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Einstein e il destino della relatività

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Le recenti scoperte dell’astrofisica sperimentale sui buchi neri incarnano la complessa relazione tra conferma e falsificazione delle teorie nella pratica. Queste scoperte sono una spettacolare conferma delle previsioni effettuate un secolo fa da Albert Einstein sui buchi neri e le onde gravitazionali nella sua teoria della relatività generale.

Allo stesso tempo, questi nuovi esperimenti hanno più potenziale di qualsiasi progetto per trovare ragioni per estendere e rivedere la teoria della relatività generale. La nuova scienza del buco nero è un eccellente caso di un fatto fondamentale: le conferme sperimentali di una teoria spesso indicano nuovi modi per confrontare la teoria con l’evidenza, che potrebbero fornire nuovi modi per la scomposizione della teoria.

Questo fatto era noto e ben accolto da Albert Einstein, il quale sostenne che la teoria della relatività dovesse essere sottoposta ad ulteriori indagini, affermando anche che le sue affermazioni teoriche non avrebbero mai dovuto essere al riparo da confutazioni empiriche. La cura di Einstein nel garantire la base sperimentale per la sua teoria quando la formulò è una ragione cruciale per cui la teoria della relatività generale (spesso chiamata semplicemente GR) è rimasta una delle teorie fisiche contemporanee più empiricamente ben supportate.

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Paradossalmente, il fatto che la teoria di Einstein sia così ben adattata all’indagine empirica è anche la ragione per cui ogni passo avanti nella GR sperimentale porta con sé la promessa di risultati inaspettati. Ogni potenziale conferma sperimentale della relatività generale potrebbe fornire spunti verso nuove direzioni per la teoria.

Filosofi e scienziati hanno analisi concorrenti della relazione tra teoria ed evidenza. Alcuni sostengono che, in una certa misura, le teorie possono essere elaborate indipendentemente dall’osservazione (o dall’esperimento). Sostengono che, mentre affermazioni specifiche devono essere supportate da prove empiriche, le strutture teoriche possono essere elaborate utilizzando concetti e idee che non derivano dall’esperienza. Questi sono i difensori dell’aspetto “a priori” della scienza. Gli empiristi, al contrario, sostengono che tutte le affermazioni e le teorie scientifiche devono essere ricondotte all’osservazione (o, almeno, all’evidenza empirica). Sebbene apprezzasse generosamente i contributi dei filosofi aprioristi, Einstein fu un convinto empirista per tutta la vita. [1] Si è spinto fino a, in effetti, costruire la possibilità di confutazione empirica nelle affermazioni fondamentali della sua teoria.

Generazioni di filosofi hanno discusso se la relatività generale sia veramente una teoria interamente empirica o se incarni affermazioni teoriche astratte su spaziotempo, materia e movimento. [2] Il dibattito non è meramente accademico. Se la relatività generale impiega un nucleo di geometria astratta o cinematica pura (analisi del movimento) che fluttua libero da confutazioni empiriche, allora si potrebbe sostenere che il nucleo è immune da revisioni quando la teoria si confronta con dati sperimentali. [3] La relatività generale potrebbe essere considerata in questo modo una vera teoria. Un altro modo per stabilirne la verità è se le affermazioni chiave della teoria siano così ben confermate dagli esperimenti che sarebbe altamente improbabile confutarle.

Per molti filosofi, il massimo elogio per una teoria è che sia vera. Una nozione popolare di una “vera” teoria è quella stabilita così bene dall’evidenza che è radicata per sempre, al sicuro dalla possibilità di controargomentazioni. Che sia stabilita a priori o empiricamente, la verità è spesso considerata la principale virtù delle teorie. Da una prospettiva storica, tuttavia, lascia perplessi che così tanti vogliano difendere la verità della relatività generale. Lo stesso Einstein vedeva le teorie non come raccolte di verità, ma come strumenti euristici per indagare la realtà.

L’approccio di Einstein consente un modo diverso di comprendere la relazione tra le teorie e il mondo. Un modo è cercare una relazione statica e immobile tra le affermazioni scientifiche e la loro conferma mediante esperimenti. Idealmente, usando questa strategia, stabiliamo quelle affermazioni oltre la possibilità di confutazione, dimostrando la loro verità. Questo è molto lontano dall’approccio di Einstein che, invece, sosteneva che le affermazioni e le leggi di base di una teoria sono dispositivi “euristici” per indagare la realtà. Non c’è mai uno stadio in cui siano immuni dalla possibilità di revisione, o addirittura di essere completamente confutati.

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Potremmo concludere che l’approccio di Einstein rende la verità difficile, persino impossibile, da raggiungere. Sembra un danno al suo punto di vista. Ma c’è un altro modo di vederla. Le leggi, le affermazioni e le relazioni di una teoria non sono come singole pepite d’oro. Gli scienziati non accumulano un tesoro di verità come un drago in una tana. Invece, una teoria scientifica è più simile a un veicolo, come una barca, un treno o l’astronave Enterprise. Su un treno, non vai in una stazione e poi riposi lì, sicuro di aver raggiunto quella stazione. Invece, si passa a nuove stazioni, perché quello è il punto di viaggio.

La maggior parte delle teorie sono costruite per spiegare un dominio di fatti esistente e possono essere utilizzate liberamente all’interno di quel dominio. Una teoria ben costruita  su solide prove sosterrà il ragionamento scientifico nel suo dominio originale e ti permetterà di andare ovunque lungo il suo percorso. Ma una teoria scientifica eccezionale può fare di più: può essere più simile a un’astronave che a un treno. Un’astronave può viaggiare verso destinazioni sconosciute. È costruita secondo principi ingegneristici sicuri e si terrà insieme per fare il viaggio. Tuttavia, al tuo arrivo potresti trovare condizioni difficili che potrebbero costringerti a riparare la nave.

Lo sapeva bene il filosofo della scienza Otto Neurath, paragonando la ricerca della conoscenza a un viaggio su una nave in mare costantemente sottoposta a riparazioni.

La relatività generale è stata formulata per la prima volta verso l’inizio del ventesimo secolo e spiega la gravità come la curvatura dello spaziotempo. I risultati sperimentali concordavano costantemente con le previsioni della GR, rendendola una delle teorie di maggior successo empirico del ventesimo secolo. [4] Ma la capacità di testare molte delle previsioni della relatività generale è arrivata molto lentamente e solo con uno sforzo immenso da parte di generazioni di scienziati.

Einstein predisse le onde gravitazionali nel 1916, come è noto. Ma fu solo verso la metà di quel secolo, soprattutto in una conferenza a Chapel Hill nel 1957, che gli scienziati iniziarono a formulare approcci fisici specifici all’idea che i buchi neri irradiassero massa-energia sotto forma di onde gravitazionali. [5] Per testare questa ipotesi, è stato necessario costruire strumenti in grado di rilevare segnali coerenti dalla fusione di buchi neri. Altrettanto fondamentale, è stato necessario costruire strutture per l’analisi dei dati, che potessero determinare le proprietà della fusione dei sistemi di buchi neri analizzando quei segnali.

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È noto che gli scienziati associati alla collaborazione scientifica LIGO e all’Event Horizon Telescope sono stati in grado di affrontare queste sfide. Il 14 settembre 2015, la Collaborazione Scientifica LIGO ha rilevato segnali provenienti da due buchi neri che si fondono tra loro. Il 10 aprile 2019, l’Event Horizon Telescope ha rilasciato l’immagine di un enorme buco nero al centro della galassia Messier 87.

Le nuove strutture che hanno reso possibili questi risultati vanno ben oltre la base sperimentale iniziale della relatività generale. In effetti, implicano l’uso del quadro teorico della relatività generale per costruire rivelatori e analizzare i dati da essi rilevati. Senza GR, gli interferometri di LIGO non sarebbero mai stati costruiti e i segnali che hanno rilevato non sarebbero mai stati interpretati come onde gravitazionali nello spaziotempo. [6] L’Event Horizon Telescope analizza e interpreta i dati dei radiotelescopi di tutto il mondo – e questa analisi e interpretazione coinvolge la GR molte volte lungo il percorso.

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In questo modo, la relatività generale viene utilizzata come piattaforma per raccogliere nuove prove sperimentali a suo favore. Allo stesso tempo, la GR viene messa alla prova, proprio come Einstein voleva che fosse. Ogni nuova scoperta implica la possibilità che venga rilevato un segnale o un’immagine non coerente con la GR. È improbabile che venga rovesciata completamente: la relatività generale è molto ben supportata dall’evidenza. Ma l’interesse scientifico di questi nuovi programmi sperimentali non si limita certo a confermare ciò che gli scienziati già sanno. I nuovi strumenti ed esperimenti sono stati costruiti per estendere la portata della relatività generale, per scoprire quanto la teoria concorda con i dati e per costruire una piattaforma più forte per la ricerca futura.

È del tutto possibile, quindi, che la relatività generale sia vera – nel senso che gli scienziati la ritengono una teoria ben supportata – e anche rivista nella pratica, man mano che impariamo di più sui fenomeni descritti dalla teoria. Einstein insegnò che le teorie non sono solo raccolte statiche di affermazioni, ma strutture euristiche per l’indagine. I filosofi della scienza che si concentrano sulla scienza in pratica sono pronti a imparare cosa possono insegnarci questi nuovi risultati e l’approccio euristico.

Riferimenti:

[1] Il prolifico lavoro di Don Howard su Einstein come filosofo della scienza è caldamente raccomandato. Lo storico Richard Staley illumina l’incorporazione di Einstein dell’indagine empirica e degli esperimenti mentali nello sviluppo delle sue teorie. La sua Generazione di Einstein è una storia delle culture materiali e tecniche che circondano le teorie della relatività di Einstein e la relazione tra Einstein ei suoi colleghi e contemporanei. The Physicist and The Philosopher di Jimena Canales descrive in dettaglio il dibattito tra Einstein e Henri Bergson sulla scienza, il tempo e il ruolo della filosofia.

[2] Fondamenti delle teorie dello spaziotempo di Michael Friedman è un testo classico che difende quest’ultima affermazione.

[3] L’articolo di Dennis Lehmkuhl “Why Einstein Did Not Believe that General Relativity Geometrizes Gravity” è una lettura intrigante a questo proposito.

[4] No Shadow of a Doubt di Daniel Kennefick descrive in dettaglio uno di questi progetti sperimentali, la spedizione per l’eclissi di Eddington.

[5] Le discussioni della conferenza di Chapel Hill del 1957 con Dennis Lehmkuhl, Daniel Kennefick, Juliusz Doboszewski e altri sono state inestimabili, e si raccomanda agli atti di quella conferenza di comprendere questa parte della storia.

[6] Il lavoro del filosofo Jamee Elder analizza questo fatto con ottimi risultati. Vedi “Sulla ‘rilevamento diretto’ delle onde gravitazionali” di Elder.

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