroimiseksi kvanttimekaniikkaan, ja monet olivat kiinnostuneita työskentelemään tämän ongelman parissa.
Painovoimaaaltojen olemassaolo oli yksi näistä ongelmista, ja siksi ne alkoivat kiinnittää huomiota. Tärkein läpimurto tapahtui konferenssissa, jossa tutkijat (mukaan lukien Richard Feynman) pystyivät ymmärtämään, kuinka painovoima-aaltojen sisältämä energia voitiin vaihtaa paremmin ymmärrettävien energiamuotojen kanssa muualla maailmankaikkeudessa. Toinen tutkija pystyi laatimaan matemaattisen kuvauksen sähkömagneettisista aalloista ja muokkaamaan sitä sitten kuvaamaan gravitaatioaaltoja. Tuloksena olevista matemaattisista rakenteista tuli perusta ymmärtää, että painovoima-aallot ovat värähtelyt avaruus-ajassa, ja tämä näkökulma jatkuu nykyiseen aikaan.
Kapina
Kaikki tämä, samoin kuin edistyminen suhteellisuusteorian muilla alueilla, on luonut vankan teoreettisen perustan. Bloom, Lally ja Rennes uskovat, että yleisen suhteellisuusteorian esittämishetkellä ihmiset ajattelivat suhteellisuussuhteiden vaikutuksia muihin teorioihin, joita he käyttivät ymmärtämään maailmankaikkeutta. Historioitsijoiden mukaan 1960-luvun alkupuolella relatiivisuuden teorialle olisi pitänyt antaa tunnustusta siitä, että se on suoraan yhteydessä maailmankaikkeuden käyttäytymiseen, eikä mitään muuta teoriaa tarvita enää. Tämä loi perustan uskomukselle, että painovoima-aaltoilla, jotka ovat tämän teorian luonnollinen seuraus, on oltava jonkinlainen fyysinen ilmenemismuoto.
Tämä ymmärtäminen oli myös välttämätöntä, jotta voitaisiin luoda malli, jonka avulla voimme puhua siitä, millaisten gravitaatioaaltojen pitäisi näyttää, perustuen niitä synnyttäviin tapahtumiin. Ja pystyimme erottamaan todelliset tapahtumat melusta heti, kun meillä oli LIGO-kaltainen ilmaisin, jolla on riittävä herkkyys niiden havaitsemiseksi.
Tämä 40 vuotta kestävä prosessi ei sovi hyvin revolutioihin, joista Kuhn puhuu. Ei ollut kriisiä, ja ei ollut myöskään mielialattoman tutkimuksen ajankohtaa, jolloin ihmiset yrittivät kehittää uuden teorian, joka pystyisi ratkaisemaan sen kestämättömälle edeltäjälle ominaiset ilmeiset ristiriidat. Nämä historioitsijat uskovat kuitenkin, että Kuhnissa on yksi asia, josta he ovat oikeassa: ihmisillä, jotka ovat syvästi uppoutuneet relativistiseen maailmaan, on pohjimmiltaan vastakkaiset näkemykset maailmankaikkeudesta, ja heidän on vaikea jakaa näkemyksiään Newtonin maailmassa asuvien kanssa.
Kuhn näki tämän ongelman lähinnä kieliongelmana; vanhat termit saavat uusia merkityksiä uudessa paradigmassa. Edellä mainitut historioitsijat näyttävät kuitenkin uskovan, että tällaiset näkökulman muutokset ovat kaikenlaisen tieteellisen edistymisen kannalta välttämättömiä. Ennen kuin ihmiset pääsevät uuden teorian todellisuuteen ja ymmärtävät kaikki sen seuraukset, heidän on vaikea ymmärtää sen merkitystä ja tehdä ennusteita - ja kielen muutokset ovat vain sivutuote.
John Timmer