science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Einsteins twee fouten

Houtsnede uit het boek van Camille Flammarion uit 1888 L'Atmosphère:météorologie populaire. Het bijschrift luidt:'Een missionaris uit de middeleeuwen vertelt dat hij het punt had gevonden waar de lucht en de aarde elkaar raken' en vervolgt:'Wat is daar, dan, in deze blauwe lucht, die zeker bestaat, en welke versluiert de sterren gedurende de dag?' Credit:Wikipedia

Wetenschappelijk onderzoek is gebaseerd op de relatie tussen de realiteit van de natuur, zoals het wordt waargenomen, en een weergave van deze realiteit, geformuleerd door een theorie in wiskundige taal. Als alle consequenties van de theorie experimenteel zijn bewezen, het wordt als gevalideerd beschouwd. Deze aanpak, die al bijna vier eeuwen wordt gebruikt, heeft een consistente hoeveelheid kennis opgebouwd. Maar deze vorderingen zijn gemaakt dankzij de intelligentie van mensen die, ondanks alles, kunnen nog steeds vasthouden aan hun reeds bestaande overtuigingen en vooroordelen. Dit kan de voortgang van de wetenschap beïnvloeden, zelfs voor de grootste geesten.

De eerste fout

In Ensteins meesterwerk over de algemene relativiteitstheorie, hij schreef de vergelijking die de evolutie van het universum in de loop van de tijd beschrijft. De oplossing van deze vergelijking laat zien dat het heelal onstabiel is, geen enorme bol met constant volume met sterren die rondschuiven, zoals destijds werd geloofd.

Aan het begin van de 20e eeuw, mensen leefden met het gevestigde idee van een statisch universum waar de beweging van sterren nooit varieert. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de leer van Aristoteles, waarin staat dat de lucht onveranderlijk is, in tegenstelling tot de aarde, die aan bederf onderhevig is. Dit idee veroorzaakte een historische anomalie:in 1054, de Chinezen zagen het verschijnen van een nieuw licht in de lucht, maar geen enkel Europees document vermeldt het. Toch was het in het volle daglicht te zien en duurde het enkele weken. Het was een supernova, dat is, een stervende ster, waarvan de overblijfselen nog steeds te zien zijn als de Krabnevel. Het overheersende denken in Europa weerhield mensen ervan een fenomeen te accepteren dat zo volkomen in tegenspraak was met het idee van een onveranderlijke hemel. Een supernova is een zeer zeldzame gebeurtenis, die slechts eenmaal per eeuw met het blote oog kan worden waargenomen. De meest recente dateert uit 1987. Aristoteles was dus... bijna juist door te denken dat de lucht onveranderlijk was - tenminste op de schaal van een mensenleven.

Om in overeenstemming te blijven met het idee van een statisch universum, Einstein introduceerde een kosmologische constante in zijn vergelijkingen, die de toestand van het universum bevroor. Zijn intuïtie bracht hem op een dwaalspoor:in 1929 toen Hubble aantoonde dat het heelal uitdijt, Einstein gaf toe dat hij "zijn grootste fout" had gemaakt.

Quantum willekeur

De kwantummechanica ontwikkelde zich rond dezelfde tijd als de relativiteitstheorie. Het beschrijft de fysica op oneindig kleine schaal. Einstein droeg in 1905 enorm bij aan het veld, door het foto-elektrisch effect te interpreteren als een botsing tussen elektronen en fotonen - dat wil zeggen, oneindig kleine deeltjes die pure energie dragen. Met andere woorden, licht, die traditioneel wordt beschreven als een golf, gedraagt ​​zich als een stroom deeltjes. Het was deze stap voorwaarts, niet de relativiteitstheorie, waarmee Einstein in 1921 de Nobelprijs kreeg.

Maar ondanks deze essentiële bijdrage, hij bleef koppig in het verwerpen van de belangrijkste les van de kwantummechanica - dat de wereld van deeltjes niet gebonden is aan het strikte determinisme van de klassieke fysica. De kwantumwereld is probabilistisch. We weten alleen hoe we de waarschijnlijkheid van een gebeurtenis kunnen voorspellen uit een reeks van mogelijkheden.

De Krabnevel, vandaag waargenomen op verschillende golflengten, werd niet geregistreerd door Europeanen toen het in 1054 verscheen. Credit:Torres997/Wikimedia, Radio:NRAO/AUI en M. Bietenholz, JM Uson, TJ Cornwell; Infrarood:NASA/JPL-Caltech/R. Gehrz, Universiteit van Minnesota; Zichtbaar licht:NASA, ESA, J. Hester en A. Loll, Staatsuniversiteit van Arizona; Ultraviolet:NASA/Swift/E. Hoversten, voeding; Röntgenfoto's:NASA/CXC/SAO/F.Seward en medewerkers; Gammastraling:NASA/DOE/Fermi LAT/R. Bühler, CC BY-SA

In Einsteins blindheid, opnieuw zien we de invloed van de Griekse filosofie. Plato leerde dat het denken ideaal moet blijven, vrij van de contingenties van de werkelijkheid - een nobel idee, maar een die de voorschriften van de wetenschap niet volgt. Kennis vereist perfecte consistentie met alle voorspelde feiten, overwegende dat geloof gebaseerd is op waarschijnlijkheid, geproduceerd door deelwaarnemingen. Einstein was er zelf van overtuigd dat het zuivere denken in staat was de werkelijkheid volledig te vatten, maar quantum willekeur is in tegenspraak met deze hypothese.

In praktijk, deze willekeur is geen puur geluid, omdat het wordt beperkt door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Dit principe legt collectief determinisme op aan groepen deeltjes - een elektron is op zichzelf vrij, omdat we niet weten hoe we de baan moeten berekenen bij het verlaten van een gat, maar een miljoen elektronen tekenen een diffractiecijfer, met donkere en lichte randen die we wel weten te berekenen.

Einstein accepteerde dit fundamentele indeterminisme niet, zoals samengevat door zijn provocerende uitspraak:"God dobbelt niet met het universum." Hij stelde zich het bestaan ​​van verborgen variabelen voor, d.w.z., nog te ontdekken getallen voorbij de massa, lading en spin die natuurkundigen gebruiken om deeltjes te beschrijven. Maar het experiment ondersteunde dit idee niet. Het valt niet te ontkennen dat er een realiteit bestaat die ons begrip te boven gaat - we kunnen niet alles weten over de wereld van het oneindig kleine.

De toevallige grillen van de verbeelding

Binnen het proces van de wetenschappelijke methode, er is nog een fase die niet helemaal objectief is. Dit is wat leidt tot het conceptualiseren van een theorie, en Einstein, met zijn gedachte-experimenten, geeft er een beroemd voorbeeld van. Hij verklaarde dat "verbeelding belangrijker is dan kennis". Inderdaad, bij het bekijken van ongelijksoortige waarnemingen, een natuurkundige moet zich een onderliggende wet voorstellen. Soms, verschillende theoretische modellen concurreren om een ​​fenomeen te verklaren, en pas op dit punt neemt de logica het weer over.

"De rol van intelligentie is niet om te ontdekken, maar om voor te bereiden. Het is alleen goed voor servicetaken." (Simone Weil, "Zwaartekracht en Grace")

Op deze manier, de voortgang van ideeën komt voort uit wat intuïtie wordt genoemd. Het is een soort sprong in kennis die verder gaat dan pure rationaliteit. De grens tussen objectief en subjectief is niet meer helemaal vast. Gedachten komen van neuronen onder invloed van elektromagnetische impulsen, sommige zijn bijzonder vruchtbaar, alsof er een kortsluiting was tussen cellen, waar het toeval aan het werk is.

Maar deze intuïties, of "bloemen" van de menselijke geest, zijn niet voor iedereen hetzelfde - Einsteins brein produceerde "E=mc 2 ", terwijl het brein van Prous een bewonderenswaardige metafoor bedacht. Intuïtie duikt willekeurig op, maar deze willekeur wordt beperkt door de ervaring van elk individu, cultuur en kennis.

Resultaat van een Young-interferentie-experiment:het patroon wordt beetje bij beetje gevormd met de komst van elektronen (8 elektronen op foto a, 270 elektronen op foto b, 2, 000 op foto c, en 60, 000 op foto d) die uiteindelijk verticale randen vormen die interferentieranden worden genoemd. Krediet:Dr. Tonomura/Wikimedia, CC BY-SA

De voordelen van willekeur

Het mag niet als schokkend nieuws komen dat er een realiteit is die niet door onze eigen intelligentie wordt begrepen. Zonder willekeur, we worden geleid door onze instincten en gewoonten, alles wat ons voorspelbaar maakt. Wat we doen is bijna uitsluitend beperkt tot deze eerste laag van de werkelijkheid, met gewone zorgen en verplichte taken. Maar er is nog een andere laag van de werkelijkheid, degene waar duidelijke willekeur het handelsmerk is.

"Nooit zal een administratieve of academische inspanning de wonderen van het toeval vervangen waaraan we grote mannen te danken hebben." (Honoré de Balzac, "Nicht Pons")

Einstein is een voorbeeld van een inventieve en vrije geest; maar hij hield nog steeds zijn vooroordelen. Zijn "eerste fout" kan worden samengevat door te zeggen:"Ik weiger te geloven in een begin van het universum." Echter, experimenten bewezen hem ongelijk. Zijn oordeel over God die dobbelt, betekent:"Ik weiger te geloven in toeval". Toch brengt de kwantummechanica verplichte willekeur met zich mee. Zijn vonnis roept de vraag op of hij in een wereld zonder kans in God zou geloven, die onze vrijheid sterk zou beknotten, aangezien we dan zouden worden beperkt tot absoluut determinisme. Einstein was koppig in zijn weigering. Voor hem, het menselijk brein zou in staat moeten zijn om te weten wat het universum is. Met veel meer bescheidenheid, Heisenberg leert ons dat de natuurkunde zich beperkt tot het beschrijven hoe de natuur in bepaalde omstandigheden reageert.

De kwantumtheorie laat zien dat totaal begrip niet voor ons beschikbaar is. In ruil, het biedt willekeur die frustraties en gevaren met zich meebrengt, maar ook voordelen.

"De mens kan slechts een flits van tijd aan de wetten van deze wereld ontsnappen. Momenten van pauzeren, van nadenken, van pure intuïtie... Het is met deze flitsen dat hij in staat is tot het bovenmenselijke." (Simone Weil, "Zwaartekracht en Grace")

Einstein, een legendarische natuurkundige, is het perfecte voorbeeld van een fantasierijk wezen. Zijn weigering van willekeur is daarom een ​​paradox, want willekeur is wat intuïtie mogelijk maakt, waardoor creatieve processen in zowel wetenschap als kunst mogelijk worden.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.