Az AC Grayling a kísérletezés mögötti filozófiát boncolgatja

Ha egy tudományos elmélet elegáns, és összhangban van az ismert tényekkel, kell-e kísérletekkel tesztelni? A tudományos megismerés elvileg empirikus: ahhoz, hogy egy elméletet tudományosnak fogadjanak el, annak falszifikálhatónak kell lennie – vagyis legalábbis elvileg lehetővé kell tenni, hogy empirikusan megcáfolják. Ezt az érvet Karl Popper filozófus terjesztette elő 1934-ben, és ma a legtöbb tudós általánosan elfogadja annak meghatározásaként, hogy mi számít tudományos elméletnek és mi nem.

Az utóbbi években azonban sok fizikus olyan elméleteket dolgozott ki, amelyek nagy matematikai eleganciával rendelkeznek, de még elvileg is kívül esnek az empirikus falszifikáció lehetőségén. Felmerül a kényelmetlen kérdés, hogy vajon tekinthetők-e még tudománynak. Egyes tudósok azt javasolják, hogy lazítsák a “tudományos” fogalmak definícióját, míg mások attól tartanak, hogy ez utat nyithat az áltudósok vagy sarlatánok előtt, akik félrevezethetik a közvéleményt, és egyenlő teret követelhetnek nézeteiknek.

A fizika világában a legfejlettebb és legerősebb elképzelések esetében is felmerül a kérdés, hogy a magasan elméleti tudományos elképzeléseket alá lehet-e vetni kísérleti tesztelésnek. A húrelmélet és a “multiverzum” gondolata – több univerzum létezése – két vezető elmélet, amelyek a fizikai világ legalapvetőbb jellemzőit próbálják megmagyarázni. Mindkét elképzelés hatalmas elméleti vonzerővel bír. A húrelmélet nem önmagában véve tesztelhetetlen – de eddig még nem jártak sikerrel. Kísérleti szempontból elképzelhető egy olyan jövőbeli technológia, amely – legalábbis elméletileg – képes a részecskék felgyorsítására az úgynevezett Planck-energiaskálára. Ez egy olyan energiaszint, amely ezertrilliószor nagyobb, mint amit a Nagy Hadronütköztetőben (LHC) elő lehet állítani, és amelynél a húrelmélet következményei az előrejelzések szerint megnyilvánulnak. A multiverzum-elmélet látszólag leküzdhetetlen akadályokat gördít a kísérlet elé, mivel más univerzumokat önmagukban lehetetlen kimutatni, bár a fizikusok még itt is javaslatokat tesznek arra, hogyan lehet következtetni a létezésükre.

A fizika egy olyan korszak felé halad, amelyben elég lesz az elegancia, és a kísérleti bizonyításon túlmutató elméletek tartományába kerül? Vagy az empirikus bizonyítékok maradnak a tudomány döntőbírái?

A húrelmélet a részecskék és erők egységes elméletének kidolgozására tett kísérlet, és először 30 évvel ezelőtt robbant be a köztudatba. Az elmélet azt állítja, hogy aprócska egydimenziós entitások – húrok – léteznek a jelenleg ismert dimenzióknál magasabb dimenziókban, és hogy ezek a furcsa, magas dimenziós jelenségek állnak az egész fizika hátterében. Kidolgozása óta a húrelmélet technikáit a matematikusok széles körben és sikeresen alkalmazzák. De az eredeti motiváció – egy olyan tudományos elmélet megalkotása, amely egységesíti a részecskék és erők viselkedését szabályozó törvényeket – megrekedt. George Ellis kozmológus, a Fokvárosi Egyetem korábbi professzora és a kozmosz fizikájának világszinten elismert szakértője szerint a húrelmélet “olyan lenyűgöző matematikai struktúrák feltárása, amelyeknek lehet, hogy köze van a fizikai világegyetemhez, de lehet, hogy nincs. Tehát a valós univerzumra való alkalmazhatóságát tekintve inkább hipotetikus tudomány, mint tesztelhető tudomány.”

Frank Wilczek, a Massachusetts Institute of Technology fizikaprofesszora, a 2004-es fizikai Nobel-díjas fizikus így jellemzi a jelenlegi helyzetet: “A húrelméleti közösségben sok komoly és tehetséges ember van, akik megpróbálják megérteni a természetet, és őrültség lenne kizárni őket a tudományból. Számomra azonban a tudománynak azok a részei a leglenyűgözőbbek és legfontosabbak, amelyek néhány feltételezéssel sok mindent megmagyaráznak a világról, és ebből a szempontból a húrelméletre ráférne a fejlesztés.”

A Wilczek és Ellis által felvetett kihívás az, hogy lehet-e valaha is kísérletekkel bizonyítékot találni a húrelmélet alátámasztására. Az egyik vizsgálati irányvonal az elmélet egyik központi elemét érinti. Ez azt állítja, hogy az anyag minden egyes részecskéjének, például az elektronoknak vagy a kvarkoknak van egy társa az erőket közvetítő részecskék – a “bozonok”, például a fotonok és a gluonok – között. Ezt a tulajdonságot szuperszimmetriának nevezik. Wilczek megjegyzi, hogy ez “a húrelmélet fontos összetevője. Tehát felfedezése, bár nem bizonyíték , bátorító lenne.”
A szuperszimmetria bizonyítékát azonban még nem sikerült kimutatni az LHC-ben, a francia-svájci határon lévő részecskegyorsítóban, amely a világ legnagyobb energiájú létesítménye, és így a legjobban felszerelt ennek vizsgálatára. 2012 júliusában a gyorsítónak volt egy nagy visszhangot kiváltó diadala, amikor megerősítette a Higgs-bozon, vagyis annak a részecskének a létezését, amely egyes alapvető részecskék tömegét adja.

A felfedezés azért volt olyan jelentős, mert kiegészítette a részecskék és erők “standard modelljét”: a fizikusok által a természet alapvető építőköveiről kidolgozott központi elméletet. Jelenleg azonban nincs empirikus bizonyíték arra, hogy a standard modellen kívül eső fizikát – például a szuperszimmetriát – alátámasztaná. Ha követnénk Popper útmutatását arról, hogy mi a tudományos, azt kellene mondanunk, hogy a húrelmélet jelenleg a tudományon kívül áll.

A fizikusok azonban optimisták, hogy hamarosan áttörést érhetnek el az anyag egy bizonyos típusú, úgynevezett “sötét részecskék” keresésében. A szuperszimmetria olyan részecskék létezését jósolja, amelyek tulajdonságai összhangban lehetnek a sötét anyag tulajdonságaival. Ha tehát a tudósok bizonyítékot találnának a sötét anyagra, az alátámasztaná a szuperszimmetria elméletét, és első lépésnek számítana a húrelmélet empirikus megalapozásában.

A fizikusok már régóta megfigyelték, hogy a csillagok mozgása és a galaxisok kölcsönhatásai arra utalnak, hogy több gravitációs erőt éreznek, mint amit a látható csillagok megmagyaráznak. Úgy gondolják, hogy ezt a hiányzó gravitációs vonzerőt a sötét anyag gyakorolja.

Wilczek optimista, hogy az LHC áttörést hozhat. Reményeit Rolf-Dieter Heuer, az LHC-t üzemeltető Cern főigazgatója is osztja. Véleménye szerint a felújított LHC nagyobb energiája “ablakot nyit a standard modellen túli közvetlen felfedezésekre”. Steven Weinberg, a Nobel-díjas Nobel-díjas, akinek munkássága központi szerepet játszott a standard modell kidolgozásában, véleménye szerint a sötét anyag részecskéinek felfedezése lenne “a legizgalmasabb mind közül.”

A szuperszimmetria érvényességének bizonyítékát tehát elméletileg megtalálhatja a tudomány. Ugyanez vonatkozik a sötét anyagra is. Egyik sem igazolná a húrelméletet, de az első lépést jelentenék. Az elképzelés tehát elvileg nyitott az empirikus tesztelésre.

A multiverzumelmélet azonban problémásabb. Mivel nincs lehetőség a kommunikációra köztünk és más univerzumok között, nincs empirikus lehetőség a multiverzum-elmélet tesztelésére. George Ellis kifejezetten rámutat erre a pontra: “Egy általános multiverzum-modellben minden, ami megtörténhet, megtörténik valahol, tehát bármilyen adat elfér benne. Ezért semmiféle megfigyelési teszttel egyáltalán nem lehet megcáfolni”. Következésképpen a multiverzum koncepciója kívül esik a tudományon.”

“A matematikai eszközök lehetővé teszik számunkra a valóság vizsgálatát, de maguk a matematikai fogalmak nem feltétlenül jelentik a fizikai valóságot.”

Mióta az emberek tudományt űznek, azóta próbálják megérteni a világegyetemet. Wilczek szerint: “A modern fizika azt sugallja, hogy hihető, hogy a fizikai világ létezhet minőségileg különböző formákban, hasonlóan ahhoz, ahogyan a víz létezhet jégként, folyékony vízként vagy gőzként. Ezek a különböző formák… valójában a fizika különböző törvényeit valósíthatják meg. Ha léteznek ilyen különböző térrészek, akkor az általunk meghatározott “világegyetem” nem a teljes valóság. A valóság egészét multiverzumnak nevezzük.”

Ellis és kozmológus kollégája, Joe Silk, a párizsi Université de Pierre et Marie Curie professzora ezt “kaleidoszkópikus multiverzumnak nevezi, amely számtalan univerzumból áll”. Ők – sok fizikus helyetteseiként – ezután felvetik az alapvető kihívást: az a felvetés, hogy egy másik univerzumnak nem kell ugyanazokkal az alapvető természeti állandókkal rendelkeznie, mint a miénknek, arra a kérdésre ösztönöz, hogy mi határozza meg az értékeket a mi univerzumunkban. A sokféle univerzum közül, amely létezhet, a paraméterek azon szűk tartományának feltételei, amelyek mellett intelligens élet létezhet, jelentéktelenek. A mi létezésünk esélye tehát olyan eltűnően kicsi, hogy a multiverzum-elmélet azt állítja, hogy “odakint” létezik az univerzumok “tája”, amelyben e paraméterek minden lehetséges értéke létezik. Így valahol létezni fog egy univerzum, ahol éppen megfelelőek a feltételek az élethez, és mi vagyunk a bizonyíték.

Weinberg elfogadja, hogy a multiverzumot nem valószínű, hogy a mi konkrét “aluniverzumunkban” végzett megfigyelések megerősítik. De azt állítja, hogy ez nem feltétlenül végzetes az elmélet tudományos érvényességére nézve. “A multiverzum ötlete nagyon spekulatív” – mondja – “de nem teljesen ésszerűtlen spekuláció. A multiverzum létezését egy nap talán megerősíthetjük egy olyan elméletből való levezetéssel, amelyet elegendő más előrejelzés sikere igazol.”

Ezzel kapcsolatban Wilczek rámutat, hogy a tudományos elméletek akkor is hasznosak lehetnek, ha csak részben értjük őket. Azt mondja: “Nagyon gyakori és sikeres gyakorlat, hogy sokkal nagyobb kiterjedésű elméleti struktúrákkal dolgozunk, mint amit megfigyelni tudunk róluk”. Példaként említi a kvantumelméletet, az elméleti fizika egyik alapvető eszközét, amely tele van olyan fogalmakkal, amelyek látszólag ellentmondanak a dolgok viselkedéséről alkotott intuitív elképzeléseinknek. Sok teoretikus, köztük én is, kényelmetlenül érzi magát az alapjaitól, mégis sikerül magabiztosan és empirikus sikerrel alkalmazni a matematikáját. A kvantummechanika elmélete azért tudomány, mert elvileg megcáfolható. Számtalan tesztet túlélt, és számtalan sikeres előrejelzést tett. Ellis és Silk emlékeztetnek minket arra, hogy a multiverzum lehet egy kényelmes matematikai eszköz, de ez nem követeli meg, hogy ezek az univerzumok “valósággal” rendelkezzenek. Ezt a német matematikus, David Hilbert figyelmeztetésének felidézésével juttatják érvényre: “Bár a végtelen szükséges a matematika teljességéhez” – mondta – “ez sehol sem fordul elő a fizikai univerzumban.”

Ez a lényeg. A matematikai eszközök lehetővé teszik számunkra a valóság vizsgálatát, de maguk a matematikai fogalmak nem feltétlenül jelentik a fizikai valóságot. Így egy elméletet alátámasztó bizonyítéknak kísérleti vagy megfigyelési jellegűnek kell lennie, nem pedig egyszerűen elméleti. Ellis és Silk erőteljesen kifejti ezt a pontot, és óva int attól a felfogástól, hogy “az elméleti felfedezések erősítik a hitet”. Emlékeztetnek bennünket: “

Wilczek példát hoz egy ilyen elméletre A szép kérdés című könyvében. A 17. században Johannes Kepler német csillagász meg volt győződve arról, hogy kidolgozta a Naprendszer szerkezetének modelljét. Az “elméletének” csábító, geometrikus szépsége meggyőzte Keplert arról, hogy Isten tervébe botlott. Ezt írta: “Elragadtatva érzem magam, és kimondhatatlan elragadtatás száll meg az égi harmónia isteni látványától”. De elmélete hamis volt – Kepler bolygómodelljét végül aláásták, nem utolsósorban további bolygók felfedezésével. Mégis, ahogy Wilczek emlékeztet bennünket, bár Kepler tévedett a bolygók elrendeződésének leírásában, pontos volt a bolygók mozgásának leírásában – hogy a bolygópályák nem körök, hanem ellipszisek, és hogy a Nap nem az ellipszis középpontjában van, hanem az ellipszis egyik “fókuszában” helyezkedik el. Ezek a felismerések inspirálták Isaac Newtont a gravitációs törvényének kidolgozására.

Remélhetnénk egy modern párhuzamot: hogy a húrelmélet feletti elragadtatás az LHC kísérletezőit a szuperszimmetria felfedezésére inspirálja. Ez pedig megoldhatja a sötét anyag rejtélyét, amelynek létezését az sejtette, hogy a csillagok galaxisainak mozgása látszólag nem engedelmeskedik Kepler és Newton szabályainak. Vagy talán a szuperszimmetria és a sötét részecskék nem hajlandók megjelenni az LHC-ben, mert nem léteznek. Az, hogy a kísérlet kizárja őket, visszalépés lenne, de tudományos visszalépés lenne. Az anyag és az erők viselkedését irányító fizikai törvények jobb megértésére irányuló nagy emberi projektben ez előrelépésnek számítana.