De relativiteitstheorie veranderde alles, maar het kostte evenveel tijd.
De detectie van zwaartekrachtgolven door het Laser Interferometrische Gravitatiegolflaboratorium LIGO vond plaats precies honderd jaar nadat Einstein zijn algemene relativiteitstheorie formuleerde in een artikel waarin de mogelijkheid van het bestaan van zwaartekrachtgolven wiskundig werd beschreven. Of dat is tenminste het verhaal dat aan het publiek werd gepresenteerd (inclusief het jouwe). En in sommige opzichten komt het zelfs overeen met de werkelijkheid.
De realiteit van hoe de relativiteitstheorie is gevorderd tot het punt waarop mensen hebben ingezien dat zwaartekrachtgolven lijken te bestaan en dat ze kunnen worden gedetecteerd, bleek veel complexer dan het hierboven beschreven verhaal. In de Nature Astronomy van deze week geeft een groep wetenschapshistorici alle details van hoe we reisden vanaf het begin van de relativiteitstheorie tot het LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Laboratory. En daarbij laten historici zien dat ideeën over wetenschappelijke revoluties die tot onverwachte en radicale verschuivingen leiden, soms onhoudbaar blijken te zijn.
Is uw paradigma veranderd?
Het populaire concept van wetenschappelijke revolutie (voor zover het bestaat) werd uiteengezet door Thomas Kuhn. Kuhn beschreef het proces waarmee data een bestaande theorie geleidelijk naar een crisis beweegt, waardoor bijna iedereen kan zien dat het niet meer werkt. Na een crisisperiode vindt er een revolutie plaats en verschijnt er een nieuwe theorie. Het vermogen van de theorie om alle problemen op te lossen die het begin van de crisis hebben veroorzaakt, krijgt snel steun en een nieuwe wetenschappelijke periode begint, gebaseerd op theorie of "gebaseerd op een paradigma", zoals Kuhn het uitdrukt.
Op een bepaald niveau past dit allemaal perfect in de relativiteitsgeschiedenis. De voorstellen van Einstein creëerden inderdaad een nieuw paradigma van gekromde ruimte-tijd, en ze losten talloze problemen van de zwaartekracht van Newton op, en kregen ook snel experimentele bevestiging en werden geaccepteerd. Maar minder dan een jaar later publiceerde Einstein een artikel dat een nieuw paradigma gebruikte voor het genereren van zwaartekrachtgolven. Het artikel bleek niet te kloppen, maar na een paar jaar publiceerde hij een herziene versie. Deze revolutie, die het begin van de ontdekkingsperiode markeerde, werd een eeuw later voltooid.
De genoemde historici - Alexander Blum, Roberto Lalli en Jürgen Renn - wilden deze paradigmaverschuivingsparade echter grondig aanpakken. En ze doen dit door zich te concentreren op de implicaties van Einsteins formulering van de algemene relativiteitstheorie.
Promotie video:
(Opgemerkt moet worden dat deze benadering ook Kuhn's revolutiemodel niet ondersteunt. Mensen werkten goed binnen het kader van Newtons concept, zelfs nadat de problemen aan het licht kwamen, en er was ook geen duidelijke crisisperiode, zelfs niet nadat Einstein zijn theorie van de algemene relativiteitstheorie had geformuleerd. In sommige opzichten lost de algemene relativiteitstheorie alleen het probleem op dat Einstein zelf creëerde toen hij de speciale relativiteitstheorie voorstelde).
Golven maken
Om te beginnen moet worden gezegd dat zwaartekrachtgolven niet rechtstreeks voortkwamen uit het feit dat Einstein eraan werkte. Blijkbaar dacht Einstein niet echt serieus na over hun bestaan totdat Karl Schwarzschild en zijn roem hem ertoe aanzetten om dat te doen. Er was een fout in zijn eerste artikel over het onderwerp, en de gecorrigeerde versie werkte alleen als de golven zich voortplantten in de cilinder. Hoewel dit artikel de basis vormt voor de beweringen dat het Einstein was die het bestaan van zwaartekrachtgolven voorspelde, was dit ongetwijfeld een benaderende oplossing in een vereenvoudigde omgeving.
En het was hier dat Einstein dit probleem achter zich liet. Zijn focus verschuift en hij probeert zijn versie van zwaartekracht te combineren met elektromagnetisme. Er waren niet veel mensen klaar om met deze kwestie om te gaan in een tijd waarin de kwantummechanica terrein won en de Eerste Wereldoorlog het werk van de wetenschappelijke gemeenschap verstoorde en de aandacht van haar leden op de toegepaste fysica richtte. Volgens deze wetenschapshistorici was veel van het werk op het gebied van de relativiteitstheorie dat in deze periode werd verricht, gericht op het vertalen van bestaande en goed beschreven fysische systemen uit de taal van de Newtoniaanse mechanica in de taal van de relativiteitstheorie. Er is veel minder aandacht besteed aan pogingen om te bepalen welke unieke mogelijkheden om het universum te begrijpen worden geboden door de relativiteitstheorie.
Het gebrek aan een diepe herinnering aan wat relativiteit betekent, werd nog verergerd door problemen zoals de wiskundige fouten van Einstein. Toen zulke absurde concepten als singulariteit in de wiskunde voorkwamen, was het niet duidelijk wat ze ons op deze manier probeerden te vertellen. Hebben dergelijke abstracties enige basis in de werkelijkheid? Kan een andere wiskundige benadering een slimmere oplossing bieden? Of is de relativiteitstheorie beperkt in wat ze met succes kan verklaren? Bij gebrek aan een diep begrip van deze theorie, zal het waarschijnlijk moeilijk zijn om te zeggen welke van de volgende opties het meest waarschijnlijk is.
Omdat zwaartekrachtgolven uit de juiste vergelijking kunnen voortkomen, was er weinig interesse om te bepalen of hun bestaan noodzakelijk was, en nog minder belangstelling voor de vraag hoe we ze kunnen vangen.
Doorbraak
Maar hoe is dit gebied uit de stagnatie gekomen? In de jaren vijftig kreeg de natuurkunde veel steun van de staat vanwege de successen tijdens de oorlog, met als resultaat dat de onderzoeksgemeenschap groeide. Bovendien werd het duidelijk dat zwaartekrachtseffecten nodig zouden zijn om ons groeiende corpus van gegevens te begrijpen die het universum en zijn evolutie beschrijven.
De relativiteitsgemeenschap heeft steun gekregen van de toenemende internationalisering van de wetenschap, en er zijn jaarlijkse conferenties georganiseerd over alle onderwerpen op dit gebied. Deze bredere gemeenschap is het erover eens dat de resterende fysieke vragen over de relativiteitstheorie moeten worden aangepakt als elke individuele groep onderzoekers vertrouwen wil hebben in het werk dat ze doen. Het oplossen van de problemen die verband houden met de relativiteitstheorie werd ook beschouwd als een voorwaarde voor integratie met de kwantummechanica, en velen waren geïnteresseerd om aan dit probleem te werken.
Het bestaan van zwaartekrachtgolven was een van deze problemen en daarom begonnen ze de aandacht te trekken. De belangrijkste doorbraak kwam op een conferentie waar onderzoekers (waaronder Richard Feynman) konden begrijpen hoe de energie in gravitatiegolven kon worden uitgewisseld met beter begrepen vormen van energie in de rest van het universum. Een andere onderzoeker was in staat om een wiskundige beschrijving van elektromagnetische golven te maken en deze vervolgens aan te passen om zwaartekrachtgolven te beschrijven. De resulterende wiskundige structuren werden de basis om te begrijpen dat zwaartekrachtgolven oscillaties in ruimte-tijd zijn, en dit standpunt blijft tot op de dag van vandaag bestaan.
Opstand
Dit alles, evenals de vooruitgang op andere gebieden van de relativiteitstheorie, heeft een solide theoretische basis gelegd. Bloom, Lally en Rennes geloven dat mensen in de tijd dat de algemene relativiteitstheorie voor het eerst werd gepresenteerd, dachten in termen van de implicaties van relativiteitstheorie voor andere theorieën die ze gebruikten om het universum te begrijpen. Volgens historici had de relativiteitstheorie tegen het begin van de jaren zestig de eer moeten krijgen omdat hij rechtstreeks verband hield met het gedrag van het universum, en was er geen andere theorie meer nodig. Dit creëerde de basis voor de overtuiging dat zwaartekrachtsgolven, als natuurlijk gevolg van deze theorie, een soort fysieke manifestatie moeten hebben.
Dit begrip was ook nodig om een model te maken waarmee we kunnen praten over hoe zwaartekrachtgolven eruit zouden moeten zien, op basis van de gebeurtenissen die ze hebben gegenereerd. En we waren in staat om echte gebeurtenissen van ruis te scheiden zodra we een detector zoals LIGO hadden met voldoende gevoeligheid om ze te detecteren.
Dit 40-jarige proces past niet goed bij de revoluties waar Kuhn het over heeft. Er was geen crisis en er was geen periode van hectisch onderzoek op het moment dat mensen probeerden een nieuwe theorie te ontwikkelen die de voor de hand liggende tegenstrijdigheden kon oplossen die kenmerkend zijn voor zijn onhoudbare voorganger. Deze historici geloven echter dat er één ding is waar Kuhn gelijk in had: de mensen die diep ondergedompeld zijn in de relativistische wereld hebben een fundamenteel tegenovergestelde kijk op het universum en het zal moeilijk voor hen zijn om hun mening te delen met degenen die in de Newtoniaanse wereld leven.
Kuhn zag dit probleem in wezen als een taalprobleem; oude termen krijgen nieuwe betekenissen in een nieuw paradigma. De bovengenoemde historici lijken echter te geloven dat dergelijke perspectiefveranderingen noodzakelijk zijn voor elke vorm van wetenschappelijke vooruitgang. Totdat mensen de realiteit van een nieuwe theorie kunnen binnengaan en alle gevolgen ervan kunnen inzien, zal het voor hen moeilijk zijn om de betekenis ervan voldoende te begrijpen en voorspellingen te doen - en veranderingen in taal zijn slechts een bijproduct.
John Timmer
