Mitä tapahtuu, kun emme voi testata tieteellisiä teorioita?

Lue AC Grayling purkamassa kokeilujen taustalla olevaa filosofiaa

Jos tieteellinen teoria on elegantti ja sopusoinnussa tunnettujen tosiasioiden kanssa, tarvitseeko sitä testata kokeellisesti? Tieteellisen tiedon oletetaan olevan empiiristä: jotta teoria voidaan hyväksyä tieteelliseksi, sen on oltava falsifioitavissa – toisin sanoen se on voitava ainakin periaatteessa kumota empiirisesti. Tämän väitteen esitti filosofi Karl Popper vuonna 1934, ja useimmat tiedemiehet hyväksyvät sen nykyään yleisesti määrittävän sen, mikä on ja mikä ei ole tieteellinen teoria.

Viime vuosina monet fyysikot ovat kuitenkin kehittäneet matemaattisesti erittäin tyylikkäitä teorioita, jotka ovat kuitenkin empiirisen falsifioinnin ulottumattomissa, edes periaatteessa. Herää epämiellyttävä kysymys, voidaanko niitä edelleen pitää tieteenä. Jotkut tiedemiehet ehdottavat, että ”tieteellisyyden” määritelmää höllennettäisiin, kun taas toiset pelkäävät, että se voisi avata oven pseudotieteilijöille tai huijareille, jotka voisivat johtaa yleisöä harhaan ja vaatia näkemyksilleen yhtäläistä tilaa.

Kysymys siitä, voidaanko korkeasti teoreettiset tieteelliset ideat alistaa kokeelliselle testaamiselle, koskee fysiikan edistyneimpiä ja vaikutusvaltaisimpia ideoita. Säieteoria ja ajatus ”multiversumista” – useiden universumien olemassaolosta – ovat kaksi johtavaa teoriaa, jotka pyrkivät selittämään fysikaalisen maailman perustavanlaatuisimpia ominaisuuksia. Molemmilla ideoilla on valtava teoreettinen vetovoima. Säieteoria ei ole sinänsä mahdoton testata, mutta siinä ei ole vielä onnistuttu. Kokeellisesti voidaan kuvitella jokin tulevaisuuden teknologia, joka ainakin teoriassa kykenee kiihdyttämään hiukkasia niin sanottuun Planckin energia-asteikkoon. Tämä on energiataso, joka on tuhat biljoonaa kertaa suurempi kuin mitä suurella hadronitörmäyttimellä (Large Hadron Collider, LHC) voidaan tuottaa, ja se on piste, jossa säieteorian vaikutusten ennustetaan ilmenevän. Multiversumiteoria asettaa näennäisesti ylitsepääsemättömiä esteitä kokeelle, koska muita universumeja on luonnostaan mahdotonta havaita, vaikka fyysikot tässäkin tapauksessa ehdottavat keinoja niiden olemassaolon päättelemiseksi.

Onko fysiikka siirtymässä kohti aikakautta, jolloin eleganssi riittää, ja sellaisten teorioiden alueelle, jotka ovat kokeellisen todistamisen ulottumattomissa? Vai pysyykö empiirinen todistus edelleen tieteen arbiterina?

Johtoteoria on yritys kehittää yhtenäinen teoria hiukkasista ja voimista, ja se räjähti ensimmäisen kerran julkisuuteen 30 vuotta sitten. Teoria esittää, että pienen pieniä yksiulotteisia kokonaisuuksia – säikeitä – on olemassa korkeammissa ulottuvuuksissa kuin ne, jotka me tällä hetkellä tunnemme, ja että nämä oudot korkea-ulotteiset ilmiöt ovat koko fysiikan taustalla. Matemaatikot ovat käyttäneet säieteorian tekniikoita laajalti ja menestyksekkäästi sen kehittämisen jälkeen. Alkuperäinen motivaatio – luoda tieteellinen teoria, joka yhdistäisi hiukkasten ja voimien käyttäytymistä ohjaavat lait – on kuitenkin pysähtynyt. Kosmologi George Ellisin, Kapkaupungin yliopiston entisen professorin ja kosmoksen fysiikan maailmanlaajuisen auktoriteetin mukaan säieteoria on ”kiehtovien matemaattisten rakenteiden tutkimista, jotka voivat liittyä tai olla liittymättä fyysiseen maailmankaikkeuteen. Mitä tulee sen soveltuvuuteen todelliseen maailmankaikkeuteen, se on siis pikemminkin hypoteettista tiedettä kuin testattavaa tiedettä.”

Frank Wilczek, Massachusetts Institute of Technologyn fysiikan professori ja vuoden 2004 fysiikan Nobel-palkinnon saaja, kuvaa nykytilannetta näin: ”Säieteoriayhteisössä on monia vakavia ja lahjakkaita henkilöitä, jotka yrittävät ymmärtää luontoa, ja olisi hullua sulkea heidät tieteen ulkopuolelle. Minusta kuitenkin ne tieteen osa-alueet, jotka käyttävät muutamia oletuksia selittääkseen paljon maailmasta, ovat kaikkein vaikuttavimpia ja tärkeimpiä, ja tästä näkökulmasta katsottuna säieteoria kaipaisi parannusta.”

Wilczekin ja Ellisin esittämä haaste on se, voisiko säieteoriaa tukevaa todistusaineistoa koskaan löytää kokeellisesti. Yksi tutkimuslinja koskee teorian keskeistä tukijalkaa. Sen mukaan jokaisella aineen hiukkasella, kuten elektronilla tai kvarkilla, on kumppani voimia välittävien hiukkasten joukossa – ”bosonit”, kuten fotoni ja gluonit. Tätä ominaisuutta kutsutaan supersymmetriaksi. Wilczek huomauttaa, että se on ”tärkeä osa säieteoriaa. Joten sen löytäminen, vaikkei se olekaan todiste, olisi rohkaisevaa.”
Mutta todisteita supersymmetriasta ei ole vielä havaittu Ranskan ja Sveitsin rajalla sijaitsevassa hiukkaskiihdyttimessä LHC:ssä, joka on maailman suurienergisin laitos ja siten parhaiten varusteltu sen testaamiseen. Heinäkuussa 2012 kiihdytin saavutti yhden paljon julkisuutta saaneen voiton, kun se vahvisti Higgsin bosonin, hiukkasen, joka antaa joillekin perushiukkasille niiden massan, olemassaolon.

Löytö oli niin merkittävä, koska se täydensi hiukkasten ja voimien ”standardimallin”: keskeisen teorian, jonka fyysikot ovat kehitelleet luonnon perustavanlaatuisista rakennuspalikoista. Tällä hetkellä ei kuitenkaan ole mitään empiiristä näyttöä, joka tukisi standardimallin ulkopuolelle jäävää fysiikkaa – kuten supersymmetriaa. Noudattaaksemme Popperin ohjeita siitä, mikä on tieteellistä, meidän olisi sanottava, että säieteoria on tällä hetkellä tieteen ulkopuolella.

Fyysikot ovat kuitenkin toiveikkaita sen suhteen, että läpimurto saatetaan pian tehdä ”pimeiksi hiukkasiksi” kutsutun tietynlaisen aineen etsimisessä. Supersymmetria ennustaa sellaisten hiukkasten olemassaoloa, joiden ominaisuudet saattaisivat vastata pimeän aineen ominaisuuksia. Jos tutkijat siis löytäisivät todisteita pimeästä aineesta, se tukisi supersymmetriateoriaa ja laskettaisiin ensimmäiseksi askeleeksi empiirisen perustan luomisessa säieteorialle.

Fyysikot ovat jo pitkään havainneet, että tähtien liikkeet ja galaksien vuorovaikutukset viittaavat siihen, että ne tuntevat enemmän gravitaatiovoimaa kuin mitä näkyvillä tähdillä voidaan selittää. Tämän puuttuvan gravitaatiovoiman ajatellaan johtuvan pimeästä aineesta.

Wilczek on optimistinen sen suhteen, että LHC saattaa tuoda läpimurron. Hänen toiveisiinsa yhtyy LHC:tä ylläpitävän Cernin pääjohtaja Rolf-Dieter Heuer. Hänen mielestään uudistetun LHC:n korkeampi energia ”avaa ikkunan suorille löydöille standardimallin ulkopuolella”. Nobel-palkitun Steven Weinbergin, jonka työ on ollut keskeistä standardimallin kehityksessä, mielestä pimeän aineen hiukkasten löytäminen olisi ”kaikkein jännittävintä.”

Teoriassa tiede voisi siis löytää todisteita supersymmetrian pätevyydestä. Sama pätee pimeään aineeseen. Kumpikaan ei vahvistaisi säieteoriaa, mutta ne olisivat ensimmäinen askel. Ajatus on siis periaatteessa avoin empiiriselle testaukselle.

Multiversumiteoria on kuitenkin ongelmallisempi. Koska meidän ja muiden universumien välillä ei ole kommunikaatiomahdollisuutta, multiversumiteoriaa ei voi testata empiirisesti. George Ellis esittää asian nimenomaisesti: ”Yleisessä multiversumimallissa kaikki, mitä voi tapahtua, tapahtuu jossakin, joten siihen mahtuu mitä tahansa tietoa. Näin ollen sitä ei voida kumota millään havainnollisella testillä.” Implisiittisesti multiversumi-käsite on tieteen ulkopuolella.

”Matemaattiset työkalut mahdollistavat todellisuuden tutkimisen, mutta matemaattiset käsitteet itsessään eivät välttämättä merkitse fysikaalista todellisuutta.”

Niin kauan kuin ihmiset ovat harjoittaneet tiedettä, he ovat yrittäneet ymmärtää maailmankaikkeutta. Wilczek sanoo: ”Nykyaikainen fysiikka antaa ymmärtää, että on uskottavaa, että fysikaalinen maailma voi olla olemassa laadullisesti erilaisissa muodoissa, samankaltaisessa hengessä kuin vesi voi olla olemassa jäisenä, nestemäisenä tai höyrynä. Nämä eri muodot… voivat käytännössä toteuttaa erilaisia fysiikan lakeja. Jos tällaisia erilaisia avaruuden alueita on olemassa, niin ”maailmankaikkeus” sellaisena kuin olemme sen määritelleet, ei ole koko todellisuus. Kutsumme todellisuuden kokonaisuutta multiversumiksi.”

Ellis ja hänen kosmologiakollegansa Joe Silk, Pariisissa sijaitsevan Université de Pierre et Marie Curie -yliopiston professori, kutsuvat tätä ”kaleidoskooppiseksi multiversumiksi, joka koostuu lukemattomista universumeista”. He, kuten monet muutkin fyysikot, esittävät sitten perushaasteen: ehdotus siitä, että toisessa universumissa ei tarvitse olla samoja luonnon perusvakioita kuin meidän universumissamme, herättää kysymyksen siitä, mikä määrittää arvot meidän universumissamme. Monenlaisista universumeista, joita voisi olla olemassa, sen kapean parametrivalikoiman ehdot, jolla älyllistä elämää voisi olla olemassa, ovat vähäpätöisiä. Todennäköisyys, että me olemme olemassa, on siis niin häviävän pieni, että multiversumiteoria väittää, että ”tuolla ulkona” on universumien ”maisema”, jossa näiden parametrien kaikki mahdolliset arvot ovat olemassa. Näin ollen jossain on olemassa yksi maailmankaikkeus, jossa on juuri oikeat olosuhteet elämälle, ja me olemme todisteena siitä.

Weinberg myöntää, että multiversumille ei todennäköisesti löydy vahvistusta havainnoista nimenomaisessa ”aliuniversumissamme”. Mutta hän väittää, että tämä ei välttämättä ole kohtalokasta teorian tieteellisen pätevyyden kannalta. ”Multiversumi-idea on hyvin spekulatiivinen”, hän sanoo, ”mutta se ei ole täysin järjetön spekulaatio. Multiversumin olemassaolo saatetaan jonain päivänä vahvistaa päättelemällä se teoriasta, joka saa vahvistusta riittävien muiden ennusteiden onnistumisesta.”

Tässä mielessä Wilczek huomauttaa, että tieteellisistä teorioista voi olla hyötyä silloinkin, kun ne ymmärretään vain osittain. Hän sanoo: ”On hyvin yleinen ja menestyksekäs käytäntö työskennellä teoreettisten rakenteiden kanssa, jotka ovat paljon laajempia kuin se, mitä voimme havaita niistä.” Yhtenä esimerkkinä hän mainitsee kvanttiteorian, teoreettisen fysiikan perustyökalun, joka on täynnä käsitteitä, jotka näyttävät olevan ristiriidassa intuitiivisen käsityksemme kanssa siitä, miten asiat käyttäytyvät. Monet teoreetikot, itseni mukaan luettuna, eivät tunne oloaan kvanttiteorian perusteista mukavaksi, mutta onnistuvat silti soveltamaan sen matematiikkaa luottavaisesti ja empiirisesti menestyksekkäästi. Kvanttimekaniikan teoria on tiedettä, koska se voidaan periaatteessa kumota. Se on kestänyt lukemattomia testejä ja tehnyt lukemattomia onnistuneita ennusteita. Ellis ja Silk muistuttavat meitä siitä, että multiversumi voi olla kätevä matemaattinen väline, mutta se ei edellytä, että näillä universumeilla olisi ”todellisuutta”. He ajavat tämän kotiin muistuttamalla saksalaisen matemaatikon David Hilbertin varoituksesta: ”Vaikka ääretöntä tarvitaan matematiikan loppuunsaattamiseen”, hän sanoi, ”sitä ei esiinny missään fysikaalisessa maailmankaikkeudessa.”

Tämä on asian ydin. Matemaattisten välineiden avulla voimme tutkia todellisuutta, mutta matemaattiset käsitteet itsessään eivät välttämättä merkitse fyysistä todellisuutta. Näin ollen teorian tueksi tarvittavien todisteiden on oltava kokeellisia tai havainnollisia, ei pelkästään teoreettisia. Ellis ja Silk tuovat tämän näkökohdan voimakkaasti esiin ja varoittavat ajatuksesta, että ”teoreettiset löydöt vahvistavat uskoa”. He muistuttavat meitä: ”Kokeet ovat osoittaneet monet kauniit ja yksinkertaiset teoriat vääriksi.”

Wilczek antaa esimerkin yhdestä tällaisesta teoriasta kirjassaan A Beautiful Question. 1600-luvulla saksalainen tähtitieteilijä Johannes Kepler vakuuttui siitä, että hän oli kehittänyt mallin aurinkokunnan rakenteesta. Hänen ”teoriassaan” oli viettelevää, geometrista kauneutta, joka vakuutti Keplerin siitä, että hän oli törmännyt Jumalan suunnitelmaan. Hän kirjoitti: ”Tunnen olevani sanoinkuvaamattoman hurmion vallassa taivaallisen harmonian jumalallisesta spektaakkelista.” Hänen teoriansa oli kuitenkin väärä – Keplerin planeettamalli horjui lopulta, eikä vähiten uusien planeettojen löytyminen. Kuten Wilczek kuitenkin muistuttaa, vaikka Kepler oli väärässä kuvauksessaan planeettojen sijoittelusta, hän oli tarkka kuvauksessaan niiden liikkeistä – planeettojen kiertoradat eivät ole ympyröitä vaan ellipsejä, ja aurinko ei ole ellipsin keskipisteessä, vaan se sijaitsee ellipsin ”fokuksessa”. Nämä oivallukset innoittivat Isaac Newtonia kehittämään painovoimalainsa.

Voisimme toivoa nykyaikaista rinnakkaista: että säieteorian aiheuttama hurmio innoittaa LHC:n kokeentekijät supersymmetrian löytämiseen. Tämä puolestaan saattaa ratkaista pimeän aineen mysteerin, jonka olemassaoloa epäiltiin, koska galaksien ja tähtien liikkeet eivät ilmeisesti suostuneet noudattamaan Keplerin ja Newtonin sääntöjä. Tai ehkä supersymmetria ja pimeät hiukkaset kieltäytyvät esiintymästä LHC:ssä, koska niitä ei ole olemassa. Kokeellisesti poissulkeminen olisi takaisku, mutta se olisi tieteellinen takaisku. Ihmisen suuressa hankkeessa ymmärtää paremmin fysikaalisia lakeja, jotka ohjaavat aineen ja voimien käyttäytymistä, se olisi edistystä.