Обнаружение Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой лабораторией LIGO гравитационных волн произошло спустя ровно сто лет после того, как Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности в статье, где математически была описана возможность существования гравитационных волн. Или, по крайней мере, такова история, которая была представлена общественности (в том числе вашему покорному слуге). И в некоторых отношениях она даже соответствует действительности.
Однако реальность того, как относительность прогрессировала до той точки, когда люди признали, что гравитационные волны, судя по всему, существуют и что они могут быть обнаружены, оказалась значительно более сложной, чем описанный выше нарратив. В появившемся на этой неделе номере журнала Nature Astronomy группа историков науки представляет все детали того, как мы преодолели путь от зарождения теории относительности до создания Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой лаборатории LIGO. А в процессе изложения историки показывают, что идеи о научных революциях, приводящих к неожиданному и радикальному сдвигу, могут иногда оказаться несостоятельными.
А изменилась ли ваша парадигма?
Популярная концепция научных революций (в той мере, в которой она существует) была изложена Томасом Куном (Thomas Kuhn). Кун описывал процесс, в ходе которого данные постепенно двигают существующую теорию в сторону кризиса, позволяя почти каждому увидеть, что она больше не работает. После периода кризиса происходит революция, и появляется новая теория. Способность теории решать все проблемы, ускорившие наступление кризиса, быстро получает поддержку, и начинается новый период науки, основанный на теории или «основанный на парадигме», по выражению Куна.
На определенном уровне все это прекрасно сочетается с историей относительности. Предложения Эйнштейна действительно создали новую парадигму искривленного пространства-времени, и они решили многочисленные проблемы гравитации Ньютона, а также быстро получили экспериментальное подтверждение, и были приняты. Но менее чем через год Эйнштейн опубликовал статью, в которой использовалась новая парадигма возникновения гравитационных волн. Статья оказалась ошибочной, однако через несколько лет он опубликовал исправленную версию. Эта революция, положившая начало периоду открытий, через столетие была завершена.
Однако упомянутые историки — Александр Блум (Alexander Blum), Роберто Лалли (Roberto Lalli) и Юрген Ренн (Jürgen Renn) — захотели основательно заняться именно этим парадом, связанным со сменой парадигмы. И они делают это, концентрируя внимание на последствиях формулирования Эйнштейном общей теории относительности.
(Следует отметить, что этот подход не поддерживает и предложенную Куном модель революции. Люди благополучно работали в рамках концепции Ньютона даже после того, как ее проблемы стали очевидными, и не было также очевидного кризисного периода даже после того, как Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности. В некотором отношении общая теория относительности решала только ту проблему, которую создал сам Эйнштейн, предложив специальную теорию относительности).
Делайте волны
Для начинающих следует сказать, что гравитационные волны не возникли прямо из того обстоятельства, что Эйнштейн над ними работал. Судя по всему, Эйнштейн не очень серьезно продумал вопрос об их существовании, пока его не подтолкнул к этому Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild) и его гравитационный радиус (radius fame). В его первой статье на тему содержалась ошибка, а исправленная версия работала только в том случае, если волны распространялись внутри цилиндра. Хотя эта статья служит основанием для утверждений о том, что именно Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн, это было, несомненно, приблизительное решение в упрощенной среде.
И именно здесь Эйнштейн оставил эту проблему. Его внимание смещается, и он пытается объединить свою версию гравитации с электромагнетизмом. Не так много людей были готовы заниматься этим вопросом в то время, когда получала распространение квантовая механика, а Первая мировая война нарушила работу научного сообщества и перевела внимание его членов на прикладную физику. По мнению упомянутых историков науки, большая часть работы в области теории относительности, проводившейся в тот период, была сфокусирована на переводе существовавших и хорошо описанных физических системы с языка ньютоновской механики на язык теории относительности. Значительно меньше внимания уделялось попыткам определить, какие уникальные возможности познания вселенной предоставляет теория относительности.
Отсутствие глубокого поминания того, что означает теория относительности, усугублялось еще и такими проблемами, как математические ошибки Эйнштейна. Когда в математике появились такие абсурдные понятия, как сингулярность, было непонятно, что таким образом нам пытаются сказать. Имеют ли вообще подобные абстракции какую-то основу в реальности? А сможет ли другой математический подход предложить более разумное решение? Или теория относительности ограничена в том, что она может успешно объяснить? При отсутствии глубокого понимания этой теории, вероятно, будет сложно сказать, какой из приведенных вариантов является наиболее вероятным.
Поскольку гравитационные волны могут появиться из правильного уравнения, то не существовало большого интереса к тому, чтобы определить, является ли необходимым их существование, а еще меньше интереса было к вопросу о том, каким образом мы можем их уловить.
Прорыв
Но каким же образом этой области удалось вырваться из застойного состояния? В 1950-х годах физика получила большую поддержку от государства из-за ее успехов во время войны, и в результате сообщество исследователей увеличилось. Кроме того, становилось ясно, что гравитационные эффекты будут необходимы для понимания нашего расширяющегося корпуса данных, описывающих вселенную и ее эволюцию.
Занимавшееся вопросами теории относительности сообщество получило поддержку от растущей интернационализации науки, и были организованы ежегодные конференции по всему кругу вопросов в этой области. Это расширенное сообщество пришло к консенсусу: остающиеся физические вопросы по поводу теории относительности должны быть учтены, если каждая отдельная группа исследователей хочет быть уверенной в той работе, которой она занимается. Решение проблем, связанных с теорией относительности, считалось также необходимым предварительным условием для объединения ее с квантовой механикой, и многие были заинтересованы в работе над этой проблемой.
Существование гравитационных волн было одной из этих проблем, и поэтому они стали привлекать к себе внимание. Ключевой прорыв был сделан на конференции, на которой исследователи (включая Ричарда Фейнмана), смогли понять, каким образом энергия, содержащаяся в гравитационных волнах, может обмениваться с лучше понимаемыми формами энергии в оставшейся части вселенной. Еще один исследователь смог сделать математическое описание электромагнитных волн, а затем изменить его для описания гравитационных волн. Возникшие в результате математические структуры стали основой для понимания того, что гравитационные волны являются колебаниями в пространстве-времени, и подобная точка зрения сохраняется до настоящего времени.
Восстание
Все это, а также прогресс в других областях теории относительности позволило создать прочную теоретическую основу. Блум, Лалли и Ренн считают, что в то время, когда впервые была представлена общая теория относительности, люди мыслили с точки зрения последствий относительности для других теорий, использовавшихся ими для понимания вселенной. По мнению историков, к началу 1960-х годов следовало отдать должное теории относительности за то, что она имела непосредственное отношение к поведению вселенной, и никакая другая теория уже не была нужна. Это создало основу для уверенности в том, что гравитационные волны, будучи естественным следствием этой теории, должны иметь какое-то физическое проявление.
Это понимание было также необходимо для создания модели, которая позволяла бы говорить о том, как должны выглядеть гравитационные волны, если основываться на тех событиях, которые их породили. И мы смогли отделить реальные события от шума, как только у нас появился такой детектор как LIGO c достаточной чувствительностью для их обнаружения.
Этот 40-летний процесс не очень хорошо вписывается в те революции, о которых говорит Кун. Не было никакого кризиса, и не было никакого периода неистовых исследований в тот момент, когда люди пытались разработать новую теорию, которая могла бы разрешить очевидные противоречия, характерные для ее несостоятельной предшественницы. Однако эти историки полагают, что есть одна вещь, относительно которой Кун был прав: те люди, которые глубоко погружены в релятивистский мир, имеют фундаментально противоположное представление о вселенной, и им будет сложно поделиться своими взглядами с теми, кто живет в ньютоновском мире.
Кун считал эту проблему, по сути, проблемой языка; старые термины приобретают новые значения в условиях новой парадигмы. Однако указанные выше историки, судя по всему, считают, что подобные изменения перспективы необходимы для любого вида научного прогресса. Пока люди не смогут войти в реальность новой теории и оценить все ее последствия, им будет сложно в достаточной мере осознать ее значение и сделать предсказания — а изменения в языке представляют собой всего лишь побочный продукт.
