La teoría de la relatividad lo cambió todo, pero tomó la cantidad de tiempo correspondiente.
La detección de ondas gravitacionales por el Laboratorio de Ondas Gravitacionales Interferométricas Láser LIGO ocurrió exactamente cien años después de que Einstein formulara su teoría general de la relatividad en un artículo donde se describía matemáticamente la posibilidad de la existencia de ondas gravitacionales. O al menos esa es la historia que se presentó al público (incluido el tuyo de verdad). Y en algunos aspectos incluso se corresponde con la realidad.
Sin embargo, la realidad de cómo la relatividad progresó hasta el punto en que la gente reconoció que las ondas gravitacionales sí parecían existir y que podían detectarse resultó ser significativamente más compleja que la narrativa descrita anteriormente. En Nature Astronomy de esta semana, un grupo de historiadores de la ciencia proporciona todos los detalles de cómo viajamos desde los albores de la relatividad hasta el Laboratorio de Ondas Gravitacionales Interferométricas Láser LIGO. Y en el proceso, los historiadores muestran que las ideas sobre las revoluciones científicas que conducen a cambios inesperados y radicales a veces pueden resultar insostenibles.
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¿Ha cambiado tu paradigma?
El concepto popular de revolución científica (en la medida en que existe) fue expuesto por Thomas Kuhn. Kuhn describió el proceso mediante el cual los datos mueven gradualmente una teoría existente hacia la crisis, permitiendo que casi todos vean que ya no funciona. Después de un período de crisis, se produce una revolución y aparece una nueva teoría. La capacidad de la teoría para resolver todos los problemas que precipitaron el inicio de la crisis gana rápidamente apoyo y comienza un nuevo período de la ciencia, basada en la teoría o "basada en un paradigma", como dice Kuhn.
En cierto nivel, todo esto encaja perfectamente con la historia de la relatividad. Las propuestas de Einstein sí crearon un nuevo paradigma de espacio-tiempo curvo, y resolvieron los muchos problemas de la gravedad de Newton, y también recibieron rápidamente la confirmación experimental y fueron aceptadas. Pero menos de un año después, Einstein publicó un artículo que utilizaba un nuevo paradigma para la generación de ondas gravitacionales. El artículo resultó estar equivocado, pero después de unos años publicó una versión revisada. Esta revolución, que marcó el comienzo del período de los descubrimientos, se completó un siglo después.
Sin embargo, los historiadores mencionados, Alexander Blum, Roberto Lalli y Jürgen Renn, querían abordar a fondo este desfile de cambio de paradigma. Y lo hacen centrándose en las implicaciones de la formulación de la relatividad general de Einstein.
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(Cabe señalar que este enfoque tampoco respalda el modelo de revolución de Kuhn. La gente trabajó bien dentro del marco del concepto de Newton incluso después de que sus problemas se hicieron evidentes, y tampoco hubo un período de crisis obvio incluso después de que Einstein formuló su teoría de la relatividad general. En algunos aspectos, la relatividad general solo resolvió el problema que el mismo Einstein creó cuando propuso la relatividad especial).
Hacer olas
Para empezar, debería decirse que las ondas gravitacionales no surgieron directamente del hecho de que Einstein estuviera trabajando en ellas. Aparentemente, Einstein realmente no pensó en su existencia muy en serio hasta que Karl Schwarzschild y su radio de fama lo empujaron a hacerlo. Hubo un error en su primer artículo sobre el tema, y la versión corregida solo funcionó si las ondas se propagaban dentro del cilindro. Aunque este artículo proporciona la base para las afirmaciones de que fue Einstein quien predijo la existencia de ondas gravitacionales, esta fue sin duda una solución aproximada en un entorno simplificado.
Y fue aquí donde Einstein dejó atrás este problema. Su enfoque cambia e intenta combinar su versión de la gravedad con el electromagnetismo. No muchas personas estaban preparadas para abordar este problema en el momento en que la mecánica cuántica estaba ganando terreno y la Primera Guerra Mundial interrumpió el trabajo de la comunidad científica y dirigió la atención de sus miembros a la física aplicada. Según estos historiadores de la ciencia, gran parte del trabajo en el campo de la teoría de la relatividad que se llevó a cabo durante este período se centró en traducir sistemas físicos existentes y bien descritos del lenguaje de la mecánica newtoniana al lenguaje de la teoría de la relatividad. Se ha prestado mucha menos atención a los intentos de determinar qué posibilidades únicas de comprensión del universo proporciona la teoría de la relatividad.
La falta de una memoria profunda de lo que significa la relatividad se vio agravada por problemas como los errores matemáticos de Einstein. Cuando aparecieron en las matemáticas conceptos tan absurdos como la singularidad, no estaba claro qué estaban tratando de decirnos de esta manera. ¿Tienen estas abstracciones alguna base en la realidad? ¿Podría otro enfoque matemático ofrecer una solución más inteligente? ¿O la teoría de la relatividad está limitada en lo que puede explicar con éxito? En ausencia de una comprensión profunda de esta teoría, probablemente será difícil decir cuál de las siguientes opciones es más probable.
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Dado que las ondas gravitacionales pueden surgir de la ecuación correcta, hubo poco interés en determinar si su existencia era necesaria, y aún menos interés en la cuestión de cómo podemos capturarlas.
Penetración
Pero, ¿cómo logró esta zona salir del estancamiento? En la década de 1950, la física recibió mucho apoyo del estado debido a sus éxitos durante la guerra y, como resultado, la comunidad de investigadores creció. Además, se estaba volviendo claro que se necesitarían efectos gravitacionales para comprender nuestro corpus de datos en expansión que describe el universo y su evolución.
La comunidad de la relatividad ha recibido el apoyo de la creciente internacionalización de la ciencia y se han organizado conferencias anuales sobre una amplia gama de temas en esta área. Esta comunidad más amplia ha llegado a un consenso de que las cuestiones físicas restantes sobre la teoría de la relatividad deben abordarse si cada grupo individual de investigadores quiere tener confianza en el trabajo que están haciendo. Resolver los problemas asociados con la teoría de la relatividad también se consideró un requisito previo para integrarla con la mecánica cuántica, y muchos estaban interesados en trabajar en este problema.
La existencia de ondas gravitacionales fue uno de estos problemas, por lo que comenzaron a llamar la atención. El avance clave se produjo en una conferencia en la que los investigadores (incluido Richard Feynman) pudieron comprender cómo la energía contenida en las ondas gravitacionales podría intercambiarse con formas de energía mejor entendidas en el resto del universo. Otro investigador pudo hacer una descripción matemática de ondas electromagnéticas y luego modificarla para describir ondas gravitacionales. Las estructuras matemáticas resultantes se convirtieron en la base para comprender que las ondas gravitacionales son oscilaciones en el espacio-tiempo, y este punto de vista persiste hasta la actualidad.
Insurrección
Todo esto, así como el progreso en otras áreas de la teoría de la relatividad, ha creado una sólida base teórica. Bloom, Lally y Rennes creen que cuando se presentó por primera vez la relatividad general, los humanos pensaban en términos de las consecuencias de la relatividad para otras teorías que usaban para comprender el universo. Según los historiadores, a principios de la década de 1960, la teoría de la relatividad debería haber recibido crédito por estar directamente relacionada con el comportamiento del universo, y ya no se necesitaba ninguna otra teoría. Esto creó la base para la creencia de que las ondas gravitacionales, al ser una consecuencia natural de esta teoría, deben tener algún tipo de manifestación física.
Esta comprensión también fue necesaria para crear un modelo que nos permitiera hablar sobre cómo deberían ser las ondas gravitacionales, en función de los eventos que las generaron. Y pudimos separar los eventos reales del ruido tan pronto como tuvimos un detector como LIGO con suficiente sensibilidad para detectarlos.
Este proceso de 40 años no encaja bien con las revoluciones de las que habla Kuhn. No hubo crisis, y no hubo período de investigación frenética en el momento en que la gente intentó desarrollar una nueva teoría que pudiera resolver las obvias contradicciones características de su insostenible predecesor. Sin embargo, estos historiadores creen que hay una cosa en la que Kuhn tenía razón: aquellas personas que están profundamente inmersas en el mundo relativista tienen una visión fundamentalmente opuesta del universo, y les será difícil compartir sus puntos de vista con quienes viven en el mundo newtoniano.
Kuhn vio este problema como esencialmente un problema de lenguaje; los términos antiguos adquieren nuevos significados en un nuevo paradigma. Sin embargo, los historiadores anteriores parecen creer que tales cambios de perspectiva son necesarios para cualquier tipo de progreso científico. Hasta que la gente pueda entrar en la realidad de una nueva teoría y apreciar todas sus consecuencias, será difícil para ellos captar suficientemente su significado y hacer predicciones, y los cambios en el lenguaje son solo un subproducto.
John Timmer
