Cum a descoperit Albert Einstein relativitatea specială și relativitatea generală

Einstein s-a angajat cu adevărat într-un empirism orientat spre scop în practică în dezvoltarea teoriilor specială și generală ale relativității? Există aici o adevărată metodă de descoperire, dat fiind faptul că Einstein a eșuat în peste treizeci de ani în a dezvolta o teorie de câmp unificată satisfăcătoare?

Metoda empiricistă de descoperire orientată spre scopuri implică abordarea a cel puțin cinci tipuri de probleme: (1) conflictele dintre rezultatele experimentale și teoria, (2) conflictele dintre două sau mai multe teorii fundamentale bine stabilite (3) conflictele dintre aceste teorii și cel mai bun model disponibil pentru fizică (4) conflicte inerente ale celui mai bun model (sau între modelele rivale) și (5) conflictele dintre teoria fizică stabilită și tezele de nivel 4 ale fizicalismului. S-ar putea argumenta că Einstein exploatează doar o mică parte a acestei metode de descoperire, prin faptul că este în primul rând preocupat de probleme de tipul (2) (și de tipul (1) unde este cazul). Dar cred că acest lucru este greșit din mai multe motive.

În primul rând, teza metafizică că legile de bază ale naturii au o structură unificată este o presupunere implicită sau explicită în toate deliberările lui Einstein, ceea ce înseamnă că problemele de tip (4) sunt, pentru Einstein, fundamentale.

În al doilea rând, în dezvoltarea relativității speciale și generale, tocmai planurile metafizice preexistente ale fizicii clasice sunt cele pe care Einstein încearcă să le transforme: ipoteze de bază despre natura spațiului, timpului, energiei, masei, forței. În elaborarea unor noi principii – cum ar fi principiul invarianței Lorentz sau principiul echivalenței – Einstein modifică, în același timp, ideile pre-existente ale modelului (spațiul-timpul newtonian fiind transformat în spațiu-timpul minkowskian, care este în transformat în spațiu-timpul riemannian al relativității generale).

În al treilea rând, ascunzându-se în spatele problemelor de tip (2) care îl preocupă pe Einstein (implicând ciocniri între teorii) apar probleme de tip (4). Luați în considerare problema de tip (2) care a condus la relativitatea specială – ciocnirea dintre mecanica newtoniană și electrodinamica maxwelliană sau, mai exact, ciocnirea dintre invarianța galileană și teza conform căreia constanța vitezei luminii este o lege a naturii. În jurul anului 1900 a existat o soluție evidentă la această problemă: interpretarea electrodinamicii în termeni de eter, ideea constanței vitezei luminii ca fiind relativă la eter, și ideea ca invarianța galileană să nu mai fie valabilă la viteze mari față de eter. Acest lucru presupune, desigur, ăn a adopta un model pentru fizică – modelul eterului. În formularea problemei în felul în care a făcut-o, Einstein respinge efectiv acest model al eterului; el adoptă punctul de vedere al lui Faraday că domeniul este fundamental și nu necesită un eter subiacent care să îl facă inteligibil. Există motive întemeiate de a prefera ceea ce se poate numi modelul Faraday față de modelul eterului. Punctul important, totuși, este acela că, în formularea problemei de tipul său (2) în felul în care a făcut-o (esențial pentru dezvoltarea relativității speciale), Einstein interpretează, în realitate, teoriile lui Newton și Maxwell ca două teorii atât de fundamentale, fiecare cu modelul său rival, și anume, modelul newtonian (sau boscovichean) al particulelor punctuale înconjurate de câmpuri rigide sferice și simetrice, și modelul câmpului Faraday cu variații ale câmpului transmise la o anumită viteză finită. Există, pe scurt, o problemă de tip tip (4) inerent tipului (2) care a condus pe Einstein la relativitatea specială. Această problemă de tip (4) poate fi formulată, nu ca o problemă despre reconcilierea sau alegerea între două modele rivale, ci mai degrabă ca o problemă de rezolvare a conflictului care rezultă din încercarea de a unifica cele două modele într-un mod care să permită particulele încărcate și un câmp.

În al patrulea rând, există motive pentru a considera că problema fundamentală a lui Einstein, la scurt timp după 1900, a fost problema de tip (4) pe care tocmai am indicat-o – problema înțelegerii modului în care particulele punctuale încărcate pot interacționa cu câmpul sau problema de unificare a particulei și câmpului. Este un fapt extraordinar că cele trei mari lucrări ale lui Einstein din 1905 pot fi interpretate ca explorând aspecte ale acestei probleme fundamentale. Tocmai am văzut că acest lucru este valabil pentru lucrarea care introduce relativitatea specială. Este, de asemenea, adevărat despre lucrarea despre mișcarea browniană, preocupată de a stabili existența atomilor – existența unui aspect asemănător cu particulele realității. Și este adevărat, mai presus de toate, ]n lucrarea care propune ideea că lumina are un aspect asemănător cu particulele în conformitate cu E = nhv (unde E este energia și v frecvența luminii, h este constanta lui Planck și n este numărul de cuante de lumină prezente), această ipoteză „euristică” a cuantei de lumină fiind apoi utilizată pentru a explica efectul fotoelectric. Aici, problema particulei / câmpului clasic este intensificată într-o măsură extraordinară prin faptul că câmpul în sine este descoperit ca având un aspect asemănător particulelor.

Einstein însuși clarifică în „Note autobiografice” că consideră problema fundamentală a particulelor / câmpurilor clasice ca fiind deosebit de importantă. ​​După ce a explicat că teoriile trebuie evaluate critic din cele două puncte distincte ale succesul empiric și „perfecțiunea interioară” (unitate sau comprehensibilitate) – care în sine îl fac pe Einstein la empirist orientat spre scop – continuă să evalueze critic mecanica newtoniană și electrodinamica maxwelliană din punctul de vedere al perfecțiunii interioare. Aici avem, adesea, un adjuvant și o perfecționare a metodei de descoperire a lui Einstein: o teorie este luată aici la un moment dat și este evaluată din punctul de vedere al „perfecțiunii interioare” – din punctul de vedere, adică, al capacității teoriei de a oferi un model „perfect” pentru toată fizica în ceea ce privește forma teoriei. Einstein discută șase probleme de „perfecțiuni interioare” pentru mecanica newtoniană, și anume: (1) arbitraritatea în determinarea cadrelor de referință inerțiale dintr-o infinitate de alternative și inadecvarea introducerii spațiului absolut (față de care toate corpurile au o accelerație absolută ca soluție la această problemă); (2) două legi fundamentale distincte (și nu una), și anume: (a) legea mișcării (F = ma) și (b) expresia forței sau energiei potențiale (F = Gm₁m₂/d²); (3) din arbitraritatea (b) a rezultat (a), existând infinit de multe în mod egal posibilități bune pentru (b) date fiind (a); (4) posibilitatea ca legea forței să fie determinată de structura spațiului (forma legii forței fiind sugestiv simplă atunci când este privită în termeni geometrici) și totuși eșecul de a exploata această posibilitate; (5) caracterul ad-hoc al egalității de masă inerțială și gravitațională; și (6) caracterul nenatural al energiei fiind împărțită în două forme, cinetică și potențială. În ceea ce privește electrodinamica, Einstein discută un defect de bază asociat cu interpretarea ecuațiilor câmpului ca aplicat materiei și, în cazul vidului, eterului. Einstein argumentează (poate că nu cu toată precizia) că acest defect a fost depășit de Lorentz în reinterpretarea ecuațiilor câmpului pentru a menține, esențial, doar pentru vid, cu materia sub formă de particule încărcate fiind sursa câmpului. Einstein remarcă apoi: „Dacă cineva vede critic această fază a dezvoltării teoriei, este surprins de dualismul care stă în faptul că punctul material în sensul lui Newton și câmpul ca un continuum sunt folosite ca niște concepte elementare alăturate”. Einstein explică de ce încercările de depășire a acestui defect de bază prin eliminarea particulelor punctuale nu reușește; și concluzionează: „În consecință, revoluția începută de introducerea câmpului nu a fost finalizată. Apoi s-a întâmplat ca, la începutul secolului … o a doua criză fundamentală a apărut” – și anume criza generată de primul pas spre teoria cuantică, explicația cuantică a legii empirice a lui Planck. Dacă aceasta este a doua criză fundamentală, atunci prima este dualismul particulă / câmp al fizicii clasice. Așa cum se întâmplă, cele două crize sunt strâns legate între ele, deoarece legea lui Planck și teoria cuantică se referă la interacțiunea câmpului și a materiei.

Există motive bune pentru a considera că Einstein era preocupat de probleme de la tipul (2) la tipul (5), așa cum este definit mai sus, și problemele de tip (1) acolo unde era relevant, o problemă de tip (4) de interes special pentru Einstein fiind problema cum să unificăm particulele punctuale și câmpul.

Dar Einstein a inventat într-adevăr o metodă autentică de descoperire, având în vedere eșecul său, în ultimii treizeci de ani ai vieții sale, de a descoperi teoria unică a câmpului pe care și-o căuta atît de ferm?

Un răspuns poate fi făcut imediat: metoda de descoperire, indicată mai sus, deși rațională, este de asemenea nememică și eronată. Eșecul metodei de a conduce la o bună teorie fundamentală nouă pe o perioadă de treizeci de ani – chiar și în mâinile lui Einstein – nu dovedește că metoda este neautentică.

Dar există un răspuns mult mai important care trebuie făcut. Einstein nu și-a folosit metoda de descoperire în încercarea de a-și formula formularea teoria câmpului unificat. Sau mai degrabă Einstein a aplicat greșit această metodă, într-un mod destul de elementar.

Sursa: Nicholas Maxwell, Karl Popper, Science and Enlightenment Book