Agrandir / Pendant des années, les gens n’étaient pas sûrs que l’onde gravitationnelle soit un produit nécessaire de la relativité.Fermilab
La détection des ondes gravitationnelles par LIGO est presque exactement une siècle après qu’Einstein eut formulé sa théorie générale de relativité et un article qui décrit ensuite mathématiquement la possibilité d’ondes gravitationnelles. Ou du moins c’est l’histoire comme il a été présenté au public (y compris par le vôtre). Et en à certains égards, c’est même vrai.
Mais la réalité de la façon dont la relativité a progressé au point où les gens ont accepté que les ondes gravitationnelles sont susceptibles d’exister et pourrait éventuellement être détecté est considérablement plus compliqué que le récit simple décrit ci-dessus. Dans la nature de cette semaine Astronomy, un groupe d’historiens des sciences détaille tous les détails de comment nous sommes arrivés de l’aube de la relativité à la construction de LIGO. Et, dans le processus, les historiens montrent que les idées sur les révolutions scientifiques entraînant un changement soudain et radical peut parfois manquer le point.
Votre paradigme a-t-il changé?
La conception populaire des révolutions scientifiques (dans la mesure qu’il existe) a été façonné par Thomas Kuhn. Kuhn a décrit un processus où les données poussent progressivement une théorie existante en crise, permettre à presque tout le monde de voir que cela ne fonctionne pas. Après une période de crise, une révolution a lieu et une nouvelle théorie émerge. le la capacité de la théorie à résoudre tous les problèmes qui ont précipité la crise attire rapidement le soutien, et une nouvelle période de théorie – en Le langage de Kuhn, “axé sur le paradigme”, commence la science.
À un certain niveau, cela s’aligne bien avec l’histoire de relativité. Les propositions d’Einstein ont créé un nouveau paradigme de espace-temps incurvé, et ils ont résolu un certain nombre de problèmes de Gravité newtonienne et rapidement pris appui expérimental et acceptation. Et moins d’un an s’est écoulé avant la publication d’Einstein un papier qui a utilisé le nouveau paradigme pour produire des ondes gravitationnelles. Le papier était faux, mais il a publié une version plus correcte quelques des années plus tard. La révolution qui a ouvert la voie à la découverte d’un siècle plus tard était complet.
Mais les historiens (Alexander Blum, Roberto Lalli et Jürgen Renn) aimerait pleuvoir sur ce changement de paradigme particulier parade. Et ils le font en se concentrant sur les conséquences d’Einstein formulation de la relativité générale.
(Il est à noter que la préparation ne supporte pas un Kuhn-like modèle de révolution, non plus. Les gens travaillaient avec bonheur dans le Cadre newtonien, même après que les problèmes soient devenus apparente, et il n’y avait pas de période de crise claire, même après Einstein était venu avec la relativité restreinte. À certains égards, général la relativité ne faisait que résoudre un problème qu’Einstein lui-même avait créé en introduisant la relativité restreinte)
Faire la vague
Pour commencer, les ondes gravitationnelles n’émergent pas parfaitement de Le travail d’Einstein sur eux. Einstein n’a pas semblé avoir donné de sérieux considération à leur existence jusqu’à ce que poussé par Karl Schwarzschild (de renommée de rayon). Son premier article sur eux contenait un erreur mathématique, et sa version corrigée ne fonctionnait que si les vagues propagé le long d’un cylindre. Bien que ce document serve de base pour les revendications que Einstein a prédit l’existence de gravitation vagues, c’était clairement une solution approximative dans un environnement.
Et c’est là qu’Einstein l’a laissé. Son attention s’est déplacée vers essayant d’unifier sa version de la gravité avec l’électromagnétisme. L� n’était pas vraiment une communauté pour ramasser le problème à l’époque, comme la mécanique quantique gagnait en traction, et une guerre mondiale perturbé la communauté scientifique et le recentrer sur les applications la physique. Selon les historiens, la plupart des travaux dans la relativité qui a eu lieu au cours de cette période a été axée sur traduire les systèmes physiques existants et bien décrits de Mécanique newtonienne à la relativité. Il y avait beaucoup moins d’attention sur en essayant de déterminer ce que la relativité des idées uniques fourni à propos de l’univers.
Le manque de compréhension de ce que signifiait la relativité signifiait aussi problèmes amplifiés comme l’erreur mathématique d’Einstein. Quand les mathématiques ont produit des choses absurdes comme des singularités, il n’était pas clair ce que cela nous disait. Ces abstractions mathématiques étaient-elles sans fondement? en réalité? Une autre approche mathématique produirait-elle un sens Solution? Ou bien la relativité était-elle simplement limitée à ce qu’elle pouvait décrire avec succès? En l’absence d’une compréhension solide de la théorie, il pourrait être difficile de dire lequel de ces était le plus probable.
Ainsi, alors que les ondes gravitationnelles pourraient sortir de la droite équation, il n’y avait pas un fort intérêt à déterminer si ils devaient nécessairement exister, et encore moins comment nous pourrions détecter leur.
Éclater
Comment le champ s’est-il sorti de ce marasme? Les années 1950 ont vu fort soutien du gouvernement à la physique au lendemain de son succès pendant la guerre, ce qui a élargi la communauté des chercheurs. Dans En outre, il devenait de plus en plus clair que la gravitation des effets seraient nécessaires pour comprendre notre corpus de données en expansion décrivant l’univers et son évolution.
La communauté de la relativité s’est également accrochée à la internationalisation de la science et a organisé chaque année conférences pour l’ensemble du domaine. Un consensus est né de la communauté grandissante: les problèmes physiques restants avec la relativité devait être travaillé si un groupe de recherche individuel allait avoir confiance dans le travail qu’il faisait. Travailler sur la relativité problèmes étaient également considérés comme une condition préalable nécessaire à l’unification avec la mécanique quantique, un problème qui intéressait les gens travaille sur.
L’existence d’ondes gravitationnelles était l’un de ces problèmes, et ainsi il a commencé à attirer l’attention. Une percée décisive est survenue � une conférence où des chercheurs (y compris Richard Feynman) reconnu comment l’énergie contenue dans les ondes gravitationnelles pouvait être échangé avec des formes d’énergie mieux comprises dans le reste de la Univers. Un autre chercheur a compris comment prendre des maths qui pourrait décrire les ondes électromagnétiques et le modifier pour décrire ondes gravitationnelles. La structure mathématique résultante était la genèse de la vue que les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l’espace-temps, une perspective qui a survécu jusqu’à présent.
Révoltant
Ceux-ci et les progrès dans d’autres domaines de la relativité le mettent sur une entreprise assise théorique. Blum, Lalli et Renn soutiennent que, à l’époque où la relativité générale a été mise en avant pour la première fois, pensaient les gens des conséquences de la relativité pour les autres théories qu’ils ont utilisées pour comprendre l’univers. Au début des années 1960, les historiens soutiennent que la relativité pourrait être appréciée comme ayant conséquences pour le comportement de l’univers – pas d’autre théorie nécessaire. Cela a ouvert la voie à une confiance que gravitationnelle comme conséquence nécessaire de la théorie, les ondes devaient avoir manifestation physique.
Cette compréhension était également nécessaire pour construire les modèles qui disaient nous dire à quoi devraient ressembler les ondes gravitationnelles, en fonction des événements qui les a créés. Celles-ci nous permettent de tirer des événements réels du bruit dès que nous avons eu un détecteur comme LIGO avec une sensibilité suffisante pour les ramasser.
Ce processus de 40 ans ne cadre pas bien avec les révolutions que Kuhn avait décrit. Il n’y a pas eu de crise ni de période de recherche frénétique alors que les gens se démenaient pour produire une nouvelle théorie pourrait résoudre les contradictions apparentes dans celui qui a échoué. Mais le les historiens soutiennent qu’il y a une chose ici que Kuhn a eu raison: les gens qui habitent à fond un monde relativiste ont fondamentalement vision différente de l’univers et aurait du mal à communiquer leur perspective à quelqu’un dans le monde newtonien.
Kuhn a considéré qu’il s’agissait fondamentalement d’un problème de langue. vieux termes a pris de nouvelles significations dans le nouveau paradigme. Mais les historiens semblent suggérer que le changement de perspective est nécessaire pour sorte de progrès scientifique. À moins que les gens puissent habiter la réalité d’une nouvelle théorie et apprécier toutes ses conséquences, il est difficile pour eux de résoudre les implications de la théorie suffisamment pour faire des prédictions – les changements de langue ne sont qu’un sous-produit.
Nature Astronomy, 2018. DOI: 10.1038 / s41550-018-0472-6 (À propos des DOIs).
