Læs AC Grayling udpakke filosofien bag eksperimentering

Hvis en videnskabelig teori er elegant og i overensstemmelse med kendte kendsgerninger, er det så nødvendigt at teste den ved hjælp af eksperimenter? Videnskabelig viden formodes at være empirisk: For at blive accepteret som videnskabelig skal en teori kunne falsificeres – det vil sige, at det skal være muligt, i det mindste i princippet, at modbevise den empirisk. Dette argument blev fremført i 1934 af filosoffen Karl Popper og accepteres i dag generelt af de fleste videnskabsmænd som bestemmende for, hvad der er og ikke er en videnskabelig teori.

I de senere år har mange fysikere imidlertid udviklet teorier af stor matematisk elegance, men som er uden for rækkevidde af empirisk falsificering, selv i princippet. Det ubehagelige spørgsmål, der rejser sig, er, om de stadig kan betragtes som videnskab. Nogle videnskabsmænd foreslår, at definitionen af, hvad der er “videnskabeligt”, lempes, mens andre frygter, at det vil kunne åbne døren for pseudovidenskabsfolk eller charlataner til at vildlede offentligheden og kræve lige plads til deres synspunkter.

Spørgsmålet om, hvorvidt meget teoretiske videnskabelige ideer kan underkastes eksperimentel afprøvning, er et spørgsmål for de mest avancerede og stærke ideer i fysikkens verden. Stringteorien og ideen om “multiverset” – eksistensen af flere universer – er to førende teorier, der forsøger at forklare de mest grundlæggende egenskaber ved den fysiske verden. Begge ideer har en enorm teoretisk tiltrækningskraft. Stringteorien er ikke i sig selv uprøvelig – men den har endnu ikke været en succes. I eksperimentel henseende kan man forestille sig en fremtidig teknologi, der – i det mindste i teorien – er i stand til at accelerere partikler til det, der kaldes Planck-energiskalaen. Dette er et energiniveau, der er tusind billioner gange større end det, der kan produceres ved Large Hadron Collider (LHC), og det er det punkt, hvor konsekvenserne af strengteorien forventes at blive åbenbare. Multiverse-teorien udgør tilsyneladende uoverstigelige hindringer for eksperimenter, da andre universer i sig selv er umulige at påvise, selv om fysikere selv her foreslår måder at udlede deres eksistens på.

Er fysikken på vej mod en æra, hvor elegance vil være nok, og mod teorier, der ligger uden for eksperimentel bevisførelse? Eller vil empiriske beviser fortsat være videnskabens dommer?

Strengteorien er et forsøg på at udvikle en forenet teori om partikler og kræfter, og den brød først frem på scenen for 30 år siden. Teorien går ud fra, at der eksisterer miniscule endimensionelle enheder – strenge – i højere dimensioner end dem, vi i øjeblikket kender, og at disse mærkelige højdimensionelle fænomener ligger til grund for hele fysikken. Siden udviklingen af strengteorien har matematikere med stor succes anvendt strengteoriens teknikker i stor udstrækning. Men den oprindelige motivation – at skabe en videnskabelig teori, der forener de love, der styrer partiklers og kræfters adfærd – er gået i stå. Ifølge kosmologen George Ellis, tidligere professor ved University of Cape Town og en verdensautoritet inden for fysik i kosmos, er strengteori “en udforskning af fascinerende matematiske strukturer, som måske eller måske ikke har noget at gøre med det fysiske univers”. Så med hensyn til dens anvendelighed i forhold til det virkelige univers er det hypotetisk videnskab snarere end testbar videnskab.”

Frank Wilczek, professor i fysik ved Massachusetts Institute of Technology og modtager af Nobelprisen i fysik i 2004, beskriver den nuværende situation således: “Strengteori-fællesskabet indeholder mange seriøse og begavede personer, der forsøger at forstå naturen, og det ville være vanvittigt at udelukke dem fra videnskaben. Men for mig er de dele af videnskaben, der bruger nogle få antagelser til at forklare en masse om verden, de mest imponerende og vigtige, og ud fra det perspektiv kunne strengteorien godt bruge forbedringer.”

Den udfordring, som Wilczek og Ellis stiller, er, om der nogensinde vil kunne findes beviser til støtte for strengteorien gennem eksperimenter. En af undersøgelseslinjerne vedrører en central del af teorien. Denne går ud på, at hver stofpartikel, som f.eks. elektroner eller kvarker, har en partner blandt de partikler, der overfører kræfter – “bosoner” som f.eks. fotonen og gluoner. Denne egenskab er kendt som supersymmetri. Wilczek bemærker, at det er “en vigtig ingrediens i strengteorien”. Det ville være opmuntrende at opdage den, selv om det ikke er et bevis”.
Det er imidlertid endnu ikke lykkedes at finde beviser for supersymmetri ved LHC, partikelacceleratoren på den fransk-schweiziske grænse, som er verdens højenergianlæg og dermed det bedst egnede til at teste den. I juli 2012 havde acceleratoren en meget omtalt triumf, da den bekræftede eksistensen af Higgs-bosonen, den partikel, der giver nogle fundamentale partikler deres masse.

Fundet var af stor betydning, fordi det fuldendte “standardmodellen” for partikler og kræfter: den centrale teori, som fysikere har udviklet om naturens fundamentale byggesten. Alligevel er der i øjeblikket ingen empiriske beviser for, at der findes fysik – såsom supersymmetri – som ligger uden for standardmodellen. Hvis vi skulle følge Poppers vejledning om, hvad der er videnskabeligt, ville vi være nødt til at sige, at strengteorien i øjeblikket står uden for videnskaben.

Fysikere er imidlertid optimistiske og tror, at der snart kan ske et gennembrud i jagten på en bestemt type stof, der er kendt som “mørke partikler”. Supersymmetri forudsiger, at der findes partikler, hvis egenskaber kan være i overensstemmelse med mørkt stofs egenskaber. Så hvis forskerne kunne finde beviser for mørkt stof, ville det understøtte teorien om supersymmetri og ville tælle som et første skridt i retning af at tilvejebringe et empirisk grundlag for strengteorien.

Fysikere har længe observeret, at stjernernes bevægelser og galaksers interaktioner tyder på, at de føler mere tyngdekraft, end hvad der kan forklares af synlige stjerner. Denne manglende gravitationskraft menes at blive udøvet af mørkt stof.

Wilczek er optimistisk med hensyn til, at LHC kan give et gennembrud. Hans håb gentages af Rolf-Dieter Heuer, der er generaldirektør for Cern, som driver LHC. Han mener, at den højere energi i det renoverede LHC vil “åbne et vindue for direkte opdagelser ud over standardmodellen”. Efter Steven Weinbergs mening, Nobelpristageren, hvis arbejde har været centralt for udviklingen af standardmodellen, ville opdagelsen af partiklerne i mørkt stof være “det mest spændende af alt.”

I teorien kunne videnskaben altså finde beviser for supersymmetriens gyldighed. Det samme gælder for mørkt stof. Ingen af dem ville bekræfte strengteorien, men de ville være et første skridt. Ideen er altså i princippet åben for empirisk afprøvning.

Multiversteorien er imidlertid mere problematisk. Da der ikke er mulighed for kommunikation mellem os og andre universer, er der ingen empirisk mulighed for at teste multiversumteorien. George Ellis gør udtrykkeligt opmærksom på dette punkt: “I en generel multiversumsmodel vil alt, hvad der kan ske, ske et eller andet sted, så alle data, uanset hvad, kan rummes. Derfor kan den ikke modbevises ved nogen som helst observationel test.” Underforstået ligger multiversumsbegrebet uden for videnskaben.”

“Matematiske værktøjer gør det muligt for os at undersøge virkeligheden, men de matematiske begreber i sig selv indebærer ikke nødvendigvis fysisk virkelighed.”

Så længe mennesker har drevet videnskab, har de forsøgt at forstå universet. Wilczek siger: “Den moderne fysik indebærer, at det er plausibelt, at den fysiske verden kan eksistere i kvalitativt forskellige former, svarende til, hvordan vand kan eksistere som is, flydende vand eller damp. Disse forskellige former … kan i realiteten gennemføre forskellige fysiske love. Hvis sådanne forskellige regioner af rummet eksisterer, så er “universet”, som vi har defineret det, ikke hele virkeligheden. Vi kalder hele virkeligheden for multiverset.”

Ellis og hans kosmologkollega Joe Silk, professor ved Université de Pierre et Marie Curie i Paris, kalder dette “et kalejdoskopisk multivers, der består af et utal af universer”. De, som stedfortræder for mange fysikere, stiller derefter den grundlæggende udfordring: Forslaget om, at et andet univers ikke behøver at have de samme grundlæggende naturkonstanter som vores, inspirerer til spørgsmålet om, hvad der bestemmer værdierne i vores univers. Af de mange forskellige universer, der kunne eksistere, er betingelserne for det snævre interval af parametre, for hvilke intelligent liv kunne eksistere, ubetydelige. Oddsene for, at vi eksisterer, er derfor så forsvindende små, at multiversumteorien hævder, at der findes et “landskab” af universer “derude”, hvor alle mulige værdier af disse parametre findes. Der vil således eksistere et univers et eller andet sted med de rette betingelser for liv, og vi er beviset.

Weinberg accepterer, at det er usandsynligt, at multiverset ikke kan bekræftes af observationer i vores specifikke “sub-univers”. Men han hævder, at dette ikke nødvendigvis er skæbnesvangert for teoriens videnskabelige gyldighed. “Ideen om multiverset er meget spekulativ,” siger han, “men det er ikke en helt urimelig spekulation. Eksistensen af et multiversum kan måske en dag blive bekræftet ved at udlede det af en teori, der bekræftes af succesen af tilstrækkelige andre forudsigelser.”

I den forbindelse påpeger Wilczek, at videnskabelige teorier stadig kan være nyttige, selv når de kun er delvist forstået. Han siger: “Det er en meget almindelig og vellykket praksis at arbejde med teoretiske strukturer, der er meget større end det, vi kan observere om dem.” Et eksempel, som han nævner, er kvanteteorien, et grundlæggende værktøj inden for teoretisk fysik, som er fuld af begreber, der tilsyneladende er i modstrid med vores intuitive opfattelse af, hvordan tingene opfører sig. Mange teoretikere, herunder jeg selv, er utilpas med dens grundlag, men formår alligevel at anvende dens matematik med tillid og empirisk succes. Teorien om kvantemekanikken er videnskab, fordi den i princippet kan modbevises. Den har overlevet utallige forsøg og har givet utallige vellykkede forudsigelser. Ellis og Silk minder os om, at multiverset måske er et praktisk matematisk redskab, men at det ikke kræver, at disse universer har “virkelighed”. De understreger dette ved at minde om den tyske matematiker David Hilberts advarsel: “Selv om uendelighed er nødvendig for at fuldende matematikken”, sagde han, “forekommer den ingen steder i det fysiske univers.”

Det er det springende punkt. Matematiske værktøjer gør det muligt for os at undersøge virkeligheden, men de matematiske begreber i sig selv indebærer ikke nødvendigvis den fysiske virkelighed. Derfor skal beviser til støtte for en teori være eksperimentelle eller observationelle og ikke blot teoretiske. Ellis og Silk gør dette punkt stærkt, og advarer mod den opfattelse, at “teoretiske opdagelser styrker troen”. De minder os om: “Eksperimenter har vist, at mange smukke og enkle teorier er forkerte.”

Wilczek giver et eksempel på en sådan teori i sin bog A Beautiful Question. I det 17. århundrede blev den tyske astronom Johannes Kepler overbevist om, at han havde udviklet en model for solsystemets opbygning. Hans “teori” havde en forførende, geometrisk skønhed, som overbeviste Kepler om, at han var stødt på Guds plan. Han skrev: “Jeg føler mig revet med og besat af en usigelig henrykkelse over det guddommelige skue af himmelsk harmoni.” Men hans teori var falsk – Keplers planetariske model blev efterhånden undermineret, ikke mindst af opdagelsen af yderligere planeter. Men som Wilczek minder os om, var Kepler ganske vist forkert i sin beskrivelse af planeternes placering, men han var korrekt i sin beskrivelse af deres bevægelse – at planeternes baner ikke er cirkler, men ellipser, og at solen ikke befinder sig i ellipsens centrum, men i ellipsens “brændpunkt”. Disse indsigter inspirerede Isaac Newton til at udvikle sin tyngdelov.

Vi kan håbe på en moderne parallel: at begejstringen over strengteorien inspirerer eksperimentalisterne ved LHC til at opdage supersymmetri. Dette kan til gengæld løse mysteriet om det mørke stof, hvis eksistens blev mistænkt på grund af den tilsyneladende afvisning af, at stjernegalaksers bevægelser adlyder Keplers og Newtons regler. Eller måske vil supersymmetri og mørke partikler nægte at dukke op ved LHC, fordi de ikke eksisterer. At blive udelukket af et eksperiment ville være et tilbageslag, men det ville være et videnskabeligt tilbageslag. I det store menneskelige projekt om bedre at forstå de fysiske love, der styrer materiens og kræfternes adfærd, vil det tælle som et fremskridt.