Przeczytaj AC Graylinga rozpakowującego filozofię stojącą za eksperymentowaniem

Jeśli teoria naukowa jest elegancka i zgodna ze znanymi faktami, czy musi być testowana przez eksperyment? Wiedza naukowa ma być empiryczna: aby teoria została zaakceptowana jako naukowa, musi być falsyfikowalna – to znaczy, że musi być możliwe, przynajmniej w zasadzie, jej empiryczne obalenie. Ten argument został wysunięty w 1934 roku przez Karla Poppera, filozofa, i jest powszechnie akceptowany przez większość naukowców dzisiaj jako określający, co jest, a co nie jest teorią naukową.

W ostatnich latach jednak wielu fizyków rozwinęło teorie o wielkiej matematycznej elegancji, ale które są poza zasięgiem empirycznej falsyfikacji, nawet w zasadzie. Powstaje niewygodne pytanie, czy można je nadal uważać za naukę. Niektórzy naukowcy proponują rozluźnienie definicji tego, co „naukowe”, podczas gdy inni obawiają się, że mogłoby to otworzyć drzwi dla pseudonaukowców lub szarlatanów, którzy mogliby wprowadzać opinię publiczną w błąd i domagać się równego miejsca dla swoich poglądów.

Kwestia tego, czy wysoce teoretyczne idee naukowe mogą być poddawane testom eksperymentalnym, dotyczy najbardziej zaawansowanych i potężnych idei w świecie fizyki. Teoria strun i idea „multiwersum” – istnienia wielu wszechświatów – to dwie wiodące teorie, które próbują wyjaśnić najbardziej fundamentalne cechy świata fizycznego. Obie koncepcje mają ogromny urok teoretyczny. Teoria strun nie jest z natury niemożliwa do sprawdzenia, ale jak dotąd nie osiągnięto żadnego sukcesu. W kategoriach eksperymentalnych można sobie wyobrazić przyszłą technologię, która – przynajmniej w teorii – będzie w stanie rozpędzić cząstki do poziomu znanego jako skala energii Plancka. Jest to poziom energii tysiąc trylionów razy większy niż ten, który można uzyskać w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) i punkt, w którym według przewidywań ujawnią się implikacje teorii strun. Teoria multiwersum przedstawia pozornie nieprzezwyciężalne przeszkody dla eksperymentu, ponieważ inne wszechświaty są z natury niemożliwe do wykrycia, chociaż nawet tutaj fizycy sugerują sposoby wnioskowania o ich istnieniu.

Czy fizyka zmierza w kierunku ery, w której wystarczy elegancja i do domeny teorii, które są poza zasięgiem dowodu eksperymentalnego? Czy też dowody empiryczne pozostaną arbitrem nauki?

Teoria strun to próba stworzenia jednolitej teorii cząstek i sił, która po raz pierwszy pojawiła się na scenie 30 lat temu. Teoria ta zakłada, że maleńkie jednowymiarowe byty – struny – istnieją w wymiarach wyższych niż obecnie nam znane, i że te dziwne wielowymiarowe zjawiska leżą u podstaw całej fizyki. Od czasu jej powstania, techniki teorii strun były szeroko i z powodzeniem wykorzystywane przez matematyków. Jednak pierwotna motywacja – stworzenie teorii naukowej, która ujednoliciłaby prawa rządzące zachowaniem cząstek i sił – utknęła w martwym punkcie. Według kosmologa George’a Ellisa, byłego profesora Uniwersytetu w Kapsztadzie i światowego autorytetu w dziedzinie fizyki kosmosu, teoria strun jest „eksploracją fascynujących struktur matematycznych, które mogą, ale nie muszą mieć związku z fizycznym wszechświatem”. Tak więc pod względem możliwości jej zastosowania do rzeczywistego wszechświata jest to raczej nauka hipotetyczna niż testowalna.”

Frank Wilczek, profesor fizyki w Massachusetts Institute of Technology i laureat Nagrody Nobla z fizyki w 2004 roku, opisuje obecną sytuację w ten sposób: „Społeczność teorii strun zawiera wiele poważnych i utalentowanych jednostek, które próbują zrozumieć naturę, i byłoby szaleństwem wykluczać je z nauki. Jednak dla mnie najbardziej imponujące i ważne są te części nauki, które wykorzystują kilka założeń, aby wyjaśnić wiele o świecie, a z tej perspektywy teoria strun mogłaby zostać ulepszona.”

Wyzwanie postawione przez Wilczka i Ellisa dotyczy tego, czy dowody na poparcie teorii strun mogłyby kiedykolwiek zostać znalezione w drodze eksperymentu. Jeden z kierunków badań dotyczy głównego założenia teorii. Zakłada ona, że każda cząstka materii, taka jak elektrony czy kwarki, ma partnera wśród cząstek przenoszących siły – „bozonów” takich jak foton i gluony. Ta własność znana jest jako supersymetria. Wilczek zauważa, że jest ona „ważnym składnikiem teorii strun”. Dlatego jej odkrycie, choć nie jest dowodem, byłoby zachęcające.”
Jednakże dowody na istnienie supersymetrii nie zostały jeszcze wykryte w LHC, akceleratorze cząstek na granicy francusko-szwajcarskiej, który jest obiektem o najwyższej energii na świecie, a więc najlepiej wyposażonym do badania tego zjawiska. W lipcu 2012 roku akcelerator odniósł jeden głośny triumf, gdy potwierdził istnienie bozonu Higgsa, cząstki nadającej masę niektórym cząstkom elementarnym.

Odkrycie to miało tak duże znaczenie, ponieważ uzupełniło „model standardowy” cząstek i sił: podstawową teorię, którą fizycy opracowali na temat fundamentalnych składników przyrody. Jednak obecnie nie ma empirycznych dowodów na poparcie jakiejkolwiek fizyki – takiej jak supersymetria – która leży poza modelem standardowym. Podążając za wskazówkami Poppera dotyczącymi tego, co jest naukowe, musielibyśmy powiedzieć, że teoria strun stoi obecnie poza nauką.

Jednakże fizycy są optymistami, że wkrótce może nastąpić przełom w poszukiwaniu szczególnego rodzaju materii znanej jako „ciemne cząstki”. Supersymetria przewiduje istnienie cząstek, których właściwości mogą być zgodne z właściwościami ciemnej materii. Więc jeśli naukowcy mogliby znaleźć dowody na istnienie ciemnej materii, wsparłoby to teorię supersymetrii i byłoby pierwszym krokiem w dostarczaniu empirycznych podstaw dla teorii strun.

Fizycy od dawna obserwują, że ruchy gwiazd i oddziaływania galaktyk sugerują, że czują one więcej siły grawitacyjnej niż może być wyjaśnione przez widoczne gwiazdy. Uważa się, że to brakujące przyciąganie grawitacyjne jest wywierane przez ciemną materię.

Wilczek jest optymistą, że LHC może zapewnić przełom. Jego nadzieje podziela Rolf-Dieter Heuer, dyrektor generalny Cern, które obsługuje LHC. Jego zdaniem wyższa energia odnowionego LHC „otworzy okno do bezpośrednich odkryć wykraczających poza model standardowy”. W opinii Stevena Weinberga, laureata Nagrody Nobla, którego praca miała kluczowe znaczenie dla rozwoju modelu standardowego, odkrycie cząstek ciemnej materii byłoby „najbardziej ekscytujące ze wszystkich.”

W teorii zatem dowody na ważność supersymetrii mogłyby zostać znalezione przez naukę. To samo odnosi się do ciemnej materii. Żadne z nich nie potwierdziłoby teorii strun, ale byłyby pierwszym krokiem. Idea ta jest więc w zasadzie otwarta na testy empiryczne.

Teoria wielowątkowości jest jednak bardziej problematyczna. Ponieważ nie ma możliwości komunikacji między nami a innymi wszechświatami, nie ma empirycznego sposobu na przetestowanie teorii multiwersum. George Ellis mówi o tym wprost: „W ogólnym modelu multiwersum wszystko, co może się wydarzyć, gdzieś się wydarzy, więc można w nim zmieścić dowolne dane. Dlatego nie da się go obalić żadnym testem obserwacyjnym”. Przez implikację, koncepcja multiwersum leży poza nauką.

„Narzędzia matematyczne umożliwiają nam badanie rzeczywistości, ale same koncepcje matematyczne niekoniecznie implikują fizyczną rzeczywistość”

Od tak dawna jak ludzie uprawiali naukę, próbowali zrozumieć wszechświat. Wilczek mówi: „Współczesna fizyka sugeruje, że jest prawdopodobne, iż świat fizyczny może istnieć w jakościowo różnych formach, podobnych w duchu do tego, jak woda może istnieć jako lód, woda ciekła lub para. Te różne formy (…) mogą w efekcie realizować różne prawa fizyki. Jeśli istnieją tak różne regiony przestrzeni, to „wszechświat”, tak jak go zdefiniowaliśmy, nie jest całą rzeczywistością. Całą rzeczywistość nazywamy multiwersum.”

Ellis i jego kolega kosmolog Joe Silk, profesor na Université de Pierre et Marie Curie w Paryżu, nazywają to „kalejdoskopowym multiwersum składającym się z niezliczonej ilości wszechświatów”. Oni, jako pełnomocnicy wielu fizyków, stawiają następnie podstawowe wyzwanie: sugestia, że inny wszechświat nie musi mieć tych samych fundamentalnych stałych przyrody co nasz, inspiruje pytanie, co determinuje wartości w naszym wszechświecie. Spośród ró „nych wszechświatów, które mogłyby istnieć, warunki dla wąskiego zakresu parametrów, dla których mogłoby istnieć inteligentne ycie, są błahe. Szanse na to, e istniejemy, są zatem tak znikomo małe, e teoria multiwersum twierdzi, e istnieje „krajobraz” wszechświatów „tam”, w którym istnieją wszystkie mo liwe wartości tych parametrów. Tak więc jeden wszechświat będzie istniał gdzieś z warunkami odpowiednimi dla życia, a my jesteśmy tego dowodem.

Weinberg zgadza się, że multiwersum jest mało prawdopodobne, aby zostało potwierdzone przez obserwacje w naszym konkretnym „podwszechświecie”. Ale przekonuje, że nie jest to koniecznie fatalne dla naukowej ważności teorii. „Idea multiwersum jest bardzo spekulatywna” – mówi – „ale nie jest to całkowicie nierozsądna spekulacja. Istnienie multiwersum może pewnego dnia zostać potwierdzone przez wydedukowanie go z teorii, która jest potwierdzona przez sukces wystarczających innych przewidywań.”

W tym duchu Wilczek wskazuje, że teorie naukowe mogą być nadal użyteczne, nawet jeśli są tylko częściowo zrozumiałe. Mówi: „Bardzo powszechną i udaną praktyką jest praca z teoretycznymi strukturami o wiele większymi niż to, co możemy w nich zaobserwować.” Jednym z przykładów, które przytacza, jest teoria kwantowa, podstawowe narzędzie w fizyce teoretycznej, która jest pełna pojęć, które wydają się być sprzeczne z naszym intuicyjnym wyobrażeniem o tym, jak zachowują się rzeczy. Wielu teoretyków, w tym ja, nie czuje się komfortowo z jej podstawami, a jednak udaje im się stosować jej matematykę z zaufaniem i empirycznym sukcesem. Teoria mechaniki kwantowej jest nauką, ponieważ w zasadzie nie da się jej obalić. Przetrwała ona niezliczone testy i dokonała niezliczonych udanych przewidywań. Ellis i Silk przypominają nam, że multiwersum może być wygodnym narzędziem matematycznym, ale to nie wymaga, aby te wszechświaty miały „rzeczywistość”. Wbijają to do głowy przywołując ostrzeżenie niemieckiego matematyka Davida Hilberta: „Chociaż nieskończoność jest potrzebna do ukończenia matematyki,” powiedział, „nie występuje ona nigdzie w fizycznym wszechświecie.”

To jest sedno. Narzędzia matematyczne pozwalają nam badać rzeczywistość, ale same pojęcia matematyczne niekoniecznie implikują rzeczywistość fizyczną. Dlatego dowody na poparcie teorii muszą być eksperymentalne lub obserwacyjne, a nie tylko teoretyczne. Ellis i Silk dobitnie podkreślają tę kwestię i ostrzegają przed poglądem, że „odkrycia teoretyczne wzmacniają wiarę”. Przypominają nam: „eksperymenty udowodniły, że wiele pięknych i prostych teorii jest błędnych.”

Wilczek podaje przykład jednej z takich teorii w swojej książce A Beautiful Question. W XVII wieku niemiecki astronom Johannes Kepler był przekonany, że opracował model struktury Układu Słonecznego. Jego „teoria” miała uwodzicielskie, geometryczne piękno, które przekonało Keplera, że natknął się na Boży plan. Napisał: „Czuję się uniesiony i opętany niewysłowionym zachwytem nad boskim spektaklem niebiańskiej harmonii”. Jego teoria okazała się jednak fałszywa – model planetarny Keplera został ostatecznie podważony, m.in. przez odkrycie kolejnych planet. Jednak, jak przypomina Wilczek, choć Kepler mylił się w swoim opisie rozmieszczenia planet, był dokładny w opisie ich ruchu – orbity planet nie są okręgami, lecz elipsami, a Słońce nie znajduje się w centrum elipsy, lecz w jej „ognisku”. Te spostrzeżenia zainspirowały Isaaca Newtona do opracowania jego prawa grawitacji.

Możemy mieć nadzieję na współczesną analogię: że zachwyty nad teorią strun zainspirują eksperymentatorów w LHC do odkrycia supersymetrii. To z kolei może rozwiązać zagadkę ciemnej materii, której istnienie podejrzewano na podstawie widocznej odmowy podporządkowania się ruchów galaktyk gwiazd regułom Keplera i Newtona. A może supersymetria i ciemne cząstki nie pojawią się w LHC, bo nie istnieją. Bycie wykluczonym przez eksperyment byłoby niepowodzeniem, ale byłoby to niepowodzenie naukowe. W wielkim ludzkim projekcie lepszego zrozumienia praw fizycznych, które rządzą zachowaniem materii i sił, byłoby to liczone jako postęp.

.