„The Perfect Theory“: Die Geschichte der allgemeinen Relativitätstheorie und das, was etwas zu einer Wissenschaft macht - - 2020

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Anonim

Pedro Ferreiras Buch "Die perfekte Theorie: Ein Jahrhundert der Genies und die Schlacht um die Allgemeine Relativitätstheorie" erzählt im Wesentlichen, was andere Leute mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie gemacht haben, nachdem er sie entwickelt hat.

Pedro Ferreiras Buch "Die perfekte Theorie: Ein Jahrhundert der Genies und der Kampf um die allgemeine Relativitätstheorie" sagt uns im Wesentlichen, was andere Leute mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie gemacht haben, nachdem er sie entwickelt hatte. Ein Kapitel ist Einsteins hartem Kampf mit dem Erlernen der nicht-Riemannschen Geometrie und dem Aufbau der Feldgleichungen, die die Theorie definieren, gewidmet. Das Buch beginnt wirklich nach 1917, als eine Reihe von Männern und Frauen die erstaunlichen Auswirkungen dieser Gleichungen entdeckte. Das Buch ist eine schnelle Lektüre und leistet sehr gute Arbeit, indem es die farbenfrohen Persönlichkeiten und aufregenden Entdeckungen darstellt, die durch die allgemeine Relativitätstheorie entdeckt wurden.

Im Jahr 1919 war die Theorie als Teil des wissenschaftlichen Unternehmens etabliert, insbesondere nachdem sie den korrekten Wert des Quecksilberperihels neu ermittelt und die von Arthur Eddington beobachtete Biegung des Sternenlichts vorhergesagt hatte, eine Entdeckung, die Einsteins Namen auf die Titelseiten von New York sprang die weltweit führenden Zeitungen. Eddington war Einsteins Erbe, der die Theorie gründlich erlernte und deren Auswirkungen auf die Sternstruktur begriff. Ironischerweise wagte er es nicht, diese Konsequenzen zu ihrer logischen Schlussfolgerung zu nehmen. Diese Aufgabe wurde einem jungen indischen Astrophysiker namens Subrahmanyan Chandrasekhar überlassen, der den Weg zur Entdeckung schwarzer Löcher bereitete, indem er überlegte, was passiert, wenn den Sternen der Treibstoff ausgeht und sie unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenbrechen. Bekanntlich hat Eddington Chandrasekhar's Ergebnisse getadelt und sich als Einstein herausgestellt, ein Revolutionär im jungen Alter und ein Reaktionär im Alter.

Die Geschichte der Schwarzen Löcher ist ein wichtiger Faden, dem das Buch folgt. Chandrasekhar's Ideen wurden in den 30er Jahren von Lev Landau, Fritz Zwicky und Robert Oppenheimer weiterentwickelt. Oppenheimers Geschichte ist besonders interessant, weil er derjenige war, der theoretisch schwarze Löcher entdeckte, sich jedoch später vollständig von ihnen distanzierte und kein Interesse an der allgemeinen Relativitätstheorie bis zu seinem Lebensende zeigte. Oppenheimers Sicht der Relativitätstheorie ähnelte tatsächlich derjenigen der großen Mehrheit der Physiker, die in den 30er und 40er Jahren in die Revolution der Kern- und Quantenphysik verwickelt waren. Quantenmechanik und Teilchenphysik waren die neuen Grenzen; Die Relativitätstheorie war ein spekulativer Rückstau.

Es war der berühmte Physiker der Princeton University, John Wheeler, der dort weitermachte, wo Oppenheimer aufgehört hatte. Wheeler ist wirklich der Vater der modernen Relativitätstheorie, seit er in den 50er und 60er Jahren das Interesse an diesem Thema wiederbelebt hatte. Viele seiner Schüler wie Jacob Bekenstein und Kip Thorne wurden zu führenden Anhängern. In Großbritannien wurde das Feld von Dennis Sciama gezeugt, dessen Schüler Roger Penrose und Stephen Hawking die Grundlagen für das Verständnis der Singularitäten und des Urknalls waren. Hawking hat insbesondere durch seine Erforschung des "Schwarzen Loch-Informationsparadoxons" eine sehr wichtige Verbindung zwischen Information, Relativität, Thermodynamik und Quantenmechanik geknüpft.

Hawkings Arbeit über Singularitäten verbindet sich mit dem zweiten Hauptfaden des Buches, in dem diesmal die Anwendung der allgemeinen Relativitätstheorie auf das gesamte Universum erfolgt. Die Geschichte beginnt gleich nachdem Einstein sein Gerüst entwickelt hatte, als der russische Bomberpilot Alexander Friedmann und der belgische Priester Georges Lemaitre herausfanden, dass eine der Lösungen der Gleichungen ein expandierendes Universum sein würde. In einem berühmten Fehler, den Einstein "den größten Fehler meines Lebens" nannte, hatte Einstein diese Lösung gefunden, aber aufgrund der Beobachtung eines örtlich statischen Universums einen Fudge-Faktor - eine "kosmologische Konstante" - angewendet, um die Expansion zu stoppen erwies sich fast acht Jahrzehnte später als von großer Bedeutung. Lemaitre und Friedmanns Geschichte führt logischerweise zu der von Edwin Hubble, der 1929 die Rotverschiebung von Galaxien beobachtete und damit eine der großen Epochen der Erforschung des Kosmos einleitete. Diese Ära gipfelte in der Entdeckung der dunklen Materie und der dunklen Energie und der Umwandlung der Kosmologie in eine Präzisionswissenschaft, die alle ungeahnte Grenzen von Einstein öffnete. Und Ferreira hofft, dass es viel mehr gibt, als aus diesen schönen Gleichungen fließen kann.

Ferreira ist sehr geschickt darin, diese zwei Hauptfäden zu beschreiben. Einer der wichtigsten Aspekte bei der Entwicklung der Relativitätstheorie war der Schuss in den Arm, den die Theorie durch experimentelle Beobachtungen entfernter Objekte durch Radioteleskope von Martin Ryle, Jocelyn Bell und anderen erhielt. Tatsächlich unterstreicht das Buch die Tatsache, dass die Relativitätstheorie ohne diese Beobachtungen im schlimmsten Fall als mathematisches Kritzeln und bestenfalls als spekulative Wissenschaft angesehen worden wäre. Die Grundlage der Relativitätstheorie in der realen Welt durch die Entdeckung von Quasaren, Pulsaren, Neutronensternen und Schwarzen Löchern macht die überragende Bedeutung experimenteller Beweise für die Anerkennung einer Theorie deutlich. Ich hätte es persönlich geschätzt, wenn Ferreira auch andere Beweise für die allgemeine Relativitätstheorie in Betracht gezogen hätte, etwa die Beobachtung des Ziehens des Rahmens durch die Gravity-Sonde B, ein technisches Wunderwerk und eine umwerfende Übung in akkurater Messung, falls es eine gab.

Der letzte Teil des Buches befasst sich mit dem Bestreben der letzten vier Jahrzehnte, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu kombinieren. Diese Bemühungen wurden von Wheeler und seinem Schüler Bryce DeWitt in den 60er Jahren begonnen. Dieselben Techniken der Feldtheorie, die zu solch spektakulären Erfolgen in der Teilchenphysik führten - bis hin zum Standardmodell - scheiterten auf Relativitätstheorie. Ein möglicher Ausweg ist die Stringtheorie, deren Vorteil darin besteht, dass die Schwerkraft auf natürliche Weise aus dem theoretischen Rahmen hervorgeht. Ein weiterer vielversprechender Rahmen ist die Schleifenquantengravitation. Das Problem der Stringtheorie ist bekannt, dass sie keine überprüfbaren Vorhersagen macht und der Lösungsraum so groß ist, dass praktisch alles in seiner weitreichenden Umarmung untergebracht werden kann. In der Wissenschaft wird eine Theorie, die alles und alles erklären kann, normalerweise als eine Theorie betrachtet, die nichts erklären kann.

Eine Sache, die mir wieder aufgefallen ist, ist, wie wichtig Experiment und Beobachtung sind, um eine Theorie tatsächlich aus einem Bereich phantasievoller Spekulation in die harte Realität zu bringen. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, den Fortschritt der Quantenmechanik, der allgemeinen Relativitätstheorie und der Stringtheorie zu vergleichen. Die Quantenmechanik wurde in den 1920er Jahren entwickelt und erklärte sofort eine Vielzahl von zuvor verwirrenden experimentellen Fakten. Sein Erfolg wuchs erst in den 30er und 40er Jahren, als er auf Festkörperphysik, Chemie und Kernphysik angewandt wurde, immer durch Experimente belegt. Die philosophischen Rätsel in der Theorie - mit denen wir immer noch kämpfen - haben der Theorie wegen ihres großen experimentellen Erfolgs nicht geschadet. Im Gegensatz dazu wurde die allgemeine Relativitätstheorie etwa zehn Jahre zuvor entwickelt. Etwa um 1940 hatte er zwei große experimentelle Vorhersagen zu verzeichnen: die Biegung des Sternenlichts und die Ausdehnung des Universums. Aber selbst in den späten fünfziger Jahren war es nicht Teil der Mainstream-Physik geworden und galt mehr als Mathematik als Physik, hauptsächlich weil es an experimentellen Beweisen mangelte. Wie bereits erwähnt, war es nur die Entwicklung der Radioastronomie, die den gesamten Rahmen auf einen festen Sockel stellte.

Daher brauchte die Quantenmechanik keine Zeit und die Relativitätstheorie fast vierzig Jahre, um respektabel zu werden, selbst wenn es zwei erstaunliche experimentelle Beobachtungen gab, die letztere erfolgreich vorhergesagt hatten. Der große Unterschied bestand in den experimentellen Beweisen, die im Falle des ersteren groß und fleckig waren und im Falle des letzteren nur langsam auftauchten. Demgegenüber gibt es die Stringtheorie bereits seit etwa vierzig Jahren, und es gibt noch keine eindeutigen experimentellen Beweise dafür. Rein historisch gesehen könnte dies auf einen falschen Weg hindeuten. Es gibt einen Grund, warum Feynman gesagt hat, der einzig wahre Test einer wissenschaftlichen Theorie sei das Experiment.

Die geäußerten Ansichten sind die des Autors und sind nicht notwendigerweise die.