Relativitetsteorin förändrade allt, men det tog motsvarande tid.
Detekteringen av gravitationsvågor av Laser Interferometric Gravitational Wave Laboratory LIGO inträffade exakt hundra år efter att Einstein formulerade sin allmänna relativitetsteori i en artikel där möjligheten att förekomsten av gravitationsvågor beskrivs matematiskt. Eller åtminstone är det historien som presenterades för allmänheten (inklusive din verkligen). Och i vissa avseenden motsvarar det till och med verkligheten.
Men verkligheten av hur relativitet har kommit fram till den punkt där människor har insett att gravitationsvågor verkar existera och att de kan upptäckas, visade sig vara mycket mer komplexa än berättelsen som beskrivs ovan. I denna veckas naturastronomi tillhandahåller en grupp av vetenskapshistoriker alla detaljer om hur vi reste från relativitetsdagens början till LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Laboratory. Och under processen visar historiker att idéer om vetenskapliga revolutioner som leder till oväntade och radikala förändringar ibland kan visa sig vara ohållbara.
Har ditt paradigm förändrats?
Det populära begreppet vetenskaplig revolution (i den mån det existerar) förklarades av Thomas Kuhn. Kuhn beskrev processen där data gradvis flyttar en befintlig teori mot kris, vilket gör att nästan alla kan se att de inte längre fungerar. Efter en krisperiod inträffar en revolution och en ny teori dyker upp. Teorin förmåga att lösa alla problem som utgjorde början av krisen får snabbt stöd, och en ny vetenskapsperiod börjar, baserat på teori eller "baserat på ett paradigm", som Kuhn uttrycker det.
På en viss nivå passar detta allt perfekt till relativitetens historia. Einsteins förslag skapade verkligen ett nytt paradigm av böjd rymdtid, och de löste de många problemen med Newtons allvar, och fick också snabbt en experimentell bekräftelse och accepterades. Men mindre än ett år senare publicerade Einstein ett papper som använde ett nytt paradigm för genereringen av gravitationsvågor. Artikeln visade sig vara fel, men efter några år publicerade han en reviderad version. Denna revolution, som markerade början av upptäcktsperioden, avslutades ett sekel senare.
Men de nämnda historikerna - Alexander Blum, Roberto Lalli och Jürgen Renn - ville noggrant ta itu med denna paradigmskiftparad. Och de gör detta genom att fokusera på implikationerna av Einsteins formulering av allmän relativitet.
Kampanjvideo:
(Det bör noteras att detta tillvägagångssätt inte heller stöder Kuhns revolutionens modell. Människor fungerade bra inom ramen för Newtons koncept även efter att dess problem blev uppenbara, och det fanns heller ingen uppenbar krisperiod även efter att Einstein formulerade sin teori om allmän relativitet. I vissa avseenden löste generell relativitet bara problemet som Einstein själv skapade när han föreslog special relativitet).
Göra vågor
Till att börja med ska det sägas att gravitationsvågor inte uppstod direkt av det faktum att Einstein arbetade på dem. Tydligen tänkte Einstein inte riktigt allvarligt på deras existens förrän Karl Schwarzschild och hans radieberömmelse drev honom att göra det. Det var ett fel i hans första artikel om ämnet, och den korrigerade versionen fungerade bara om vågorna spridit sig inuti cylindern. Medan denna artikel ger grunden för påståenden att det var Einstein som förutspådde existensen av gravitationsvågor, var detta utan tvekan en ungefärlig lösning i en förenklad miljö.
Och det var här som Einstein lämnade detta problem bakom sig. Hans fokus förskjuts och han försöker kombinera sin version av tyngdkraften med elektromagnetism. Det var inte många som var redo att ta itu med denna fråga vid en tidpunkt då kvantmekaniken tog fart, och första världskriget störde det vetenskapliga samhällets arbete och ledde sina medlemmars uppmärksamhet till tillämpad fysik. Enligt dessa vetenskapshistoriker fokuserade mycket av arbetet inom relativitetsteorin som genomfördes under denna period på att översätta befintliga och väl beskrivna fysiska system från Newtons mekanik till språket i relativitetsteorin. Mycket mindre uppmärksamhet har ägnats åt försök att bestämma vilka unika möjligheter att förstå universum som ges av relativitetsteorin.
Avsaknaden av ett djupt minne av vad relativitet betyder förvärras av problem som Einsteins matematiska fel. När sådana absurde begrepp som singularitet dök upp i matematiken var det inte klart vad de försökte berätta för oss på detta sätt. Har sådana abstraktioner någon grund i verkligheten? Kan en annan matematisk metod erbjuda en smartare lösning? Eller är relativitetsteorin begränsad i vad den framgångsrikt kan förklara? I avsaknad av en djup förståelse av denna teori kommer det förmodligen att vara svårt att säga vilka av följande alternativ som är mest troliga.
Eftersom gravitationsvågor kan komma från rätt ekvation fanns det lite intresse för att avgöra om deras existens var nödvändig, och ännu mindre intresse var i frågan om hur vi kan fånga dem.
Genombrott
Men hur lyckades det här området bryta ut från stagnation? På 1950-talet fick fysiken mycket stöd från staten på grund av dess framgångar under kriget, och som ett resultat växte forskarsamhället. Dessutom blev det klart att gravitationseffekter skulle behövas för att förstå vårt expanderande korpus med data som beskriver universum och dess utveckling.
Relativitetssamhället har fått stöd från den växande internationaliseringen av vetenskapen, och årliga konferenser har organiserats för hela utbudet av ämnen inom detta område. Detta bredare samhälle har kommit till enighet om att de återstående fysiska frågorna om relativitetsteorin måste tas upp om varje enskild forskargrupp vill ha förtroende för det arbete de utför. Att lösa problemen associerade med relativitetsteorin ansågs också en förutsättning för att integrera den med kvantmekanik, och många var intresserade av att arbeta med detta problem.
Förekomsten av gravitationsvågor var ett av dessa problem, och därför började de locka uppmärksamhet. Det viktigaste genombrottet kom på en konferens där forskare (inklusive Richard Feynman) kunde förstå hur energin i gravitationsvågorna kunde utbytas med bättre förstått former av energi i resten av universum. En annan forskare kunde göra en matematisk beskrivning av elektromagnetiska vågor och sedan modifiera den för att beskriva gravitationsvågor. De resulterande matematiska strukturerna blev grunden för att förstå att gravitationsvågor är svängningar i rymdtid, och denna synvinkel kvarstår till nutiden.
Uppror
Allt detta, liksom framsteg inom andra områden i relativitetsteorin, har skapat en solid teoretisk grund. Bloom, Lally och Rennes tror att när generell relativitet först presenterades, trodde människor i termer av relativitetens konsekvenser för andra teorier de använde för att förstå universum. Enligt historiker borde i början av 1960-talet relativitetsteorin ha fått kredit för att ha varit direkt relaterad till universums beteende, och ingen annan teori behövdes längre. Detta skapade grunden för tron att gravitationsvågor, som är en naturlig följd av denna teori, måste ha någon form av fysisk manifestation.
Denna förståelse var också nödvändig för att skapa en modell som skulle göra det möjligt för oss att prata om hur gravitationsvågor skulle se ut, baserat på händelserna som genererade dem. Och vi kunde separera verkliga händelser från buller så snart vi hade en detektor som LIGO med tillräcklig känslighet för att upptäcka dem.
Denna 40-åriga process passar inte bra med de revolutioner som Kuhn talar om. Det fanns ingen kris, och det fanns ingen period med panisk forskning just nu då människor försökte utveckla en ny teori som kunde lösa de uppenbara motsägelser som är karakteristiska för dess ohållbara föregångare. Men dessa historiker tror att det finns en sak som Kuhn hade rätt i: de människor som är djupt nedsänkta i den relativistiska världen har en grundläggande motsatt syn på universum, och det kommer att vara svårt för dem att dela sina åsikter med dem som lever i den Newtonska världen.
Kuhn såg detta problem som i huvudsak ett språkproblem; gamla termer får nya betydelser i ett nytt paradigm. Men ovanstående historiker verkar tro att sådana förändringar i perspektiv är nödvändiga för alla slags vetenskapliga framsteg. Tills människor kan gå in i verkligheten i en ny teori och uppskatta alla dess konsekvenser kommer det att vara svårt för dem att tillräckligt förstå dess betydelse och göra förutsägelser - och språkändringar är bara en biprodukt.
John Timmer
