¿Cómo pudo Einstein descubrir las ondas gravitacionales en ese entonces sin la tecnología necesaria para probarlo / probarlo / hacer un experimento?

En realidad, la idea de que una teoría de campo tendría soluciones de vacío existía durante medio siglo a mediados de la década de 1910. Después de todo, en 1862 las ecuaciones de Maxwell (¡teoría pura!) Predijeron la existencia de ondas electromagnéticas, de las cuales Maxwell dedujo que la luz también debe ser una onda electromagnética, pero también proporcionó el marco teórico para los experimentos de Hertz un cuarto de siglo después (1887) , que confirmó que (en opinión de Hertz, completamente inútil para cualquier propósito práctico) se pueden generar y detectar ondas electromagnéticas.

Entonces, en 1915, cuando nació la teoría de campo de la gravitación que conocemos como relatividad general, ciertamente se esperaba que tuviera soluciones de vacío que se propagaran como ondas. Esto fue anticipado por personas como Lorentz o Poincare unas dos décadas antes. Y en 1916, Einstein de hecho ideó una solución de ondas gravitacionales de su teoría.

Esta era pura teoría, al igual que las ecuaciones de Maxwell y sus soluciones de vacío eran pura teoría en la década de 1860. La diferencia es que, si bien las ondas electromagnéticas son relativamente fáciles de generar y detectar incluso con equipos del siglo XIX (por lo que las predicciones de Maxwell se confirmaron después de solo 25 años), las ondas gravitacionales son más difíciles de observar y, por lo tanto, la confirmación tomó casi 60 años.

Vaya, ¿dije 60? Sí, lo hice. La existencia de ondas gravitacionales fue confirmada por observación indirecta en 1974. Una observación precisa del período orbital de un púlsar binario cercano demostró que las estrellas constituyentes están perdiendo energía cinética a la velocidad predicha por Einstein, ya que irradian esta energía en el forma de ondas gravitacionales. Hulse y Taylor recibieron el premio Nobel por este descubrimiento en 1993. (La observación reciente de GW150914 es muy significativa porque esta es la primera detección directa de ondas gravitacionales).

Hay una nota interesante al respecto, mencionada en la respuesta de Paul Mainwood: dos décadas después, mientras trabajaba con Rosen, Einstein llegó a la conclusión de que las ondas gravitacionales no existen. Esto también condujo al desacuerdo infame de Einstein con Physical Review, que tuvo la audacia de que un artículo de Einstein fuera revisado por pares y rechazado / devuelto para su revisión.

La idea de la relatividad especial de que hay una velocidad límite de todo: luz, materia, información, causalidad, lo que también implica que los cambios gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz. Aparentemente, Einstein se dio cuenta de esto en ese momento, pero le tomó a él, y a sus colaboradores, una década más o menos desarrollar esto en la Teoría General de la Relatividad: la relatividad de la gravedad.

La propagación de la gravedad implica (o es) ondas de gravedad. Sin embargo, observarlos es algo diferente. Para obtener una señal detectable , necesitamos algunos objetos extremadamente masivos que experimenten aceleraciones extremas y para obtener una señal reconocible , necesitamos un evento que envíe un conjunto de ondas característico (también: un sistema de detección increíblemente sensible). La espiral de fusión de dos agujeros negros ( más LIGO) cumple con este requisito (oscilaciones que se vuelven más rápidas y más fuertes y luego se detienen), pero la idea de que la gravedad debe propagarse se remonta a la percepción original de la relatividad de que hay una velocidad límite de todo.

Einstein pudo hacerlo porque tenía la perspicacia, el talento, la experiencia, la tenacidad (y quizás algo de suerte) para

1) formular la teoría general de la relatividad, y

2) encuentre una solución (campo débil) a sus ecuaciones que predije ondas gravitacionales. (Sin embargo, más tarde tuvo dudas sobre las ondas gravitacionales. Vea la respuesta de Paul Mainwood para más detalles).

Como Erik Anson menciona en su comentario, hay una analogía con la forma en que Maxwell descubrió la radiación electromagnética: 1) formuló sus leyes y 2) encontró una solución que predijo las ondas electromagnéticas.

Una de las cosas importantes sobre la ciencia es su capacidad para hacer predicciones. La verificación de una predicción no se encuentra necesariamente en la teoría que se utiliza para hacer esa predicción. De hecho, gran parte del trabajo científico está dedicado a verificar las predicciones hechas por varias teorías. Cuando podemos verificar las predicciones de una teoría, comenzamos a confiar más en la teoría. (Algunos podrían decir “creer en”, pero recomendaría evitar ese lenguaje.) La mayoría de las predicciones de la Teoría general de la relatividad de Einstein ya se habían verificado, por lo que había pocas dudas sobre la existencia de ondas de gravedad. Era solo que eran tan difíciles de detectar. La tecnología para hacerlo ni siquiera existió hasta hace un par de décadas, y aún tardó mucho tiempo en alcanzar el éxito después de que la gente comenzó a intentarlo.

Era bastante inteligente, comenzó con la historia especial de la retividad que mostraba que la velocidad de la luz es una constante universal, luego mostró que el fotón es una corriente de cuantos, a través de la interpretación del efecto fotoeléctrico, y se logra con el espacio Hillbert, y la geometría de Riemann, Pasar diez años para descubrir que la equección se conecta entre la curvatura de la tela del espacio-tiempo y el material distribuido a través de esta tela del espacio-tiempo, y cómo las estrellas y galaxias se mueven alrededor, eso lo inspiró a escribir la ecuación de gravedad en forma general, haciendo uso de lo conocido. matrices de curvatura, métricas geodésicas y otros cálculos diferenciales parciales y álgebra, para escribir finalmente la ecuación de relatividad general como

Rμν − 1 / 2gμνR = 8πGc4Tμν, donde LS es la curvatura y
RS es el Tensor estrés-energía-momento, después de diez años de duro trabajo.

Las ondas gravitacionales son una consecuencia de las soluciones a sus ecuaciones de relatividad general. La detección de estas ondas en LIGO no es un “descubrimiento” que Einstein había predicho milagrosamente hace 100 años. En cambio, es una verificación experimental de un fenómeno que juega un papel en la Relatividad General, y emerge de las ecuaciones matemáticamente. Simplemente no hemos tenido un equipo lo suficientemente sensible como para poder realizar un experimento para verificar su existencia hasta ahora.

¿Cómo podría Newton descubrir la fuerza gravitacional? ¿Cómo podría Kepler elaborar leyes sobre las órbitas del planeta?

Mediante el uso de las matemáticas e interpretando el significado correcto de sus cálculos con respecto al mundo real y con una visión no muy grande sino bastante profunda de la física .

Una famosa (y apócrifa y hay razones para pensar que no es verdad) la historia de Einstein puede arrojar algo de luz: cuando Einstein tuvo algunos compromisos de hablar en California, se llevó a su esposa; muchos lugares querían que él visitara y él la envió como una especie de representante a los que no podía llegar (o no tenía ganas de ver). Uno de ellos fue Mount Palomar, el observatorio con (en ese momento) el telescopio más grande del mundo. Le dieron el recorrido VIP, y al final, ella preguntó: “Entonces, ¿qué es lo principal para lo que usa todo este equipo?”

“Bueno, durante los últimos meses hemos estado tomando fotos y medidas para tratar de determinar la forma general del universo”.

“¿En serio? Mi esposo hace eso en el reverso de viejos sobres”.