1915-2015: μια ιστορική-επιστημολογική αποτίμηση της θεωρίας της σχετικότητας

«Το φιλοσοφικό ‘‘στιλ’’ του Αϊνστάιν δυσχέρανε την κατανόηση και την αποδοχή της θεωρίας της σχετικότητας καθώς δεν ήταν λίγοι οι φυσικοί που θεωρούν ότι ο φιλοσοφικός στοχασμός σχετικά με τον χώρο και τον χρόνο δεν έχει θέση στη φυσική

Ολοκληρώνοντας το  αφιέρωμα για τα εκατό χρόνια από τη δημοσιοποίηση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, θα πρέπει να εξετάσουμε όχι μόνο γιατί οι πρωτοποριακές ιδέες του Αϊνστάιν αποδείχτηκαν τόσο γόνιμες επιστημονικά ώστε να αλλάξουν τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε σήμερα την πραγματικότητα και κάνουμε φυσική, αλλά και σε ποιο βαθμό αυτές επηρεάστηκαν ή ενδεχομένως περιορίστηκαν από τις ιστορικές και φιλοσοφικές αντιλήψεις της εποχής του.
Στο σημερινό άρθρο θέλουμε να αναδείξουμε τις ιστορικές-εθνικές αλλά και τις φιλοσοφικές προκείμενες που διευκόλυναν ή, αντιθέτως, παρεμπόδισαν την επικράτηση των σχετικιστικών ιδεών.
Για τον σκοπό αυτόν, ζητήσαμε τη συμβολή του καθηγητή Θόδωρου Αραμπατζή, διακεκριμένου Έλληνα ιστορικού της επιστήμης, ο οποίος εδώ και πολλά χρόνια μελετά τις επιστημολογικές και ιστορικές προϋποθέσεις για την επικράτηση της σχετικιστικής και της κβαντικής φυσικής.

• Πολλοί πιστεύουν ότι μόλις εμφανίζεται μια μεγάλη θεωρητική ή πειραματική ανακάλυψη γίνεται σχεδόν αυτομάτως αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα. Ομως αυτό δεν συνέβη ούτε με την ειδική ούτε με τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Πώς εξηγούνται τέτοιες «συντηρητικές» και φαινομενικά ανορθολογικές αντιδράσεις απέναντι σε μια τόσο ανανεωτική θεωρία;

Ο συντηρητισμός στην επιστήμη δεν είναι απαραίτητα ανορθολογική στάση.
Οι επικρατούσες επιστημονικές θεωρίες είναι αποτέλεσμα μακροχρόνιας και συστηματικής έρευνας και δεν ανατρέπονται εύκολα, ακόμη και αν αντιμετωπίζουν «ανωμαλίες», δηλαδή φαινόμενα ή πειραματικά αποτελέσματα που αδυνατούν να τα εξηγήσουν.
Μια νέα θεωρία μπορεί να επιλύει ορισμένα από τα προβλήματα που αντιμετώπιζε η παλαιότερη, η αποδοχή της όμως έχει και κάποιο κόστος.
Για παράδειγμα, μπορεί να συγκρούεται με παγιωμένες και καλά τεκμηριωμένες πεποιθήσεις για τη φύση ή να μην είναι σε θέση να εξηγήσει όλα τα φαινόμενα που εξηγούσε η παλαιότερη θεωρία.
Η περίπτωση της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας (ΕΘΣ) δείχνει ξεκάθαρα πόσο περίπλοκη μπορεί να είναι η διαδικασία αποδοχής μιας νέας επιστημονικής θεωρίας.
Η θεωρία του Αϊνστάιν είχε ορισμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με παλαιότερες θεωρίες για τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα σε κινούμενα σώματα: ήταν απλούστερη και βασιζόταν σε λιγότερες παραδοχές.
Ωστόσο, το κόστος αυτής της απλοποίησης ήταν μεγάλο.
Η ΕΘΣ κατέστησε περιττό τον αιθέρα, το μέσο που θεωρούνταν απαραίτητο για τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, και σχετικοποίησε το ταυτόχρονο: δύο συμβάντα που ήταν ταυτόχρονα για έναν παρατηρητή, δεν ήταν ταυτόχρονα για κάποιον άλλο που κινούνταν ως προς τον πρώτο.
Η απόρριψη του αιθέρα έκανε πολύ δύσκολη τη φυσική κατανόηση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και η σχετικοποίηση του ταυτόχρονου ήταν επίσης ακατανόητη σε πολλούς επιστήμονες, όπως ο μεγάλος Ολλανδός φυσικός H.A. Lorentz.

O Αϊνστάιν μαζί με τον φυσικό Χ. Λόρεντζ |

Επίσης, οι προβλέψεις της ΕΘΣ σχετικά με τη μεταβολή της μάζας των κινούμενων σωμάτων είχαν αρχικά διαψευστεί.
Μόνον αργότερα, στη δεύτερη δεκαετία του 20ού αιώνα, αποδείχθηκε ότι τα πειραματικά αποτελέσματα που υποτίθεται ότι είχαν διαψεύσει την ΕΘΣ ήταν λανθασμένα.
Συνεπώς, για αρκετά χρόνια οι αντιδράσεις στην ΕΘΣ ήταν δικαιολογημένες και σε καμία περίπτωση δεν θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν ανορθολογικές.
Ωστόσο, με τη γενική θεωρία της σχετικότητας (ΓΘΣ) τα πράγματα άλλαξαν. Οι επιτυχημένες προβλέψεις της ΓΘΣ, π.χ. για τη μετάπτωση του περιηλίου του Ερμή, και η γόνιμη εφαρμογή της στην κοσμολογία δεν άφησαν πολλά περιθώρια ορθολογικής κριτικής στους επικριτές της.

• Από το 1905 μέχρι το 1911 οι περισσότεροι Γερμανοί φυσικοί τήρησαν αρνητική ή και εχθρική στάση απέναντι στις ανατρεπτικές ιδέες της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας. Μόνο δυο-τρεις διάσημοι φυσικοί την υπερασπίστηκαν, ο καθένας για διαφορετικούς λόγους. Την ίδια περίοδο οι πιο επιφανείς Γάλλοι, Βρετανοί και Αμερικανοί φυσικοί αντέδρασαν είτε με απόλυτη σιωπή είτε αρνούμενοι να αποδεχθούν τις πραγματικές της συνέπειες. Μήπως εντέλει οι εθνικές, πολιτισμικές και κοινωνικές διαφορές επηρεάζουν την ανάπτυξη της επιστημονικής γνώσης σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό από όσο θέλουμε να πιστεύουμε;

Οπως ήδη ανέφερα, τα προτερήματα της ΕΘΣ σε σχέση με τις ανταγωνιστικές της θεωρίες ήταν αμφιλεγόμενα, τουλάχιστον για κάποιο διάστημα.
Αυτό άφηνε περιθώρια για ορθολογικές διαφωνίες ανάμεσα στους φυσικούς. Ωστόσο, σε αυτές τις διαφωνίες έπαιξε πράγματι καθοριστικό ρόλο η εθνικότητα των φυσικών.
Στη Γερμανία, οι ηγετικές φυσιογνωμίες της επιστημονικής κοινότητας, όπως ο Max Planck και ο Arnold Sommerfeld, υποδέχθηκαν θετικά τη θεωρία του Αϊνστάιν.
Υπήρξαν, ωστόσο, και σημαντικές εξαιρέσεις, όπως οι νομπελίστες φυσικοί Philipp Lenard και Johannes Stark, που όμως είχαν πολιτικά και ιδεολογικά κίνητρα.
Στη Γαλλία, ίσως λόγω της καταλυτικής επιρροής του μεγάλου μαθηματικού, φυσικού και φιλοσόφου Henri Poincaré, ο οποίος αγνόησε επιδεικτικά τη θεωρία του Αϊνστάιν, η διείσδυση της θεωρίας της σχετικότητας ήταν εξαιρετικά αργή.

O μεγάλος Γάλλος μαθηματικός Α. Πουανκαρέ, ο οποίος αγνόησε σκανδαλωδώς τη θεωρία της σχετικότητας | 

Στη Βρετανία, πάλι, όπου ο αιθέρας ήταν κεντρικό στοιχείο της κοσμοθεωρίας και της πρακτικής των Βρετανών φυσικών, υπήρξε μεγάλη δυσκολία κατανόησης της νέας θεωρίας και έγιναν προσπάθειες αφομοίωσής της στη φυσική του αιθέρα.
Οσο για τις ΗΠΑ, εκείνη την περίοδο δεν υπήρχε σημαντική παράδοση στη θεωρητική φυσική και τα παράδοξα στοιχεία της ΕΘΣ, όπως η σχετικότητα του ταυτόχρονου και η απόρριψη του αιθέρα, ήταν εξαιρετικά «δύσπεπτα» για πολλούς φυσικούς.
Από κάποιο σημείο και μετά, βέβαια, οι αρετές της θεωρίας της σχετικότητας ήταν ιδιαίτερα εμφανείς και δεν μπορούσαν να αγνοηθούν από τους πολέμιούς της.
Επίσης, η παλαιότερη γενιά των «κλασικών» φυσικών σταδιακά έφυγε από το προσκήνιο και η νεότερη γενιά δεν είχε καμία δυσκολία να αποδεχθεί τις ανατρεπτικές πτυχές της θεωρίας του Αϊνστάιν.
Η μόνη χώρα στην οποία ο Αϊνστάιν εξακολούθησε να έχει εχθρούς για μεγάλο διάστημα ήταν η Γερμανία.
Ωστόσο, αυτό σχετιζόταν περισσότερο με την εβραϊκή καταγωγή του και τις ριζοσπαστικές πολιτικές απόψεις του παρά με το περιεχόμενο των θεωριών του.
Σε κάθε περίπτωση, οι μεγάλες διαφοροποιήσεις στην πρόσληψη της θεωρίας της σχετικότητας σε διαφορετικές χώρες δείχνουν ότι κοινωνικοί και πολιτισμικοί παράγοντες είναι σημαντικοί για την αποδοχή μιας νέας θεωρίας.

• Εκτός όμως από τις εθνικές-πολιτισμικές μεταβλητές, στην αποδοχή κάθε σημαντικής επιστημονικής θεωρίας υπεισέρχονται και φιλοσοφικοί-επιστημολογικοί παράγοντες. Ποιες ήταν οι φιλοσοφικές προκείμενες που διευκόλυναν την ανάδυση των ανατρεπτικών σχετικιστικών ιδεών του Αϊνστάιν και σε ποιο βαθμό κάποιες αμιγώς φιλοσοφικές αντιρρήσεις δυσχέραναν την αποδοχή της;

Ο Αϊνστάιν είχε αξιόλογη φιλοσοφική παιδεία. Στα μαθητικά και φοιτητικά του χρόνια είχε μελετήσει τα έργα των Χιουμ, Καντ, Μαχ και Πουανκαρέ.
Είχε επηρεαστεί έντονα από τον εμπειρισμό του Χιουμ και την κριτική του Μαχ στη νευτώνεια αντίληψη του χώρου ως αυθύπαρκτης και απόλυτης οντότητας.
Η επιρροή του Χιουμ είναι εμφανής στην εργασία του Αϊνστάιν «Περί της ηλεκτροδυναμικής των κινούμενων σωμάτων» το 1905, όπου διατύπωσε την ΕΘΣ.
Ενα σημαντικό -ίσως το πιο σημαντικό!- τμήμα αυτής της εργασίας περιέχει μια οξυδερκή ανάλυση της έννοιας του χρόνου και, πιο συγκεκριμένα, του «ταυτόχρονου». Η κριτική ανάλυση θεμελιωδών εννοιών, όπως η έννοια του χρόνου, δεν ήταν τότε κάτι σύνηθες στη φυσική.
Η σύνθεση φυσικής και φιλοσοφίας αποτελεί ένα από τα πιο ρηξικέλευθα και γοητευτικά στοιχεία του έργου του Αϊνστάιν.
Οπως επισήμανε ο ίδιος προς το τέλος της ζωής του: «Η γνωσιολογία χωρίς την επιστήμη καταλήγει να είναι ένα κενό σχήμα. Η επιστήμη χωρίς τη γνωσιολογία -αν μπορούμε να διανοηθούμε καν κάτι τέτοιο- είναι πρωτόγονη και τελεί σε σύγχυση».
Ωστόσο, το φιλοσοφικό «στιλ» του Αϊνστάιν δυσχέρανε την κατανόηση και την αποδοχή της θεωρίας της σχετικότητας.
Δεν ήταν λίγοι οι φυσικοί που πίστευαν (και εξακολουθούν να πιστεύουν!) ότι ο φιλοσοφικός στοχασμός σχετικά με τον χώρο και τον χρόνο δεν έχει θέση στη φυσική.
Ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός Lorentz, για παράδειγμα, υποστήριζε ότι στη φυσική είναι νόμιμο να χρησιμοποιούμε τις οικείες έννοιες του χώρου και του χρόνου, τις οποίες και θεωρούσε «απολύτως σαφείς».
Οπως έλεγε, «η αντίληψή μου για τον χρόνο είναι τόσο ξεκάθαρη που διακρίνω με σαφήνεια […] τι είναι ταυτόχρονο και τι όχι».
Η στάση του Lorentz είναι ενδεικτική της άρνησης πολλών φυσικών των αρχών του 20ού αιώνα να αποδεχθούν τη σχετικότητα του χρόνου, η οποία αντίκειται στον «αυτονόητο» χαρακτήρα του.
Ισως, γι’ αυτόν τον λόγο να υποτιμήθηκε αρχικά η εννοιολογική καινοτομία της ΕΘΣ, η οποία για αρκετά χρόνια θεωρούνταν μια απλή παραλλαγή της θεωρίας του Lorentz.

O Αϊνστάιν με τον ιδιοφυή μαθηματικό λογικιστή Καρτ Γκέντελ | 

• Πράγματι, το «στιλ» του Αϊνστάιν ως θεωρητικού φυσικού υπήρξε ένα ενδιαφέρον εμπόδιο για την αποδοχή των σχετικιστικών ιδεών. Πόσο πρωτοποριακό ήταν για την εποχή του αυτό το «προσωπικό» στιλ σκέψης και τι έχει απομείνει από αυτό στη νοοτροπία των σύγχρονων φυσικών;

Ορισμένες από τις μεγάλες επιστημονικές επαναστάσεις είχαν ως αφετηρία κάποιες «προσωπικές» ερμηνείες των προβλημάτων που αντιμετώπιζαν οι καλά εδραιωμένες, μέχρι τότε, θεωρίες.
Για παράδειγμα, ο Κοπέρνικος, σε αντίθεση με την πλειονότητα των αστρονόμων του 16ου αιώνα, θεωρούσε ότι η πτολεμαϊκή αστρονομία είχε εκφυλιστεί σε ένα συνονθύλευμα αυθαίρετων τεχνικών για την πρόβλεψη των πλανητικών κινήσεων.
Κάτι παρόμοιο βλέπουμε και στην περίπτωση του Αϊνστάιν.
Το 1905, στην εργασία του για την ΕΘΣ, παρουσιάζει ως κεντρικό πρόβλημα της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας το γεγονός ότι η συμμετρία ενός ηλεκτρομαγνητικού φαινομένου δεν αντανακλάται στη θεωρητική του ερμηνεία.
Η εν λόγω «ασυμμετρία» ήταν απαράδεκτη για τον Αϊνστάιν, μολονότι δεν αποτελούσε ένα αναγνωρισμένο πρόβλημα στην κοινότητα των φυσικών.
Το προσωπικό «στιλ» του Αϊνστάιν στη φυσική ήταν απόρροια των επιστημολογικών του αναζητήσεων.
Ωστόσο, και άλλοι μεγάλοι φυσικοί των αρχών του 20ού αιώνα, όπως ο Max Planck, ο Niels Bohr και ο Erwin Schrödinger, είχαν φιλοσοφική παιδεία και συγκροτημένες φιλοσοφικές απόψεις σχετικά με την επιστήμη.
Κάτι που επίσης ίσχυε και για την αμέσως επόμενη γενιά φυσικών, που συμπεριλάμβανε τους πρωτεργάτες της κβαντικής μηχανικής, όπως ο Werner Heisenberg και ο Wolfgang Pauli.
Μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, όμως, τα πράγματα άλλαξαν. Το επίκεντρο της έρευνας στη φυσική μετατοπίστηκε γεωγραφικά στις ΗΠΑ, όπου κυριαρχούσε μια πιο πραγματιστική θεώρηση της επιστήμης, με έμφαση στην εμπειρική επάρκεια και την εργαλειακή χρησιμότητα των επιστημονικών θεωριών.
Η πλειονότητα των Αμερικανών φυσικών δεν διαπνεόταν από φιλοσοφικές ανησυχίες. Ορισμένοι, μάλιστα, είχαν μια εμφανώς απαξιωτική στάση απέναντι στη φιλοσοφία.
Ενδεικτικές είναι οι περιπτώσεις των μεγάλων Αμερικανών φυσικών Richard Feynman και Steven Weinberg.
Στον μεν Feynman αποδίδεται η άποψη ότι η χρησιμότητα της φιλοσοφίας της επιστήμης για τους επιστήμονες είναι αντίστοιχη με τη χρησιμότητα της ορνιθολογίας για τα πτηνά!
Οσο για τον Weinberg, θεώρησε σκόπιμο να συμπεριλάβει στο βιβλίο του «Ονειρα για μια τελική θεωρία» (ελλ. εκδ. Κάτοπτρο, 1995) ένα κεφάλαιο με τον χαρακτηριστικό τίτλο «Ενάντια στη φιλοσοφία»!
Ευτυχώς δεν υιοθετείται από όλους τους φυσικούς αυτή η αμιγώς πραγματιστική, υπολογιστική προσέγγιση.
Πολλοί αξιόλογοι ερευνητές καταφεύγουν σε φιλοσοφικούς προβληματισμούς σχετικά με τα εννοιολογικά θεμέλια των αναζητήσεών τους.
Ενδεικτικά παραδείγματα αποτελούν οι έρευνες στην κοσμολογία, στη φυσική υψηλών ενεργειών ή στα πολύπλοκα συστήματα.

• Από τότε που έγινε ευρύτατα αποδεκτή από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα η γενική θεωρία της σχετικότητας παρουσιάζεται ως μια μεγάλη «επιστημονική επανάσταση». Γιατί, όμως, ορισμένοι αξιόλογοι ιστορικοί και φιλόσοφοι της φυσικής ισχυρίζονται ότι οι βασικές αρχές, ακόμη και οι έννοιες της θεωρίας του Αϊνστάιν, μολονότι ανανεωτικές ή και ριζοσπαστικές, δεν αποτελούν επανάσταση, μια ριζική ανατροπή του κυρίαρχου Παραδείγματος της «κλασικής» φυσικής;

Στις επιστημονικές επαναστάσεις, όπως εξάλλου και στις πολιτικές, υπάρχουν στοιχεία ρήξης αλλά και στοιχεία συνέχειας με το παρελθόν.
Οι νέες επαναστατικές θεωρίες ανατρέπουν τις παλαιότερες, ωστόσο γεννιούνται μέσα από αυτές. Είτε διότι ενσωματώνουν τμήματά τους είτε γιατί επιλύουν προβλήματα που δημιούργησαν οι παλαιότερες.
Η ΓΘΣ προέκυψε από την προσπάθεια του Αϊνστάιν να επεκτείνει την αρχή της σχετικότητας σε μη αδρανειακά συστήματα (επιταχυνόμενα ή επιβραδυνόμενα).
Στις επίμονες και επίπονες προσπάθειες του Αϊνστάιν, από το 1907 έως το 1915, για τη συγκρότηση της νέας θεωρίας, καθοδηγητικό ρόλο έπαιξε ένα αίτημα συνέχειας: η νέα θεωρία έπρεπε να συμφωνεί με τη νευτώνεια θεωρία στο πεδίο ισχύος της τελευταίας!
Εντούτοις, το αποτέλεσμα αυτής της πορείας ήταν μια νέα εικόνα του κόσμου που διέφερε ριζικά από το νευτώνειο πρότυπο.
Οπως και εσείς εξηγήσατε στο πρώτο άρθρο αυτού του αφιερώματος, ο χώρος και ο χρόνος έπαψαν να θεωρούνται ανεξάρτητοι από την ύλη, και η βαρύτητα, από μυστηριώδης δύναμη εξ αποστάσεως που δρα ακαριαία, επανερμηνεύθηκε ως αποτέλεσμα της παραμόρφωσης του χωροχρόνου από την ύλη και ως «δύναμη» που διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός.
Επιπλέον, η ΓΘΣ εξηγούσε φαινόμενα που η νευτώνεια φυσική δεν μπορούσε να εξηγήσει, όπως το μέγεθος της μετάπτωσης του περιηλίου του Ερμή, και προέβλεπε νέα φαινόμενα, όπως η καμπύλωση του φωτός όταν διέρχεται κοντά από σώματα με μεγάλη μάζα και η επιβράδυνση του χρόνου από τη βαρύτητα.
Η επιβεβαίωση της καμπύλωσης του φωτός το 1919, κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης, έκανε τον Αϊνστάιν παγκόσμια διασημότητα μέσα σε λίγες μέρες.
Οσο για την επιβράδυνση της ροής του χρόνου από τη βαρύτητα, είναι πλέον φαινόμενο με τεχνολογικές εφαρμογές, όπως π.χ. τα GPS, που έχουν ενσωματωθεί στην καθημερινή μας ζωή.
Από μια άλλη άποψη, η ΓΘΣ, λόγω του αιτιοκρατικού της χαρακτήρα, εντάσσεται στο πλαίσιο της κλασικής φυσικής, σε αντίθεση με την κβαντική θεωρία που έχει πιθανοκρατικό χαρακτήρα.
Η ενοποίηση αυτών των δύο θεωριών παραμένει ένα από τα μεγάλα ανοιχτά προβλήματα της φυσικής.

Πηγή: Εφημερίδα των Συντακτών του Σ. Μανουσέλη