Přečtěte si, jak AC Grayling odhaluje filozofii experimentování

Je-li vědecká teorie elegantní a je v souladu se známými fakty, je třeba ji testovat experimentem? Vědecké poznání má být empirické: aby byla teorie přijata jako vědecká, musí být falzifikovatelná – to znamená, že musí být možné ji alespoň v principu empiricky vyvrátit. Tento argument předložil v roce 1934 filosof Karl Popper a většina vědců jej dnes obecně přijímá jako určující pro to, co je a co není vědecká teorie.

V posledních letech však mnoho fyziků vytvořilo teorie s velkou matematickou elegancí, které jsou však mimo dosah empirické falzifikace, a to i v principu. Vyvstává nepříjemná otázka, zda je lze ještě považovat za vědu. Někteří vědci navrhují, aby se definice toho, co je „vědecké“, uvolnila, zatímco jiní se obávají, že by to mohlo otevřít dveře pseudovědcům nebo šarlatánům, kteří by mohli klamat veřejnost a nárokovat si stejný prostor pro své názory.

Otázka, zda lze vysoce teoretické vědecké myšlenky podrobit experimentálnímu testování, je problémem pro nejpokročilejší a nejsilnější myšlenky ve světě fyziky. Teorie strun a myšlenka „multivesmíru“ – existence více vesmírů – jsou dvě přední teorie, které se snaží vysvětlit nejzákladnější vlastnosti fyzikálního světa. Obě myšlenky mají obrovskou teoretickou přitažlivost. Teorie strun není ze své podstaty netestovatelná – ale zatím se nepodařilo dosáhnout žádného úspěchu. Z experimentálního hlediska si lze představit nějakou budoucí technologii, která je – alespoň teoreticky – schopna urychlit částice na takzvanou Planckovu energetickou škálu. Jedná se o energetickou úroveň tisíckrát bilionkrát vyšší, než jakou lze získat na Velkém hadronovém urychlovači (LHC), a o bod, v němž se podle předpokladů projeví důsledky teorie strun. Teorie mnohovesmíru představuje pro experiment zdánlivě nepřekonatelnou překážku, protože jiné vesmíry je ze své podstaty nemožné detekovat, ačkoli i zde fyzikové navrhují způsoby, jak jejich existenci odvodit.

Směřuje fyzika do éry, v níž postačí elegance, a do oblasti teorií, které jsou mimo dosah experimentálního důkazu? Nebo zůstanou empirické důkazy arbitrem vědy?

Teorie řetězců je pokusem o vytvoření jednotné teorie částic a sil a poprvé se objevila na scéně před 30 lety. Teorie předpokládá, že miniaturní jednorozměrné entity – struny – existují v dimenzích vyšších, než jsou nám v současnosti známé, a že tyto podivné vysokodimenzionální jevy jsou základem celé fyziky. Od svého vzniku jsou techniky teorie strun hojně a úspěšně využívány matematiky. Původní motivace – vytvořit vědeckou teorii, která sjednotí zákony určující chování částic a sil – se však zadrhla. Podle kosmologa George Ellise, bývalého profesora na univerzitě v Kapském Městě a světové autority v oblasti fyziky vesmíru, je teorie strun „zkoumáním fascinujících matematických struktur, které mohou, ale nemusí souviset s fyzikálním vesmírem. Takže co se týče její aplikovatelnosti na reálný vesmír, je to spíše hypotetická věda než testovatelná věda.“

Frank Wilczek, profesor fyziky na Massachusettském technologickém institutu a nositel Nobelovy ceny za fyziku za rok 2004, popisuje současnou situaci takto: „V komunitě teorie strun je mnoho seriózních a nadaných jedinců, kteří se snaží pochopit přírodu, a bylo by bláznivé vyloučit je z vědy. Pro mě jsou však nejpůsobivější a nejdůležitější ty části vědy, které používají několik málo předpokladů k vysvětlení mnoha věcí o světě, a z tohoto pohledu by teorie strun potřebovala vylepšit.“

Výzvou, kterou Wilczek a Ellis předkládají, je otázka, zda by se někdy podařilo najít důkazy na podporu teorie strun pomocí experimentu. Jeden směr zkoumání se týká ústředního pilíře teorie. Ta tvrdí, že každá částice hmoty, jako jsou elektrony nebo kvarky, má partnera mezi částicemi, které přenášejí síly – „bosony“, jako jsou foton a gluony. Tato vlastnost je známá jako supersymetrie. Wilczek poznamenává, že je „důležitou složkou teorie strun. Její objev, i když ne důkaz , by byl povzbudivý.“
Důkaz supersymetrie však zatím nebyl zjištěn na LHC, urychlovači částic na francouzsko-švýcarské hranici, který je zařízením s nejvyšší energií na světě, a je tedy nejlépe vybaven k jejímu testování. V červenci 2012 zaznamenal urychlovač jeden hojně medializovaný triumf, když potvrdil existenci Higgsova bosonu, částice, která dává některým základním částicím jejich hmotnost.

Objev měl takový význam, protože doplnil „standardní model“ částic a sil: základní teorii, kterou fyzikové vytvořili o základních stavebních prvcích přírody. Přesto v současné době neexistují žádné empirické důkazy, které by podporovaly jakoukoli fyziku – například supersymetrii – ležící mimo standardní model. Pokud bychom se řídili Popperovým návodem, co je vědecké, museli bychom říci, že teorie strun stojí v současné době mimo vědu.

Fyzikové jsou však optimističtí, že by brzy mohlo dojít k průlomu při hledání určitého typu hmoty známého jako „temné částice“. Supersymetrie předpovídá existenci částic, jejichž vlastnosti by mohly odpovídat vlastnostem temné hmoty. Pokud by se tedy vědcům podařilo najít důkaz existence temné hmoty, podpořilo by to teorii supersymetrie a považovalo by se to za první krok k poskytnutí empirického základu pro teorii strun.

Fyzikové již dlouho pozorují, že pohyby hvězd a interakce galaxií naznačují, že pociťují větší gravitační sílu, než jakou lze vysvětlit viditelnými hvězdami. Předpokládá se, že tuto chybějící gravitační sílu vyvíjí temná hmota.

Wilczek je optimistický, že LHC by mohl přinést průlom. Jeho naděje potvrzuje i Rolf-Dieter Heuer, generální ředitel společnosti Cern, která LHC provozuje. Podle jeho názoru vyšší energie rekonstruovaného LHC „otevře okno k přímým objevům mimo standardní model“. Podle názoru Stevena Weinberga, nositele Nobelovy ceny, jehož práce byla stěžejní pro vývoj standardního modelu, by objev částic temné hmoty byl „nejzajímavější ze všech“.

Teoreticky by tedy věda mohla najít důkazy o platnosti supersymetrie. Totéž platí i pro temnou hmotu. Ani jedno by nepotvrdilo teorii strun, ale bylo by prvním krokem. Tato myšlenka je tedy v zásadě otevřená empirickému testování.

Teorie mnohovesmíru je však problematičtější. Protože neexistuje možnost komunikace mezi námi a jinými vesmíry, neexistuje žádný empirický způsob, jak teorii mnohovesmíru otestovat. George Ellis to uvádí výslovně: „V obecném modelu multivesmíru se někde stane všechno, co se může stát, takže se do něj vejdou jakákoli data, ať už jsou jakákoli. Proto jej nelze vyvrátit vůbec žádným pozorovacím testem.“ Z toho vyplývá, že koncept multivesmíru leží mimo vědu.

„Matematické nástroje nám umožňují zkoumat realitu, ale samotné matematické koncepty nutně neimplikují fyzikální realitu.“

Po celou dobu, co se lidé věnují vědě, se snaží pochopit vesmír. Wilczek říká: „Moderní fyzika naznačuje, že je pravděpodobné, že fyzikální svět může existovat v kvalitativně odlišných formách, podobně jako voda může existovat jako led, kapalná voda nebo pára. Tyto různé formy… mohou ve skutečnosti uplatňovat různé fyzikální zákony. Pokud takové různorodé oblasti prostoru existují, pak „vesmír“, jak jsme ho definovali, není celá realita. Celek reality nazýváme multivesmírem.“

Ellis a jeho kolega kosmolog Joe Silk, profesor na Université de Pierre et Marie Curie v Paříži, tomu říkají „kaleidoskopický multivesmír zahrnující nesčetné množství vesmírů“. Oni, stejně jako zástupce mnoha fyziků, pak předkládají základní výzvu: domněnka, že jiný vesmír nemusí mít stejné základní přírodní konstanty jako ten náš, inspiruje k otázce, co určuje hodnoty v našem vesmíru. Z celé řady vesmírů, které by mohly existovat, jsou podmínky pro úzký rozsah parametrů, pro které by mohl existovat inteligentní život, zanedbatelné. Pravděpodobnost naší existence je tedy tak mizivá, že teorie mnohovesmíru tvrdí, že „tam venku“ existuje „krajina“ vesmírů, v nichž existují všechny možné hodnoty těchto parametrů. Někde tedy bude existovat jeden vesmír s podmínkami vhodnými pro život a my jsme toho důkazem.

Weinberg připouští, že multivesmír pravděpodobně nebude potvrzen pozorováním v našem konkrétním „podvesmíru“. Tvrdí však, že to nemusí být nutně fatální pro vědeckou platnost teorie. „Myšlenka multivesmíru je velmi spekulativní,“ říká, „ale není to zcela nesmyslná spekulace. Existence multivesmíru může být jednoho dne potvrzena odvozením z teorie, která je potvrzena úspěchem dostatečného množství jiných předpovědí.“

V tomto duchu Wilczek poukazuje na to, že vědecké teorie mohou být užitečné, i když jsou pochopeny jen částečně. Říká: „Je velmi běžnou a úspěšnou praxí pracovat s teoretickými strukturami mnohem rozsáhlejšími, než je to, co na nich můžeme pozorovat“. Jako příklad uvádí kvantovou teorii, základní nástroj teoretické fyziky, která je plná konceptů, jež zdánlivě odporují naší intuitivní představě o tom, jak se věci chovají. Mnoha teoretikům, včetně mě, jsou její základy nepříjemné, přesto se jim daří její matematiku s jistotou a empirickým úspěchem aplikovat. Teorie kvantové mechaniky je vědou, protože ji lze v zásadě vyvrátit. Obstála v nesčetných testech a přinesla nespočet úspěšných předpovědí. Ellis a Silk připomínají, že mnohovesmír může být pohodlnou matematickou pomůckou, ale to nevyžaduje, aby tyto vesmíry měly „realitu“. Upozorňují na to tím, že připomínají varování německého matematika Davida Hilberta: „Ačkoli je nekonečno potřebné k dokončení matematiky,“ řekl, „ve fyzickém vesmíru se nikde nevyskytuje.“

To je jádro věci. Matematické nástroje nám umožňují zkoumat realitu, ale samotné matematické pojmy nutně neimplikují fyzikální realitu. Důkazy na podporu teorie tedy musí být experimentální nebo pozorovací, nikoli pouze teoretické. Ellis a Silk na to důrazně upozorňují a varují před představou, že „teoretické objevy posilují víru“. Připomínají nám: „experimenty prokázaly, že mnoho krásných a jednoduchých teorií je chybných.“

Wilczek uvádí příklad jedné takové teorie ve své knize Krásná otázka. V 17. století nabyl německý astronom Johannes Kepler přesvědčení, že vytvořil model struktury sluneční soustavy. Jeho „teorie“ měla svůdnou geometrickou krásu, která Keplera přesvědčila, že narazil na Boží plán. Napsal: „Cítím se unesen a posedlý nevýslovným nadšením nad božskou podívanou nebeské harmonie.“ Jeho teorie však byla mylná – Keplerův planetární model byl nakonec zpochybněn, v neposlední řadě objevem dalších planet. Jak však připomíná Wilczek, ačkoli se Kepler mýlil v popisu uspořádání planet, byl přesný v popisu jejich pohybu – že oběžné dráhy planet nejsou kružnice, ale elipsy, a že Slunce není ve středu elipsy, ale nachází se v jejím „ohnisku“. Tyto poznatky inspirovaly Isaaca Newtona k vytvoření jeho gravitačního zákona.

Můžeme doufat v moderní paralelu: že nadšení z teorie strun inspiruje experimentátory na LHC k objevu supersymetrie. To by zase mohlo vyřešit záhadu temné hmoty, jejíž existence byla tušena na základě zjevného odmítání pohybů hvězd v galaxiích řídit se Keplerovými a Newtonovými pravidly. Nebo se možná supersymetrie a temné částice odmítnou na LHC objevit, protože neexistují. Vyloučení experimentem by bylo neúspěchem, ale byl by to neúspěch vědecký. Ve velkém lidském projektu, jehož cílem je lépe pochopit fyzikální zákony, které řídí chování hmoty a sil, by se to počítalo jako pokrok.