Teorie relativity všechno změnila, ale trvalo to odpovídající množství času.
Detekce gravitačních vln laserovou interferometrickou gravitační vlnovou laboratoří LIGO nastala přesně sto let poté, co Einstein formuloval svou obecnou teorii relativity v článku, kde byla matematicky popsána možnost existence gravitačních vln. Nebo alespoň to je příběh, který byl představen veřejnosti (včetně toho, co je skutečně vaše). A v některých ohledech dokonce odpovídá skutečnosti.
Realita toho, jak relativita pokročila do bodu, kdy si lidé uvědomili, že gravitační vlny se zdají existovat a že je lze detekovat, se však ukázala být mnohem složitější než výše popsaný příběh. V tomto týdnu Nature Astronomy poskytuje skupina historiků vědy všechny podrobnosti o tom, jak jsme cestovali od úsvitu relativity do laboratoře laserových interferometrických gravitačních vln LIGO. Historici přitom ukazují, že myšlenky na vědecké revoluce vedoucí k neočekávaným a radikálním posunům se někdy mohou ukázat jako neudržitelné.
Změnilo se vaše paradigma?
Populární koncept vědecké revoluce (pokud existuje) byl vysvětlen Thomasem Kuhn. Kuhn popsal proces, jímž data postupně posouvají existující teorii směrem ke krizi, což téměř každému umožňuje vidět, že již nefunguje. Po období krize dojde k revoluci a objeví se nová teorie. Schopnost teorie řešit všechny problémy, které vyvolaly nástup krize, rychle získává podporu a začíná nové období vědy založené na teorii nebo „založené na paradigmatu“, jak to Kuhn uvádí.
Na jisté úrovni to všechno dokonale zapadá do historie relativity. Einsteinovy návrhy skutečně vytvořily nové paradigma zakřiveného časoprostoru a vyřešily mnoho problémů Newtonovy gravitace a také rychle obdržely experimentální potvrzení a byly přijaty. O necelý rok později však Einstein publikoval referát, který použil nové paradigma pro generování gravitačních vln. Článek se ukázal jako špatný, ale po několika letech vydal revidovanou verzi. Tato revoluce, která znamenala začátek období objevu, byla dokončena o století později.
Historici se však zmínili - Alexander Blum, Roberto Lalli a Jürgen Renn - chtěli tento průchod paradigmatu důkladně vyřešit. A dělají to zaměřením na důsledky Einsteinovy formulace obecné relativity.
Propagační video:
(Je třeba poznamenat, že tento přístup rovněž nepodporuje Kuhnov model revoluce. Lidé dobře pracovali v rámci Newtonova konceptu i poté, co se jeho problémy zjevily, a neexistovalo žádné zjevné krizové období ani poté, co Einstein formuloval svou teorii obecné relativity V některých ohledech obecná relativita vyřešila problém, který Einstein sám vytvořil, když navrhl zvláštní relativitu).
Dělat vlny
Pro začátek je třeba říci, že gravitační vlny nevznikly přímo ze skutečnosti, že na nich Einstein pracoval. Einstein zřejmě o jejich existenci opravdu vážně nepřemýšlel, dokud ho Karl Schwarzschild a jeho radiusová sláva k tomu nenutí. V jeho prvním článku na toto téma došlo k chybě a opravená verze fungovala, pouze pokud se vlny šířily uvnitř válce. Ačkoli tento článek poskytuje základ pro tvrzení, že to byl Einstein, kdo předpovídal existenci gravitačních vln, bylo to nepochybně přibližné řešení ve zjednodušeném prostředí.
A právě tady Einstein nechal tento problém pozadu. Zaměřuje se a pokouší se kombinovat svou verzi gravitace s elektromagnetismem. Jen málo lidí bylo připraveno se touto otázkou zabývat v době, kdy kvantová mechanika získávala půdu a první světová válka přerušila práci vědecké komunity a obrátila pozornost jejích členů na aplikovanou fyziku. Podle těchto historiků vědy byla velká část práce v oblasti teorie relativity, která byla provedena v tomto období, zaměřena na převedení existujících a dobře popsaných fyzikálních systémů z jazyka newtonovské mechaniky do jazyka teorie relativity. Mnohem menší pozornost byla věnována pokusům určit, jaké jedinečné možnosti pochopení vesmíru poskytuje teorie relativity.
Nedostatek hluboké paměti o tom, co relativita znamená, byl umocněn problémy, jako jsou Einsteinovy matematické chyby. Když se v matematice objevily takové absurdní pojmy, jako je singularita, nebylo jasné, co se nám tímto způsobem snaží říci. Mají taková abstrakce ve skutečnosti nějaký základ? Mohl by jiný matematický přístup nabídnout chytřejší řešení? Nebo je teorie relativity omezená v tom, co může úspěšně vysvětlit? Při absenci hlubokého porozumění této teorii bude pravděpodobně obtížné říci, která z následujících možností je nejpravděpodobnější.
Protože gravitační vlny mohou vycházet ze správné rovnice, byl malý zájem o určení, zda je jejich existence nezbytná, a ještě menší zájem byl o otázku, jak je můžeme zachytit.
Průlom
Jak se však této oblasti podařilo vymanit ze stagnace? V padesátých letech minulého století byla fyzika státem podporována díky svým úspěchům během války a v důsledku toho se výzkumná komunita rozrostla. Kromě toho bylo jasné, že k pochopení našeho rozšiřujícího se souboru údajů popisujících vesmír a jeho vývoj bude zapotřebí gravitačních účinků.
Komunita relativity získala podporu od rostoucí internacionalizace vědy a každoročně byly pořádány konference na celou řadu témat v této oblasti. Tato širší komunita dospěla ke shodě, že zbývající fyzické otázky týkající se teorie relativity musí být vyřešeny, pokud každá jednotlivá skupina vědců chce mít důvěru v práci, kterou vykonávají. Řešení problémů spojených s teorií relativity bylo také považováno za předpoklad pro její integraci s kvantovou mechanikou a mnoho z nich se zajímalo o práci na tomto problému.
Jedním z těchto problémů byla existence gravitačních vln, a proto začaly přitahovat pozornost. Klíčový průlom přišel na konferenci, kde vědci (včetně Richarda Feynmana) byli schopni pochopit, jak může být energie obsažená v gravitačních vlnách vyměněna za lépe chápané formy energie ve zbytku vesmíru. Jiný výzkumný pracovník byl schopen vytvořit matematický popis elektromagnetických vln a poté jej upravit tak, aby popisoval gravitační vlny. Výsledné matematické struktury se staly základem pro pochopení toho, že gravitační vlny jsou oscilace v časoprostoru, a toto hledisko přetrvává do současnosti.
Povstání
To vše, stejně jako pokrok v jiných oblastech teorie relativity, vytvořilo pevný teoretický základ. Bloom, Lally a Rennes věří, že v té době byla poprvé představena obecná relativita, lidé si mysleli, co se týká důsledků relativity pro jiné teorie, které použili k pochopení vesmíru. Podle historiků měla být teorií relativity začátkem šedesátých let připisována uznání za přímou souvislost s chováním vesmíru a už žádná další teorie nebyla zapotřebí. Toto vytvořilo základ pro víru, že gravitační vlny, které jsou přirozeným důsledkem této teorie, musí mít nějaký druh fyzického projevu.
Toto porozumění bylo také nutné k vytvoření modelu, který by nám umožnil mluvit o tom, jak by měly gravitační vlny vypadat, na základě událostí, které je vytvořily. A my jsme byli schopni oddělit skutečné události od hluku, jakmile jsme měli detektor, jako je LIGO, s dostatečnou citlivostí, abychom je detekovali.
Tento 40letý proces se nehodí k revolucím, o nichž Kuhn mluví. V době, kdy se lidé pokusili vyvinout novou teorii, která by dokázala vyřešit zřejmé rozpory charakteristické pro jeho neudržitelného předchůdce, nedošlo k žádné krizi a neexistovalo období zběsilého výzkumu. Tito historici však věří, že je tu jedna věc, o které měl Kuhn pravdu: ti lidé, kteří jsou hluboce ponořeni do relativistického světa, mají zásadně opačný pohled na vesmír, a bude pro ně obtížné podělit se o své názory s těmi, kteří žijí v newtonovském světě.
Kuhn viděl tento problém jako nezbytně jazykový problém; staré termíny získávají nové významy v novém paradigmatu. Zdá se však, že výše uvedení historici věří, že takové změny v perspektivě jsou nezbytné pro jakýkoli druh vědeckého pokroku. Dokud lidé nebudou moci vstoupit do reality nové teorie a uvědomit si všechny její důsledky, bude pro ně obtížné dostatečně pochopit její význam a předpovědět - a změny v jazyce jsou jen vedlejším produktem.
John Timmer