La théorie de la relativité a tout changé, mais cela a pris un certain temps.
La détection des ondes gravitationnelles par le laboratoire d'ondes gravitationnelles interférométriques laser LIGO s'est produite exactement cent ans après qu'Einstein a formulé sa théorie générale de la relativité dans un article où la possibilité de l'existence d'ondes gravitationnelles a été mathématiquement décrite. Ou du moins c'est l'histoire qui a été présentée au public (y compris la vôtre vraiment). Et à certains égards, cela correspond même à la réalité.
Cependant, la réalité de la façon dont la relativité a progressé au point où les gens ont reconnu que les ondes gravitationnelles semblaient exister et qu'elles pouvaient être détectées s'est avérée beaucoup plus complexe que le récit décrit ci-dessus. Dans l'astronomie de la nature de cette semaine, un groupe d'historiens des sciences fournit tous les détails sur la façon dont nous avons voyagé de l'aube de la relativité au laboratoire d'ondes gravitationnelles interférométriques laser LIGO. Et dans le processus, les historiens montrent que les idées sur les révolutions scientifiques conduisant à des changements inattendus et radicaux peuvent parfois s'avérer intenables.
Votre paradigme a-t-il changé?
Le concept populaire de révolution scientifique (dans la mesure où il existe) a été exposé par Thomas Kuhn. Kuhn a décrit le processus par lequel les données déplacent progressivement une théorie existante vers la crise, permettant à presque tout le monde de voir qu'elle ne fonctionne plus. Après une période de crise, une révolution se produit et une nouvelle théorie apparaît. La capacité de la théorie à résoudre tous les problèmes qui ont précipité le déclenchement de la crise gagne rapidement du terrain, et une nouvelle période de science commence, basée sur la théorie ou «basée sur un paradigme», comme le dit Kuhn.
À un certain niveau, tout cela s'inscrit parfaitement dans l'histoire de la relativité. Les propositions d'Einstein ont en effet créé un nouveau paradigme d'espace-temps incurvé, et elles ont résolu de nombreux problèmes de gravité de Newton, ont également rapidement reçu une confirmation expérimentale et ont été acceptées. Mais moins d'un an plus tard, Einstein a publié un article qui utilisait un nouveau paradigme pour la génération d'ondes gravitationnelles. L'article s'est avéré être faux, mais après quelques années, il a publié une version révisée. Cette révolution, qui marque le début de la période de découverte, s'achève un siècle plus tard.
Cependant, les historiens mentionnés - Alexander Blum, Roberto Lalli et Jürgen Renn - voulaient s'attaquer à fond à cette parade de changement de paradigme. Et ils le font en se concentrant sur les implications de la formulation d'Einstein de la relativité générale.
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(Il convient de noter que cette approche ne soutient pas non plus le modèle de révolution de Kuhn. Les gens ont bien travaillé dans le cadre du concept de Newton même après que ses problèmes sont devenus apparents, et il n'y avait pas non plus de période de crise évidente même après qu'Einstein a formulé sa théorie de la relativité générale. À certains égards, la relativité générale n'a résolu que le problème qu'Einstein lui-même a créé en proposant la relativité restreinte).
Faire des vagues
Pour commencer, il faut dire que les ondes gravitationnelles ne sont pas directement issues du fait qu'Einstein y travaillait. Apparemment, Einstein n'a pas vraiment pensé à leur existence très sérieusement jusqu'à ce que Karl Schwarzschild et sa renommée de rayon le poussent à le faire. Il y avait une erreur dans son premier article sur le sujet, et la version corrigée ne fonctionnait que si les ondes se propageaient à l'intérieur du cylindre. Bien que cet article fournisse la base des affirmations selon lesquelles c'est Einstein qui a prédit l'existence des ondes gravitationnelles, il s'agissait sans aucun doute d'une solution approximative dans un environnement simplifié.
Et c'est ici qu'Einstein a laissé ce problème derrière lui. Sa concentration change et il essaie de combiner sa version de la gravité avec l'électromagnétisme. Peu de gens étaient prêts à faire face à ce problème à un moment où la mécanique quantique gagnait du terrain et où la Première Guerre mondiale perturbait les travaux de la communauté scientifique et tournait l'attention de ses membres vers la physique appliquée. Selon ces historiens de la science, une grande partie du travail dans le domaine de la théorie de la relativité qui a été effectué au cours de cette période s'est concentrée sur la traduction des systèmes physiques existants et bien décrits du langage de la mécanique newtonienne dans le langage de la théorie de la relativité. Beaucoup moins d'attention a été accordée aux tentatives de déterminer les possibilités uniques de compréhension de l'univers offertes par la théorie de la relativité.
Le manque de mémoire profonde de ce que signifie la relativité a été aggravé par des problèmes tels que les erreurs mathématiques d'Einstein. Lorsque des concepts aussi absurdes que la singularité sont apparus en mathématiques, ce qu'ils essayaient de nous dire de cette manière n'était pas clair. De telles abstractions ont-elles un fondement dans la réalité? Une autre approche mathématique pourrait-elle offrir une solution plus intelligente? Ou la théorie de la relativité est-elle limitée dans ce qu'elle peut expliquer avec succès? En l'absence d'une compréhension approfondie de cette théorie, il sera probablement difficile de dire laquelle des options suivantes est la plus probable.
Puisque les ondes gravitationnelles peuvent émerger de la bonne équation, il y avait peu d'intérêt à déterminer si leur existence était nécessaire, et encore moins à la question de savoir comment nous pouvons les capturer.
Percée
Mais comment cette zone a-t-elle réussi à sortir de la stagnation? Dans les années 1950, la physique a reçu beaucoup de soutien de l'État en raison de ses succès pendant la guerre et, par conséquent, la communauté de recherche s'est développée. De plus, il devenait clair que des effets gravitationnels seraient nécessaires pour comprendre notre corpus en expansion de données décrivant l'univers et son évolution.
La communauté de la relativité a reçu le soutien de l'internationalisation croissante de la science, et des conférences annuelles ont été organisées sur l'ensemble des sujets dans ce domaine. Cette communauté plus large est parvenue à un consensus sur le fait que les questions physiques restantes sur la théorie de la relativité doivent être abordées si chaque groupe individuel de chercheurs veut avoir confiance dans le travail qu'il effectue. La résolution des problèmes associés à la théorie de la relativité était également considérée comme une condition préalable à son intégration à la mécanique quantique, et beaucoup étaient intéressés à travailler sur ce problème.
L'existence d'ondes gravitationnelles était l'un de ces problèmes et elles ont donc commencé à attirer l'attention. La percée clé a eu lieu lors d'une conférence où des chercheurs (dont Richard Feynman) ont pu comprendre comment l'énergie contenue dans les ondes gravitationnelles pouvait être échangée avec des formes d'énergie mieux comprises dans le reste de l'univers. Un autre chercheur a pu faire une description mathématique des ondes électromagnétiques puis la modifier pour décrire les ondes gravitationnelles. Les structures mathématiques qui en résultent sont devenues la base pour comprendre que les ondes gravitationnelles sont des oscillations dans l'espace-temps, et ce point de vue persiste jusqu'à nos jours.
Insurrection
Tout cela, ainsi que les progrès dans d'autres domaines de la théorie de la relativité, ont créé une base théorique solide. Bloom, Lally et Rennes pensent qu'au moment où la relativité générale a été présentée pour la première fois, les humains pensaient en termes de conséquences de la relativité pour d'autres théories qu'ils utilisaient pour comprendre l'univers. Selon les historiens, au début des années 1960, la théorie de la relativité aurait dû être reconnue comme étant directement liée au comportement de l'univers, et aucune autre théorie n'était plus nécessaire. Cela a créé la base de la croyance que les ondes gravitationnelles, étant une conséquence naturelle de cette théorie, doivent avoir une sorte de manifestation physique.
Cette compréhension était également nécessaire pour créer un modèle qui nous permettrait de parler de ce à quoi devraient ressembler les ondes gravitationnelles, en fonction des événements qui les ont générées. Et nous avons pu séparer les événements réels du bruit dès que nous avons eu un détecteur tel que LIGO avec une sensibilité suffisante pour les détecter.
Ce processus de 40 ans ne correspond pas bien aux révolutions dont parle Kuhn. Il n'y a pas eu de crise et il n'y a pas eu de période de recherche effrénée au moment où les gens ont essayé de développer une nouvelle théorie qui pourrait résoudre les contradictions évidentes caractéristiques de son prédécesseur intenable. Cependant, ces historiens pensent qu'il y a une chose sur laquelle Kuhn avait raison: ces personnes qui sont profondément immergées dans le monde relativiste ont une vision fondamentalement opposée de l'univers, et il leur sera difficile de partager leurs points de vue avec ceux qui vivent dans le monde newtonien.
Kuhn considérait ce problème comme essentiellement un problème de langue; les anciens termes acquièrent de nouvelles significations dans un nouveau paradigme. Cependant, les historiens cités ci-dessus semblent croire que de tels changements de perspective sont nécessaires à tout type de progrès scientifique. Tant que les gens ne pourront pas entrer dans la réalité d'une nouvelle théorie et apprécier toutes ses implications, il leur sera difficile de saisir suffisamment sa signification et de faire des prédictions - et les changements de langage ne sont qu'un sous-produit.
John Timmer
