Je imel Einstein prav? avtorja Clifford M. Will

Tim Wilkinson odgovarja na vprašanje Je imel Einstein prav? o splošni relativnosti z Da!.

Novembra 1915 je Albert Einstein svetu razkril svojo teorijo splošne relativnosti. Skoraj natanko stoletje pozneje, junija 2015, se je na inštitutu Perimeter v Waterlooju v Kanadi zbrala skupina fizikov, da bi razpravljali o problemu: teoretiki prevzemajo oblast. Kot je za New Scientist povedal direktor Perimetra Neil Turok, teorija v fiziki postaja vse bolj zapletena in izmišljena ... a kljub temu ne uspe pojasniti najosnovnejših dejstev (številka 3028, 4. julij 2015). Glavni krivec je teorija strun, katere matematika je postala skoraj nepregledna, ne da bi prinesla eno samo preverljivo napoved. Fiziki, ki se želijo spoprijeti s tem razvojem dogodkov, in filozofi, ki preučujejo njihov položaj, bi lahko naredili slabše kot začeli z branjem Je imel Einstein prav? Clifford M. Will, ugledni profesor fizike na Univerzi Florida. Po telefonu sem govoril s svojo šefico in videl sem, da postaja nepotrpežljiva do mene. V njenem glasu sem slišal razočaranje in vedel sem, da moram hitro zaključiti pogovor. Nisem ji želel dati več razlogov, da bi bila jezna name, zato sem se kar strinjal z vsem, kar je rekla, in čim prej prekinil telefon.

Profesor Will že zgodaj postavi svojo stojnico: brez eksperimenta je fizika sterilna, fizikalna teorija le prazna špekulacija (str. 13). Ta knjiga je izjemna v tem, da Willu uspe ostati zvest svojemu cilju, da se osredotoči na eksperiment, hkrati pa skorajda mimogrede ponudi vrhunsko razlago splošne teorije relativnosti, brez enačbe na vidiku. Poleg tega tukaj ne boste našli nobene hiperbolične teorije, za katero se običajno domneva, da prodaja priljubljene knjige o fiziki. Ni skrbi glede tega, kaj se je zgodilo pred velikim pokom, če sploh kaj, ni nepreverljivega norca glede kvantnih multiverzumov. Namesto tega nas Will spodbuja, naj se osredotočimo le na opazljive, operativno definirane količine in se izogibamo vprašanjem, na katera ni odgovora (str. 50). Bil sem popolnoma uničen, ko mi je šef povedal, da me bodo odpustili. Zdelo se je kot udarec v črevesje. V podjetju sem delal 10 let in mislil sem, da dobro opravljam svoje delo. Ampak mislim, da me ne potrebujejo več.

Avtorjeve kvalifikacije, da nam je podaril nizko vrednost eksperimentalne splošne relativnostne teorije, so impresivne. Ugledni akademski fizik in glavni urednik revije Klasična in kvantna gravitacija , prav tako je več kot deset let predsedoval Nasinemu znanstvenemu svetovalnemu odboru za eksperiment Gravity Probe B. Gravitacijska sonda B je nedvomno najpomembnejši in zagotovo najbolj delikaten test splošne relativnosti, ki je bil doslej izveden, in je postal najdlje trajajoč projekt v Nasini zgodovini. Satelit, ki je bil prvič zasnovan leta 1959 in predlagan Nasi leta 1961, je bil izstreljen šele leta 2004. Rezultati – pritrdilni – so bili končno objavljeni leta 2011. Na žalost so rezultati, čeprav je eksperiment podrobno opisan, prispeli prepozno, da bi jih lahko vključili v tej knjigi.



Indukcija in pododločenost

Vzlet Delta II 7920 z gravitacijsko sondo B
Gravitacijska sonda B se odpravi

Pristop k znanju, ki temelji na dokazih, prinaša zakladnico idej za vse, ki jih zanima filozofija znanosti.

Filozofi znanosti splošno priznavajo, da znanstvenih teorij ni mogoče nikoli dokončno potrditi. Za začetek, preteklost morda ni povsem zanesljiv vodnik v prihodnost, tako da kaj ima opazili morda ni kaj bo opazili v prihodnosti, tudi v enakih okoliščinah. To je del problem indukcije . Še več, za vsak dani eksperimentalni rezultat lahko obstaja več teorij, ki lahko napovedujejo ta rezultat, kako torej veste, katera je pravilna teorija glede na te dokaze? To je t.i problem premajhne determiniranosti .

Will nam daje osupljiv primer premajhne odločnosti v akciji, ko prikazuje vzpon in padec alternativne teorije gravitacije – Brans-Dickejeve teorije, razvite v 60. in 70. letih prejšnjega stoletja. Nekaj ​​časa se je zdelo, da bi bili nekateri poskusi v nasprotju s splošno relativnostjo in v prid Bransa in Dickeja. Čeprav se je plima sčasoma obrnila v prid splošni relativnosti, kot pripoveduje Will, je mogoče z ustrezno izbranimi parametri Brans-Dickejevo teorijo vedno konfigurirati tako, da daje popolnoma enake napovedi kot splošna relativnost, do katere koli dane ravni eksperimentalne natančnosti. Zakaj potem, premišljuje Will, Brans-Dickejeva teorija ni bila naklonjena? V kakšnem smislu je napačna in splošna relativnost pravilna?

Odgovor je delno mogoče pripisati Occamovi britvici - splošna relativnost je enostavnejša, elegantnejša teorija. Filozofi, ki berejo Willovo poročilo, lahko tudi sklepajo, da je bila Brans-Dickejeva teorija a degenerativni teorija – nenehno jo je bilo treba prilagajati, da bi se prilagodila težavnim opazovanjem, ne da bi se s tem povečala njena razlagalna ali napovedna moč.

Ponarejanje

V drugih poglavjih Je imel Einstein prav? postreženi smo s hrano za razmislek o razmerju med pozitivnimi dokazi – opažanji, ki se ujemajo s tem, kar bi predvidevala teorija – in potrditvijo, da je ta teorija resnična. Posamezen ponovljiv negativen primer – to je opažanje, ki je v nasprotju z napovedmi teorije – bo imel vedno večjo težo kot poljubno število pozitivnih. Pravzaprav bo ponovljivo negativno opazovanje na splošno ponarejati teorija pod drobnogledom. Vendar bi morali v nekaterih pristopih v filozofiji znanosti (kot so tisti, ki vključujejo Bayesovo verjetnost) pozitivni dokazi nekaj šteti, zlasti kadar bi bilo zadevno opazovanje izjemno presenetljivo, ne da bi ga zadevna teorija napovedala. Kot pokaže Will, so nekatere napovedi splošne teorije relativnosti tako presenetljive, da so skoraj neverjetne, vendar so bile kljub temu preverjene z opazovanji. Na primer, ko navaja posledice splošne teorije relativnosti na upogibanje svetlobnih žarkov, učinek gravitacije na ure in gibanje Merkurja okoli Sonca, Will jasno, natančno in prepričljivo razloži, zakaj so izračuni narejeni z evklidsko geometrijo in Newtonovo geometrijo. ideje o gravitaciji bodo dale drugačne rezultate kot splošna relativnost. Nato nas popelje skozi desetletja poskusov, namenjenih preverjanju napovedi splošne teorije relativnosti. Ker so eksperimentalne težave in negotovosti v ospredju in v središču, bo študentom filozofije znanosti zabavno in razsvetljujoče povezati svoje zamisli z opisanimi epizodami. Kot vir materiala za takšno vajo, Je imel Einstein prav? se obnese bolje kot marsikatero besedilo, napisano posebej za ta namen.

Še vedno obstaja ena pomembna napoved splošne relativnosti, ki jo je treba ustrezno preizkusiti: gravitacijski valovi. Will razloži, kako ti izhajajo iz teorije. Z znanstvenega vidika je pomembno, da so gravitacijski valovi specifična, merljiva in načeloma merljiva napoved. Teorija je torej dovzetna za ponarejanje. Od sredine sedemdesetih let prejšnjega stoletja se na obstoj gravitacijskih valov sklepa posredno iz gibanja binarnih pulsarjev. Vendar pa je bilo v začetku leta 2016 v članku, objavljenem v Physical Review Letters ( PRL 116, februar 2016). Na žalost je bilo to veliko prepozno, da bi ga vključili v knjigo, vendar bo zanimivo opazovati, kako se zgodba odvija na tem še vedno nastajajočem področju opazovalne astronomije.

Osvežite svojo splošno relativnost

Poleg svoje vrednosti kot surovine za filozofsko razmišljanje, Je imel Einstein prav? mora biti izjemno donosno branje za študente filozofije znanosti, ki se želijo spoprijeti s tem pomembnim stebrom fizike.

Will si na primer vzame čas za razlago ključnega pomena načelo enakovrednosti . Na splošno je to zamisel, da bodo ljudje v enakovrednih vrstah gibanja doživljali vesolje na enak način. Pravi na primer, da se opazovalcu v prostem padu stvari zdijo (lokalno) enake kot opazovalcu, ki ni pod vplivom gravitacije. Will nadalje pojasnjuje, zakaj bo katera koli teorija, ki spoštuje načelo enakovrednosti (kot je Brans-Dickejeva teorija), samodejno naredila številne enake napovedi kot splošna relativnost, kot je učinek gravitacije na ure in ukrivljenost prostora.

Einstein
Einstein

Ko govorimo o ukrivljenem prostoru, nas Will vabi, da razmislimo o ogromnem trikotniku, velikosti polovice Osončja, s sredino ene strani, ki poteka blizu Sonca, nasprotno oglišče pa nekje blizu orbite Plutona. Z naše perspektive so stranice tega trikotnika popolnoma ravne na vseh delih svoje dolžine. Vendar bi splošna relativnost napovedala, da bi zaradi mase Sonca notranji koti tega trikotnika znašali 179°, 59', 59,125 – kar je 0,875 kotne sekunde manj od 180°, ki bi veljalo, če bi bil vesolje povsod evklidsko. Sklep: materija dobesedno ukrivi prostor.

Tako velik trikotnik verjetno ne bo kmalu narisan; vendar radijska interferometrija z dolgo bazo (z uporabo radijskih teleskopov na veliki razdalji) zagotavlja zelo natančen način za merjenje istih kotnih odstopanj. Te meritve so potrdile napovedi splošne teorije relativnosti z natančnostjo 0,1 %. Vesolje je res ukrivljeno.

Prostor-čas je tudi ukrivljen. Zdaj je uporaba geometrije za predstavitev časa, kaj šele ukrivljenega prostora-časa, nekaj stopenj abstrakcije od uporabe geometrije za predstavitev prostora. Odkar nas je Descartes v sedemnajstem stoletju seznanil s koordinatami, smo lahko uporabili matematiko za predstavitev vsega, kar je mogoče kvantificirati, vključno s časom. Geometrijo, ki od devetnajstega stoletja dalje vključuje neevklidske (ukrivljen prostor) geometrije, lahko nato uporabimo pri naših fizičnih konceptih, vključno s prostor-časom. Opisovanje ukrivljenega, neevklidskega vesolja-časa brez uporabe matematike je precejšen izziv, a Willu vseeno uspe bralcu dati dostojno predstavo o tem, kaj se dogaja.

Nagrajujoč obračalec strani

Edina kritika na Je imel Einstein prav? Lahko ugotovim, da obupno potrebuje tretjo izdajo. Zdaj imamo rezultate gravitacijske sonde B in najnovejši detektorji se približujejo občutljivosti, ki je potrebna za rutinsko opazovanje gravitacijskih valov brez potrebe po priročno bližnji supernovi. Ampak to je manjša zamera. Čeprav je bolj izobraževalna kot popularizacijska, kot razlaga splošne teorije relativnosti, ki se izogiba temeljni matematiki, še nikoli nisem naletel na enakega Je imel Einstein prav? Predstavitev teorije v obliki privlačnih zgodovinskih epizod iz resničnega življenja jo naredi bolj kot obrača strani, kot ima pravico biti. V primerjavi s polnomastno matematično različico splošne relativnostne teorije, ki sem se je naučil kot dodiplomski študent, brez oklevanja rečem, da so v mnogih pogledih očarljive zgodbe v tej knjigi veliko bolj koristne. Zaradi Willovega jasnega pisanja in vetričnega navdušenja je to izjemno prijeten način za pobiranje osnov splošne teorije relativnosti in nepogrešljiv vir za razmišljanje o njenih filozofskih razvejanosti.

Tim Wilkinson ima doktorat iz čiste matematike.

Je imel Einstein prav? Clifford M. Will, Basic, revidirano 1993, 9,99 £ pb, 312 strani, ISBN: 0465090869