Para ayudarnos a entender la relevancia de la detección de ondas gravitacionales he traducido este artículo de John Timmer, publicado en el sitio web Ars Technica, el 30 de junio de 2018. El vínculo a la publicación original está en https://arstechnica.com/science/2018/06/gravitational-waves-and-the-slow-pace-of-scientific-revolutions/. Agradezco al autor su visto bueno para la publicación en español en este sitio.
Las ondas gravitacionales fueron detectadas casi exactamente un siglo después de que Einstein predijera su posibilidad, en la formulación matemática de la teoría de la relatividad general. O al menos, esta fue la historia comunicada al público por muchos (incluido un servidor). Y de algún modo, esto es verdad.
Sin embargo, es mucho más complicado explicar cómo la teoría de la relatividad se desarrolló al punto que, entre otras cosas, se aceptó la existencia física de las ondas gravitacionales y la posibilidad de su detección. En Nature Astronomy, un grupo de historiadores de la ciencia establece los detalles de cómo se pasó de los preliminares de la relatividad a la construcción del LIGO. De paso, estos investigadores muestran cómo los cambios radicales brindados por las revoluciones científicas pueden, en ocasiones, desviarse de lo principal.
Ha cambiado el paradigma?
El concepto más divulgado sobre las revoluciones científicas es el planteado por Thomas Kuhn. Él describió un proceso en el que la acumulación de datos nuevos va empujando una teoría existente hacia su crisis, ante lo cual el público va aceptando que ya no es funcional. Después de la crisis, ocurre una revolución con el surgimiento de una nueva teoría. La capacidad de ésta para resolver las interrogantes planteadas por la crisis le gana reputación y así comienza un periodo guiado por el nuevo paradigma científico.
De alguna manera, esto fue precisamente lo que ocurrió con la relatividad de Einstein. Sus demostraciones teóricas propusieron un nuevo paradigma con un espacio-tiempo curvo y de paso resolvieron varios problemas con la gravedad newtoniana, ganando pronto aceptación y comprobación experimental. Unos meses después, Einstein publicó un artículo en el que, usando este nuevo paradigma, propuso la existencia de ondas gravitacionales. Aunque este artículo tenía algunos errores, que fueron enmendados en una versión posterior, el planteamiento teórico estaba dado para que, un siglo después, se lograra la detección de las ondas gravitacionales.
Sin embargo, en su artículo referido, Alexander Blum, Roberto Lalli y Jürgen Renn revisan extensamente este particular cambio de paradigma, analizando lo que vino después de la formulación de la relatividad general que hizo Einstein. (Link al artículo en Nature): Gravitational waves and the long relativity revolution
(Cabe notar que el público general no tenía mayores dificultades con la física newtoniana, aún con sus limitaciones. Siguiendo el modelo de Kuhn, no hubo una crisis con este paradigma inclusive cuando Einstein ya había planteado la relatividad especial. En cierto modo, la relatividad general surgió para resolver las interrogantes planteadas por la relatividad especial).
Haciendo olas
Para tenerlo claro: las ondas gravitacionales no surgieron naturalmente desde las teorías de Einstein. De hecho, él no había considerado seriamente su existencia hasta que incluyó los cálculos de Karl Schwarzschild, quien sugirió soluciones matemáticas a algunas aproximaciones que Einstein había hecho en el artículo que ha servido de base para asignarle la autoría de la predicción de las ondas gravitacionales.
Einstein produjo una versión corregida del artículo, con los nuevos cálculos, pero no fue más allá. Dedicó su atención a tratar de unificar su nueva versión de la gravedad con el electromagnetismo. En ese periodo no existía una comunidad académica que debatiera la cuestión; estaban más concentrados en la mecánica cuántica y además, la Primera Guerra Mundial interrumpió mucho del trabajo científico, enfocándolo a temas de física aplicada. De acuerdo a los historiadores de la ciencia, la mayoría de los estudios sobre relatividad en esa época se centraron en adaptar los bien conocidos sistemas de la física newtoniana a los principios de la relatividad. Hubo muchos menos trabajos tratando de determinar cuáles podrían ser los descubrimientos posibles que la relatividad podría revelar sobre el universo.
La falta de una comprensión sólida sobre lo que significaba en realidad la relatividad incrementó problemas derivados de la falta de precisión en los cálculos iniciales de Einstein. Así, cuando las matemáticas producen cosas sin sentido aparente como las singularidades, no quedaba del todo claro qué significaba esto. ¿Estos cálculos tan abstractos tenían base en la realidad física? ¿Podría llegarse a una mejor solución con otro modelo matemático? ¿O tan solo era que la relatividad era limitada en lo que podía describir? Al no haber una comprensión sólida de esta teoría, no había una guía clara para descartar correctamente ninguna posibilidad.
Así que, si bien las ondas gravitacionales teóricas podían enunciarse desde los cálculos correctos, no existía mucho interés en descubrir si realmente existían; mucho menos imaginar cómo podrían ser detectadas.
Los avances
¿Cómo se rompió el letargo sobre el tema? En los años cincuenta comenzó un creciente apoyo de los gobiernos a las investigaciones sobre física, consecuente con las aportaciones que la comunidad científica hizo durante la Segunda Guerra Mundial. Los académicos estaban conscientes de que necesitaban entender cabalmente los efectos gravitacionales para incorporarlos en la gran cantidad de datos que se estaban descubriendo sobre la evolución del universo.
Los estudiosos de la relatividad aprovecharon la cada vez mayor internacionalización de la ciencia, a través de conferencias anuales. Se llegó al consenso de concentrar los esfuerzos en resolver los problemas pendientes planteados por la relatividad, para que grupos sobre temas particulares pudieran lograr algún avance. Esto se vio también como condición previa necesaria para unificarla con la mecánica cuántica, asunto de la mayor importancia.
La mera existencia de las ondas gravitacionales comenzó a llamar la atención de los investigadores. Un importantísimo avance se dio en una conferencia en la que científicos, entre otros Richard Feynman, declararon cómo la energía contenida en las ondas gravitacionales podría ser intercambiada con formas de energía mejor conocidas en el resto del universo. Otro trabajo reveló cómo las matemáticas que describían las ondas electromagnéticas podían modificarse para describir ondas gravitacionales. El conjunto de cálculos resultante fue la base para la perspectiva de que las ondas gravitacionales son perturbaciones en el espacio-tiempo, explicación aceptada hasta hoy.
La revuelta
Estos avances establecieron una firme base teórica. El artículo de Blum, Lalli y Argue señala que, cuando se estableció al principio la relatividad general, se pensó en las consecuencias que tendría en otras teorías que explicaban el universo. A inicio de la década de los sesenta, explican los historiadores, se veía la relatividad como explicación principal de los fenómenos en el universo, no hacía falta otra teoría. Esto estableció la certeza de que las ondas gravitacionales, en tanto consecuencia de la relatividad, deberían tener una manifestación detectable.
Este fundamento sirvió también para diseñar modelos que señalaran cómo deberían ser estas ondas, basándose en los eventos que las crean. Así fue posible distinguirlas de otros eventos en el universo, cuando se desarrolló una tecnología suficientemente sensible como la del LIGO para detectarlas.
Así, este proceso de cuatro décadas no refleja cabalmente la descripción que Kuhn hizo de las revoluciones científicas. No hubo un periodo de ruptura ni la comunidad académica se enfrascó en buscar una nueva teoría que resolviera las contradicciones aparentes en la anterior. Los autores del artículo citado dicen que, sin embargo, Kuhn tuvo razón en algo: quienes piensan en términos de la relatividad tienen un punto de vista muy diferente de quienes lo hacen desde una visión newtoniana, y en consecuencia, habrá dificultades de comunicación entre ambas perspectivas.
Para Kuhn esto era principalmente un asunto de lenguaje: palabras viejas cobran nuevo significado bajo un nuevo paradigma. El artículo comentado parece sugerir más bien que se requiere un cambio en la perspectiva para lograr el avance científico. A menos que las personas realmente vivan en la realidad de una nueva teoría y cobren conciencia de lo que supone, será difícil que puedan resolver las implicaciones resultantes de modo que puedan hacer predicciones; los cambios en el significado de las palabras son un mero efecto.