La teoria della relatività ha cambiato tutto, ma ci è voluto un tempo corrispondente.
La rilevazione delle onde gravitazionali da parte del Laser Interferometric Gravitational Wave Laboratory LIGO è avvenuta esattamente cento anni dopo che Einstein aveva formulato la sua teoria generale della relatività in un articolo in cui la possibilità dell'esistenza delle onde gravitazionali era descritta matematicamente. O almeno questa è la storia che è stata presentata al pubblico (compreso il tuo veramente). E per certi versi corrisponde anche alla realtà.
Tuttavia, la realtà di come la relatività è progredita al punto in cui le persone hanno riconosciuto che le onde gravitazionali sembravano esistere e che potevano essere rilevate si è rivelata significativamente più complessa della narrativa sopra descritta. In Nature Astronomy di questa settimana, un gruppo di storici della scienza fornisce tutti i dettagli di come abbiamo viaggiato dagli albori della relatività al LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Laboratory. E nel processo, gli storici mostrano che le idee sulle rivoluzioni scientifiche che portano a cambiamenti inaspettati e radicali possono talvolta rivelarsi insostenibili.
Il tuo paradigma è cambiato?
Il concetto popolare di rivoluzione scientifica (nella misura in cui esiste) è stato esposto da Thomas Kuhn. Kuhn ha descritto il processo mediante il quale i dati spostano gradualmente una teoria esistente verso la crisi, consentendo a quasi tutti di vedere che non funziona più. Dopo un periodo di crisi, avviene una rivoluzione e appare una nuova teoria. La capacità della teoria di risolvere tutti i problemi che hanno accelerato l'inizio della crisi ottiene rapidamente sostegno e inizia un nuovo periodo della scienza, basato sulla teoria o "basato su un paradigma", come afferma Kuhn.
A un certo livello, tutto questo si adatta perfettamente alla storia della relatività. Le proposte di Einstein hanno effettivamente creato un nuovo paradigma di spazio-tempo curvo, e hanno risolto numerosi problemi di gravità di Newton, e hanno anche ricevuto rapidamente conferme sperimentali e sono state accettate. Ma meno di un anno dopo, Einstein pubblicò un documento che utilizzava un nuovo paradigma per la generazione di onde gravitazionali. L'articolo si è rivelato sbagliato, ma dopo alcuni anni ha pubblicato una versione rivista. Questa rivoluzione, che ha segnato l'inizio del periodo della scoperta, è stata completata un secolo dopo.
Tuttavia, gli storici citati - Alexander Blum, Roberto Lalli e Jürgen Renn - volevano affrontare a fondo questa parata del cambio di paradigma. E lo fanno concentrandosi sulle implicazioni della formulazione di Einstein della relatività generale.
Video promozionale:
(Va notato che questo approccio non supporta nemmeno il modello di rivoluzione di Kuhn. Le persone hanno lavorato bene nel quadro del concetto di Newton anche dopo che i suoi problemi sono diventati evidenti, e non c'è stato nemmeno un periodo di crisi evidente anche dopo che Einstein ha formulato la sua teoria della relatività generale Per alcuni aspetti, la relatività generale ha risolto solo il problema che Einstein stesso ha creato quando ha proposto la relatività speciale).
Crea onde
Per cominciare, va detto che le onde gravitazionali non derivano direttamente dal fatto che Einstein stava lavorando su di esse. Apparentemente, Einstein non pensava davvero molto seriamente alla loro esistenza fino a quando Karl Schwarzschild e la sua fama non lo hanno spinto a farlo. C'era un errore nel suo primo articolo sull'argomento e la versione corretta funzionava solo se le onde si propagavano all'interno del cilindro. Sebbene questo articolo fornisca la base per l'affermazione secondo cui era Einstein a predire l'esistenza delle onde gravitazionali, questa era senza dubbio una soluzione approssimativa in un ambiente semplificato.
Ed è qui che Einstein ha lasciato questo problema alle spalle. La sua attenzione si sposta e cerca di combinare la sua versione della gravità con l'elettromagnetismo. Non molte persone erano pronte ad affrontare questo problema in un momento in cui la meccanica quantistica stava guadagnando terreno e la prima guerra mondiale interruppe il lavoro della comunità scientifica e rivolse l'attenzione dei suoi membri alla fisica applicata. Secondo questi storici della scienza, gran parte del lavoro nel campo della teoria della relatività che è stato svolto durante questo periodo si è concentrato sulla traduzione di sistemi fisici esistenti e ben descritti dal linguaggio della meccanica newtoniana nel linguaggio della teoria della relatività. Molta meno attenzione è stata prestata ai tentativi di determinare quali possibilità uniche di comprensione dell'universo sono fornite dalla teoria della relatività.
La mancanza di una memoria profonda di ciò che significa relatività è stata aggravata da problemi come gli errori matematici di Einstein. Quando concetti assurdi come la singolarità apparvero in matematica, non era chiaro cosa cercassero di dirci in questo modo. Queste astrazioni hanno qualche base nella realtà? Un altro approccio matematico potrebbe offrire una soluzione più intelligente? O la teoria della relatività è limitata a ciò che può spiegare con successo? In assenza di una profonda comprensione di questa teoria, sarà probabilmente difficile dire quale delle seguenti opzioni sia più probabile.
Poiché le onde gravitazionali possono emergere dall'equazione corretta, c'era poco interesse nel determinare se la loro esistenza fosse necessaria, e ancor meno interessava la questione di come poterle catturare.
Sfondamento
Ma come è riuscita questa zona a uscire dalla stagnazione? Negli anni '50, la fisica ricevette molto sostegno dallo stato a causa dei suoi successi durante la guerra e, di conseguenza, la comunità di ricerca crebbe. Inoltre, stava diventando chiaro che gli effetti gravitazionali sarebbero stati necessari per comprendere il nostro corpus in espansione di dati che descrivono l'universo e la sua evoluzione.
La comunità della relatività ha ricevuto sostegno dalla crescente internazionalizzazione della scienza e sono state organizzate conferenze annuali sull'intera gamma di argomenti in quest'area. Questa comunità più ampia è giunta a un consenso sul fatto che le restanti domande fisiche sulla teoria della relatività devono essere affrontate se ogni singolo gruppo di ricercatori vuole avere fiducia nel lavoro che sta facendo. Anche la risoluzione dei problemi associati alla teoria della relatività era considerata un prerequisito per integrarla con la meccanica quantistica e molti erano interessati a lavorare su questo problema.
L'esistenza delle onde gravitazionali era uno di questi problemi e quindi hanno iniziato ad attirare l'attenzione. La svolta fondamentale è avvenuta in una conferenza in cui i ricercatori (incluso Richard Feynman) sono stati in grado di capire come l'energia contenuta nelle onde gravitazionali potrebbe essere scambiata con forme di energia meglio comprese nel resto dell'universo. Un altro ricercatore è stato in grado di fare una descrizione matematica delle onde elettromagnetiche e poi modificarla per descrivere le onde gravitazionali. Le strutture matematiche risultanti divennero la base per comprendere che le onde gravitazionali sono oscillazioni nello spazio-tempo e questo punto di vista persiste fino al tempo presente.
Insurrezione
Tutto ciò, così come i progressi in altre aree della teoria della relatività, ha creato una solida base teorica. Bloom, Lally e Rennes ritengono che all'epoca in cui fu presentata per la prima volta la relatività generale, le persone pensassero in termini di implicazioni della relatività per altre teorie che usavano per comprendere l'universo. Secondo gli storici, all'inizio degli anni '60, si sarebbe dovuto dare credito alla teoria della relatività per essere direttamente correlata al comportamento dell'universo, e non era più necessaria nessun'altra teoria. Ciò creò le basi per la convinzione che le onde gravitazionali, essendo una conseguenza naturale di questa teoria, debbano avere un qualche tipo di manifestazione fisica.
Questa comprensione era necessaria anche per creare un modello che ci permettesse di parlare di come dovrebbero apparire le onde gravitazionali, sulla base degli eventi che le hanno generate. E siamo stati in grado di separare gli eventi reali dal rumore non appena abbiamo avuto un rilevatore come LIGO con sensibilità sufficiente per rilevarli.
Questo processo di 40 anni non si adatta bene alle rivoluzioni di cui parla Kuhn. Non c'è stata crisi e non c'è stato un periodo di frenetica ricerca nel momento in cui le persone hanno cercato di sviluppare una nuova teoria che potesse risolvere le ovvie contraddizioni caratteristiche del suo insostenibile predecessore. Tuttavia, questi storici credono che ci sia una cosa su cui Kuhn aveva ragione: quelle persone che sono profondamente immerse nel mondo relativistico hanno una visione fondamentalmente opposta dell'universo, e sarà difficile per loro condividere le loro opinioni con coloro che vivono nel mondo newtoniano.
Kuhn vedeva questo problema essenzialmente come un problema linguistico; vecchi termini acquisiscono nuovi significati in un nuovo paradigma. Tuttavia, gli storici di cui sopra sembrano credere che tali cambiamenti di prospettiva siano necessari per qualsiasi tipo di progresso scientifico. Finché le persone non potranno entrare nella realtà di una nuova teoria e apprezzarne tutte le conseguenze, sarà difficile per loro coglierne sufficientemente il significato e fare previsioni - ei cambiamenti nel linguaggio sono solo un sottoprodotto.
John Timmer
