重力波と科学革命の遅いペース

LIGOによる重力波の検出は、アインシュタインが一般相対性理論を提唱し、それに続く論文で重力波の可能性を数学的に記述してからほぼ1世紀後のことでした。少なくとも、それが一般の人々（私自身も含め）に発表された時の話です。そして、ある意味では、それは真実ですらあります。

しかし、重力波が存在する可能性があり、検出できる可能性があると人々が認めるまでに相対性理論がどのように進歩したかという現実は、上記で述べたような単純な物語よりもはるかに複雑です。今週のNature Astronomy誌では、科学史家グループが、相対性理論の黎明期からLIGOの建設に至るまでの経緯を詳細に解説しています。そしてその過程で、科学革命が突然の劇的な変化をもたらすという考えは、時に本質を見失っている可能性があることを歴史家たちは示しています。

あなたのパラダイムは変化しましたか?

科学革命という一般的な概念（存在する範囲において）は、トーマス・クーンによって形作られました。クーンは、データが既存の理論を徐々に危機に陥らせ、ほぼすべての人がその理論が機能していないことに気づくようになるプロセスを説明しました。危機の時期の後、革命が起こり、新しい理論が出現します。危機を引き起こしたすべての問題を解決する理論の能力はすぐに支持を集め、理論主導型（クーンの言葉で言えば「パラダイム主導型」）の新たな時代が始まります。

これはある意味で、相対性理論の筋書きとよく一致しています。アインシュタインの提唱は、曲がった時空という新たなパラダイムを生み出し、ニュートン重力理論の多くの問題を解決し、実験的な支持と受容を急速に獲得しました。そして1年も経たないうちに、アインシュタインはこの新たなパラダイムを用いて重力波を生成するという論文を発表しました。この論文は誤りでしたが、彼は数年後により正確な論文を発表しました。こうして、1世紀後の発見の舞台を整えた革命は完結したのです。

しかし、歴史家たち（アレクサンダー・ブルム、ロベルト・ラリ、ユルゲン・レン）は、このパラダイムシフトの劇的な展開に水を差そうとしている。彼らは、アインシュタインの一般相対性理論の定式化後の状況に焦点を当てることで、その真価を発揮しようとしている。

（ここで注目すべきは、その前兆がクーンの革命モデルを支持するものではないということだ。ニュートンの枠組みに問題が明らかになった後も、人々はその枠組みの中で幸せに研究を続けていたし、アインシュタインが特殊相対性理論を提唱した後も、明確な危機の時期はなかった。ある意味では、一般相対性理論は、アインシュタイン自身が特殊相対性理論を導入することで作り出した問題を解決していたに過ぎなかったのだ。）

ウェーブをする

まず第一に、重力波はアインシュタインの研究から端的に現れたわけではありません。アインシュタインは、カール・シュヴァルツシルト（半径論で有名）に促されるまで、その存在について真剣に検討していなかったようです。彼の最初の論文には数学的な誤りがあり、修正版は波が円筒に沿って伝播する場合にのみ有効でした。この論文は、アインシュタインが重力波の存在を予言したという主張の根拠となっていますが、明らかに単純化された環境における近似解でした。

そして、アインシュタインはそこで研究を中断した。彼の関心は、彼自身の重力理論と電磁気学の統一へと移った。当時、この問題に取り組むコミュニティはほとんどなく、量子力学が注目を集めつつあった。さらに、世界大戦によって科学界は混乱し、応用物理学へと焦点が移った。歴史家によると、この時期に行われた相対性理論の研究のほとんどは、既存のよく記述された物理系をニュートン力学から相対性理論へと変換することに焦点を当てていた。相対性理論が宇宙についてどのような独自の知見をもたらすのかを探ることには、はるかに焦点が当てられていなかった。

相対性理論の意味を深く理解していなかったことが、アインシュタインの数学の誤りのような問題を悪化させた。数学が特異点のような無意味なものを生み出したとき、それが何を意味するのか明確ではなかった。これらの数学的抽象概念は現実に根拠がないのだろうか？別の数学的アプローチは理にかなった解決策を生み出すのだろうか？それとも、相対性理論は単に記述できる範囲が限られているだけなのだろうか？理論に対する確固たる理解がなければ、これらのどれが最も可能性が高いのかを判断するのは難しいかもしれない。

そのため、正しい方程式から重力波が出てくる可能性はあるものの、重力波が必ず存在するかどうかを決定することには大きな関心がなく、ましてやそれをどのように検出するかということには関心が寄せられていませんでした。

起こる

この分野はどのようにしてこの低迷から脱却したのでしょうか？1950年代には、戦時中の物理学の成功を受けて政府から強力な支援を受け、研究者コミュニティが拡大しました。さらに、宇宙とその進化を記述する膨大なデータを理解するには、重力の影響が必要であることがますます明らかになっていきました。

相対性理論コミュニティは科学の国際化の進展にも注目し、分野全体を対象とした年次会議を開催しました。成長するコミュニティからは、個々の研究グループが自らの研究に自信を持つためには、相対性理論に残された物理的な問題を解決しなければならないというコンセンサスが生まれました。相対性理論の問題解決は、人々が関心を寄せていた量子力学との統合にも不可欠な前提条件と考えられていました。

重力波の存在はこうした問題の一つであり、注目を集め始めました。ある会議で重要なブレイクスルーが起こりました。そこで研究者（リチャード・ファインマンを含む）は、重力波に含まれるエネルギーが、宇宙の他の部分にあるよりよく理解されているエネルギー形態とどのように交換できるかを認識しました。別の研究者は、電磁波を記述できる数学を重力波を記述できるように修正する方法を考案しました。この数学的構造は、重力波は時空のさざ波であるという見解の起源となり、この見解は現在まで受け継がれています。