Die Relativitätstheorie hat alles verändert, aber es hat entsprechend viel Zeit in Anspruch genommen.
Die Detektion von Gravitationswellen durch das Laserinterferometrische Gravitationswellenlabor LIGO erfolgte genau einhundert Jahre, nachdem Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie in einem Artikel formuliert hatte, in dem die Möglichkeit der Existenz von Gravitationswellen mathematisch beschrieben wurde. Zumindest ist dies die Geschichte, die der Öffentlichkeit präsentiert wurde (einschließlich Ihrer wirklich). Und in mancher Hinsicht entspricht es sogar der Realität.
Die Realität, wie die Relativitätstheorie so weit fortgeschritten ist, dass die Menschen erkannt haben, dass Gravitationswellen zu existieren scheinen und dass sie erkannt werden können, erwies sich jedoch als viel komplexer als die oben beschriebene Erzählung. In der Naturastronomie dieser Woche liefert eine Gruppe von Wissenschaftshistorikern alle Details darüber, wie wir vom Beginn der Relativitätstheorie zum LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Laboratory gereist sind. Dabei zeigen Historiker, dass sich Vorstellungen über wissenschaftliche Revolutionen, die zu unerwarteten und radikalen Veränderungen führen, manchmal als unhaltbar herausstellen können.
Hat sich Ihr Paradigma geändert?
Das populäre Konzept der wissenschaftlichen Revolution (soweit es existiert) wurde von Thomas Kuhn dargelegt. Kuhn beschrieb den Prozess, durch den Daten eine bestehende Theorie schrittweise in Richtung Krise bewegen, sodass fast jeder erkennen kann, dass sie nicht mehr funktioniert. Nach einer Krise findet eine Revolution statt und eine neue Theorie erscheint. Die Fähigkeit der Theorie, alle Probleme zu lösen, die den Ausbruch der Krise ausgelöst haben, gewinnt schnell an Unterstützung, und eine neue Periode der Wissenschaft beginnt, basierend auf Theorie oder "basierend auf einem Paradigma", wie Kuhn es ausdrückt.
Auf einer bestimmten Ebene passt dies alles perfekt zur Relativitätsgeschichte. Einsteins Vorschläge schufen tatsächlich ein neues Paradigma der gekrümmten Raumzeit, und sie lösten zahlreiche Probleme der Newtonschen Schwerkraft, erhielten auch schnell experimentelle Bestätigung und wurden akzeptiert. Weniger als ein Jahr später veröffentlichte Einstein ein Papier, das ein neues Paradigma für die Erzeugung von Gravitationswellen verwendete. Der Artikel stellte sich als falsch heraus, aber nach einigen Jahren veröffentlichte er eine überarbeitete Version. Diese Revolution, die den Beginn der Entdeckungsperiode markierte, wurde ein Jahrhundert später abgeschlossen.
Die genannten Historiker - Alexander Blum, Roberto Lalli und Jürgen Renn - wollten diese Paradigmenwechselparade jedoch gründlich angehen. Und sie tun dies, indem sie sich auf die Implikationen von Einsteins Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie konzentrieren.
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(Es sollte angemerkt werden, dass dieser Ansatz auch Kuhns Revolutionsmodell nicht unterstützt. Die Menschen arbeiteten im Rahmen von Newtons Konzept gut, selbst nachdem seine Probleme offensichtlich wurden, und es gab auch keine offensichtliche Krisenperiode, selbst nachdem Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie formuliert hatte In mancher Hinsicht löste die allgemeine Relativitätstheorie nur das Problem, das Einstein selbst geschaffen hatte, als er eine spezielle Relativitätstheorie vorschlug.
Wellen machen
Für den Anfang sollte gesagt werden, dass Gravitationswellen nicht direkt aus der Tatsache entstanden sind, dass Einstein an ihnen arbeitete. Anscheinend dachte Einstein nicht wirklich ernsthaft über ihre Existenz nach, bis Karl Schwarzschild und sein Radius-Ruhm ihn dazu drängten. In seinem ersten Artikel zum Thema gab es einen Fehler, und die korrigierte Version funktionierte nur, wenn sich die Wellen im Zylinder ausbreiteten. Während dieser Artikel die Grundlage für die Behauptung liefert, dass es Einstein war, der die Existenz von Gravitationswellen vorhergesagt hat, war dies zweifellos eine ungefähre Lösung in einer vereinfachten Umgebung.
Und hier hat Einstein dieses Problem hinter sich gelassen. Sein Fokus verschiebt sich und er versucht, seine Version der Schwerkraft mit Elektromagnetismus zu kombinieren. Zu der Zeit, als die Quantenmechanik auf dem Vormarsch war und der Erste Weltkrieg die Arbeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft störte und die Aufmerksamkeit ihrer Mitglieder auf die angewandte Physik lenkte, waren nicht viele Menschen bereit, dieses Problem anzugehen. Nach Ansicht der genannten Wissenschaftshistoriker konzentrierte sich ein Großteil der in dieser Zeit durchgeführten Arbeiten auf dem Gebiet der Relativitätstheorie auf die Übersetzung bestehender und gut beschriebener physikalischer Systeme aus der Sprache der Newtonschen Mechanik in die Sprache der Relativitätstheorie. Versuche, festzustellen, welche einzigartigen Möglichkeiten zum Verständnis des Universums die Relativitätstheorie bietet, wurden viel weniger berücksichtigt.
Das Fehlen einer tiefen Erinnerung daran, was Relativität bedeutet, wurde durch Probleme wie Einsteins mathematische Fehler verstärkt. Als solche absurden Konzepte wie Singularität in der Mathematik auftauchten, war nicht klar, was sie uns auf diese Weise zu sagen versuchten. Haben solche Abstraktionen in der Realität eine Grundlage? Könnte ein anderer mathematischer Ansatz eine intelligentere Lösung bieten? Oder ist die Relativitätstheorie in dem begrenzt, was sie erfolgreich erklären kann? Ohne ein tiefes Verständnis dieser Theorie wird es wahrscheinlich schwierig sein zu sagen, welche der folgenden Optionen am wahrscheinlichsten ist.
Da Gravitationswellen aus der richtigen Gleichung hervorgehen können, bestand wenig Interesse daran, festzustellen, ob ihre Existenz notwendig war, und noch weniger Interesse bestand an der Frage, wie wir sie erfassen können.
Durchbruch
Aber wie ist es diesem Gebiet gelungen, aus der Stagnation auszubrechen? In den 1950er Jahren erhielt die Physik aufgrund ihrer Erfolge während des Krieges viel Unterstützung vom Staat, und infolgedessen wuchs die Forschungsgemeinschaft. Darüber hinaus wurde klar, dass Gravitationseffekte erforderlich sein würden, um unseren wachsenden Datenbestand zu verstehen, der das Universum und seine Entwicklung beschreibt.
Die Relativitätsgemeinschaft hat Unterstützung von der zunehmenden Internationalisierung der Wissenschaft erhalten, und es wurden jährliche Konferenzen zu allen Themen in diesem Bereich organisiert. Diese breitere Gemeinschaft ist sich einig, dass die verbleibenden physikalischen Fragen zur Relativitätstheorie angegangen werden müssen, wenn jede einzelne Gruppe von Forschern Vertrauen in ihre Arbeit haben möchte. Die Lösung der mit der Relativitätstheorie verbundenen Probleme wurde auch als Voraussetzung für die Integration in die Quantenmechanik angesehen, und viele waren daran interessiert, an diesem Problem zu arbeiten.
Die Existenz von Gravitationswellen war eines dieser Probleme, und deshalb erregten sie Aufmerksamkeit. Der entscheidende Durchbruch gelang auf einer Konferenz, auf der Forscher (einschließlich Richard Feynman) verstehen konnten, wie die in Gravitationswellen enthaltene Energie mit besser verstandenen Energieformen im Rest des Universums ausgetauscht werden kann. Ein anderer Forscher konnte elektromagnetische Wellen mathematisch beschreiben und anschließend modifizieren, um Gravitationswellen zu beschreiben. Die resultierenden mathematischen Strukturen wurden zur Grundlage für das Verständnis, dass Gravitationswellen Schwingungen in der Raumzeit sind, und dieser Gesichtspunkt bleibt bis in die Gegenwart bestehen.
Aufstand
All dies sowie Fortschritte in anderen Bereichen der Relativitätstheorie haben eine solide theoretische Grundlage geschaffen. Bloom, Lally und Rennes glauben, dass die Menschen zu der Zeit, als die allgemeine Relativitätstheorie erstmals vorgestellt wurde, über die Konsequenzen der Relativitätstheorie für andere Theorien nachdachten, die sie zum Verständnis des Universums verwendeten. Historikern zufolge sollte der Relativitätstheorie in den frühen 1960er Jahren die direkte Beziehung zum Verhalten des Universums zugeschrieben werden, und es wurde keine andere Theorie mehr benötigt. Dies schuf die Grundlage für die Annahme, dass Gravitationswellen als natürliche Folge dieser Theorie eine Art physikalische Manifestation haben müssen.
Dieses Verständnis war auch notwendig, um ein Modell zu erstellen, mit dem wir anhand der Ereignisse, die sie erzeugt haben, darüber sprechen können, wie Gravitationswellen aussehen sollten. Und wir konnten reale Ereignisse vom Rauschen trennen, sobald wir einen Detektor wie LIGO mit ausreichender Empfindlichkeit hatten, um sie zu erkennen.
Dieser 40-jährige Prozess passt nicht gut zu den Revolutionen, von denen Kuhn spricht. Es gab keine Krise und es gab keine Zeit hektischer Forschung, als die Menschen versuchten, eine neue Theorie zu entwickeln, die die offensichtlichen Widersprüche auflösen konnte, die für ihren unhaltbaren Vorgänger charakteristisch sind. Diese Historiker glauben jedoch, dass es eine Sache gibt, mit der Kuhn Recht hatte: Diejenigen Menschen, die tief in die relativistische Welt eingetaucht sind, haben eine grundlegend entgegengesetzte Sicht des Universums, und es wird für sie schwierig sein, ihre Ansichten mit denen zu teilen, die in der Newtonschen Welt leben.
Kuhn sah dieses Problem im Wesentlichen als Sprachproblem an; alte Begriffe erhalten neue Bedeutungen in einem neuen Paradigma. Die oben genannten Historiker scheinen jedoch zu glauben, dass solche Perspektivwechsel für jede Art von wissenschaftlichem Fortschritt notwendig sind. Bis die Menschen in die Realität einer neuen Theorie eintreten und alle ihre Konsequenzen einschätzen können, wird es für sie schwierig sein, ihre Bedeutung ausreichend zu erfassen und Vorhersagen zu treffen - und Sprachänderungen sind nur ein Nebenprodukt.
John Timmer
