Read AC Grayling unpacking the philosophy behind experimentation

If a scientific theory is elegant, and is consistent with known facts, it does not have been tested by experiments? 科学的知識は経験的であるべきです。科学的であると認められるためには、ある理論が反証可能でなければならない、つまり、少なくとも原理的には経験的に反証することが可能でなければならないのです。 この議論は哲学者のカール・ポパーによって1934年に提唱され、何が科学的理論で何が科学的でないかを決めるものとして、今日ほとんどの科学者に一般的に受け入れられている。 その際、それらがまだ科学と見なせるのかという不快な疑問が生じる。 科学者たちの中には、何が「科学的」であるかの定義を緩めることを提案する者もいれば、そうすることで疑似科学者やチャラ男が大衆を欺き、自分の見解のために平等な空間を主張する道を開くことを恐れる者もいる

高度な理論的科学的アイデアを実験検証にかけられるかどうかは、物理の世界における最も先進的かつ強力なアイデアに関わる問題である。 超ひも理論と「多元宇宙」（複数の宇宙が存在する）の考え方は、物理世界の最も基本的な特徴を説明しようとする2つの代表的な理論である。 どちらも理論的な魅力は絶大である。 弦理論は本質的に検証不可能な理論ではないが、まだ成功した例はない。 実験的には、少なくとも理論的には、粒子をプランク・エネルギー・スケールまで加速することが可能な未来の技術を想像することができる。 このエネルギーレベルは、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で生成できるエネルギーの1000兆倍であり、超ひも理論の意味が明らかになると予測されるポイントである。 多宇宙論は、他の宇宙を検出することが本質的に不可能であるため、実験に対して明らかに乗り越えられない障害をもたらしますが、ここでも物理学者はその存在を推論する方法を提案しています。

弦理論は粒子と力の統一理論を開発する試みで、30年前に初めて世に出た。 極小の1次元の存在である弦が、現在知られている次元よりも高い次元に存在し、この不思議な高次元の現象がすべての物理の根底にあるとする理論である。 弦理論が開発されて以来、弦理論の技法は数学者に広く用いられ、成功を収めてきた。 しかし、粒子や力の振る舞いを支配する法則を統一する科学的理論を創り出すという当初の動機は、行き詰まりを見せている。 ケープタウン大学の元教授で、宇宙物理学の世界的権威である宇宙学者のジョージ・エリスによれば、弦理論は「物理的宇宙と関係があるかないかを問わず、魅力的な数学的構造を探求するもの」である。 ですから、現実の宇宙への適用性という点では、検証可能な科学というよりは仮説的な科学です」

マサチューセッツ工科大学の物理学教授で、2004年のノーベル物理学賞を受賞したフランク・ウィルゼックは、現在の状況をこのように説明しています。 「弦理論コミュニティには、自然を理解しようとする多くの真面目で才能ある人々が含まれており、彼らを科学から排除するのは異常でしょう。 しかし、私にとって、世界について多くを説明するために少数の仮定を使用する科学の部分は、最も印象的で重要であり、その観点から、弦理論は改善を要するだろう」

Wilczek と Ellis が行った課題は、弦理論を支持する証拠を実験によって見つけることができるのかどうかということです。 調査の1つの線は、理論の中心的な柱に関わるものです。 この理論では、電子やクォークといった物質の各粒子には、力を伝える粒子、つまり光子やグルーオンなどの「ボソン」が存在し、そのパートナーがいるという考え方です。 この性質は「超対称性」と呼ばれる。 ウィルゼック氏は、「超ひも理論の重要な要素である」と指摘する。 しかし、フランスとスイスの国境にある粒子加速器LHCでは、超対称性の証拠はまだ検出されていない。LHCは世界で最も高エネルギーの施設であり、これをテストするための最高の設備である。 2012年7月、この加速器は、いくつかの基本粒子に質量を与えている粒子であるヒッグス粒子の存在を確認し、大きな成功を収めました。 しかし、超対称性など、標準モデルの外にある物理学を支持する実証的な証拠は、現在のところないのである。 何が科学的であるかというポパーの指針に従うならば、弦理論は現在、科学の外にあると言わなければなりません。

しかしながら、物理学者は、「暗黒粒子」として知られる特定のタイプの物質の探索において、近いうちに突破口が開けるかもしれないと楽観視しています。 超対称性は、暗黒物質の性質と一致する可能性のある粒子の存在を予言する。

物理学者は長い間、星の運動と銀河の相互作用が、目に見える星で説明できる以上の重力を感じていることを示唆していることを観察してきた。 この欠けている重力は、暗黒物質によって及ぼされていると考えられている。

ウィルゼックは、LHCがブレークスルーをもたらすかもしれないと楽観的である。 彼の希望は、LHCを運営するセルンのロルフ・ディーター・ホイヤー事務局長も同じように考えている。 彼の意見では、改装されたLHCの高いエネルギーは、”標準モデルを超える直接的な発見への窓を開く “だろうとのこと。 標準モデルの開発に中心的な役割を果たしたノーベル賞受賞者スティーブン・ワインバーグの意見では、暗黒物質の粒子の発見は「すべての中で最も刺激的」だろう。

理論的には、超対称性が有効であるという証拠は、科学によって発見される可能性があるのだ。 暗黒物質についても同様である。 どちらも超ひも理論を確証するものではないが、最初の一歩にはなるだろう。

しかし、多宇宙論はより問題がある。 我々と他の宇宙との間のコミュニケーションの可能性がない以上、多元宇宙説を実証的に検証する方法はないのである。 ジョージ・エリスはこの点を明確に指摘している。 「一般的な多元宇宙モデルでは、起こりうることはすべてどこかで起こるので、どんなデータでも収容することができる。 したがって、観測的なテストによって反証されることは全くありません。” 暗に、多宇宙の概念は科学の外にあるのです。

「数学的ツールは現実を調査することを可能にするが、数学的概念自体は必ずしも物理的現実を意味しない」

人間が科学を追求してきた限り、彼らは宇宙を理解しようとした。 ウィルゼックは「現代物理学は、水が氷、液体、水蒸気として存在できるのと同様に、物理的世界が質的に異なる形態で存在できることがもっともらしいということを暗示している。 これらの異なる形態は…事実上、異なる物理法則を実現することができる。 もしこのような多様な空間が存在するならば、私たちが定義した「宇宙」は現実の全てではないことになる。 私たちは現実の全体を多元宇宙と呼んでいます」

エリスと彼の宇宙学者の同僚であるパリのピエール・エ・マリー・キュリー大学教授ジョー・シルクは、これを「無数の宇宙からなる万華鏡のような多元宇宙」と呼んでいます。 彼らは、多くの物理学者の代理人として、次のような基本的な課題を提起しています。別の宇宙が我々の宇宙と同じ自然基本定数を持つ必要はないという示唆は、我々の宇宙の値を決定するものは何かという疑問を喚起します。 存在しうる多様な宇宙の中で、知的生命体が存在しうる狭い範囲のパラメーターの条件は些細なものである。 そのため、多宇宙論では、これらのパラメーターのすべての可能な値が存在する宇宙の「風景」が「向こう側」に存在すると主張している。

ワインバーグは，我々の特定の「亜宇宙」での観測によって多元宇宙論が確認される可能性が低いことを認めている。 しかし彼は、このことは必ずしも理論の科学的妥当性にとって致命的なことではないと主張している。 「多宇宙の考えは非常に推測的である」と彼は言う。 多宇宙の存在は、いつの日か、他の十分な予測の成功によって確認された理論から演繹することによって確認されるかもしれません」

この流れで、ウィルゼックは、科学的な理論は、部分的にしか理解されていないときでも役に立つことがあると指摘している。 彼は、「理論的な構造について、それについて観察できることよりもはるかに巨大なものを扱うことは、非常に一般的で成功した実践である」と述べている。 その一例が、理論物理学の基本ツールである量子論です。量子論には、物事の振る舞いに関する私たちの直感的な概念と矛盾しているように見える概念がたくさんあります。 私も含め、多くの理論家がその基礎に違和感を覚えながらも、自信をもってその数学を適用し、経験的に成功を収めている。 量子力学の理論が科学であるのは、原理的に反証が可能であるからである。 量子力学の理論は、数え切れないほどの実験に耐え、数え切れないほどの予言に成功してきた。 エリスとシルクは、多元宇宙論は便利な数学的装置かもしれないが、だからといってこれらの宇宙が「現実」を持っている必要はないことを私たちに思い起こさせる。 彼らはドイツの数学者デイヴィッド・ヒルベルトの警告を思い起こすことによって、このことを強く印象づけます。「無限は数学を完成するために必要だが、それは物理的宇宙のどこにも存在しない」

これが肝心な点です。 数学的な道具は現実を調査することを可能にするが、数学的な概念そのものが必ずしも物理的な現実を意味するわけではない。 したがって、理論を支持する証拠は、単に理論的なものだけではなく、実験的または観察的なものでなければならないのです。 エリスとシルクはこの点を力説し、「理論的発見が信念を支える」という考え方に警鐘を鳴らしている。 彼らはこう言っている。 9557>

ウィルゼックは、著書『美しい質問』の中で、そのような理論の例を挙げている。 17世紀、ドイツの天文学者ヨハネス・ケプラーは、自分が太陽系の構造モデルを開発したと確信した。 その「理論」は、魅惑的な幾何学的な美しさを持っており、ケプラーは神の計画につまずいたと確信したのである。 彼はこう書いている。「私は天の調和という神聖な光景に心を奪われ、言いようのない歓喜に取り付かれたように感じる」。 しかし、彼の理論は誤りであった。ケプラーの惑星モデルは、特にさらなる惑星の発見によって、最終的に覆されたのである。 ケプラーは、惑星の配置については間違っていたが、惑星の軌道は円ではなく楕円であり、太陽は楕円の中心にあるのではなく、楕円の「焦点」に位置しているという、惑星の運動についての記述は正確であったのだ。 このような洞察は、アイザック・ニュートンが重力の法則を開発するきっかけとなりました。 その結果、ケプラーやニュートンの法則に従わない銀河や星の運動から、その存在が疑われていた暗黒物質の謎が解けるかもしれないのです。 あるいは、超対称性と暗黒粒子は、存在しないので、LHCに現れるのを拒むかもしれない。 実験によって否定されることは、挫折ではありますが、科学的な挫折であることには違いありません。 物質や力の振る舞いを支配する物理法則をよりよく理解しようとする人類の偉大なプロジェクトにおいて、それは進歩として数えられるでしょう。