Citește AC Grayling despachetând filozofia din spatele experimentului

Dacă o teorie științifică este elegantă și este în concordanță cu faptele cunoscute, este nevoie ca aceasta să fie testată prin experiment? Cunoașterea științifică se presupune că este empirică: pentru a fi acceptată ca fiind științifică, o teorie trebuie să fie falsificabilă – adică trebuie să fie posibil, cel puțin în principiu, să o infirmăm empiric. Acest argument a fost avansat în 1934 de filozoful Karl Popper și este în general acceptat astăzi de majoritatea oamenilor de știință ca determinând ceea ce este și ceea ce nu este o teorie științifică.

În ultimii ani, însă, mulți fizicieni au dezvoltat teorii de o mare eleganță matematică, dar care sunt dincolo de raza de acțiune a falsificării empirice, chiar și în principiu. Întrebarea incomodă care se pune este dacă ele mai pot fi considerate știință. Unii oameni de știință propun ca definiția a ceea ce este „științific” să fie relaxată, în timp ce alții se tem că, dacă se face acest lucru, s-ar putea deschide ușa pentru pseudo-științifici sau șarlatani care să inducă publicul în eroare și să pretindă un spațiu egal pentru opiniile lor.

Întrebarea dacă ideile științifice foarte teoretice pot fi supuse testării experimentale este o problemă pentru cele mai avansate și puternice idei din lumea fizicii. Teoria corzilor și ideea de „multivers” – existența mai multor universuri – sunt două teorii de vârf care încearcă să explice cele mai fundamentale caracteristici ale lumii fizice. Ambele idei au un farmec teoretic imens. Teoria corzilor nu este, în mod intrinsec, imposibil de testat – dar încă nu s-a înregistrat niciun succes. În termeni experimentali, ne putem imagina o tehnologie viitoare care este – cel puțin în teorie – capabilă să accelereze particulele până la ceea ce se numește scara de energie Planck. Acesta este un nivel de energie de o mie de trilioane de ori mai mare decât cel care poate fi produs la Large Hadron Collider (LHC) și punctul la care se preconizează că se vor manifesta implicațiile teoriei corzilor. Teoria multiversului prezintă obstacole aparent insurmontabile pentru experiment, deoarece alte universuri sunt intrinsec imposibil de detectat, deși chiar și în acest caz, fizicienii sugerează modalități de a le deduce existența.

Se îndreaptă fizica spre o eră în care eleganța va fi suficientă și spre domeniul teoriilor care sunt dincolo de raza de acțiune a dovezilor experimentale? Sau dovezile empirice vor rămâne arbitrul științei?

Teoria corzilor este o încercare de a dezvolta o teorie unificată a particulelor și forțelor și a apărut pentru prima dată pe scenă în urmă cu 30 de ani. Teoria postulează că entități unidimensionale minuscule – corzi – există în dimensiuni mai mari decât cele cunoscute în prezent de noi și că aceste fenomene ciudate de înaltă dimensiune stau la baza întregii fizici. De la dezvoltarea sa, tehnicile teoriei corzilor au fost utilizate pe scară largă și cu succes de către matematicieni. Însă motivația inițială – crearea unei teorii științifice care să unifice legile care guvernează comportamentul particulelor și al forțelor – s-a blocat. Potrivit cosmologului George Ellis, fost profesor la Universitatea din Cape Town și o autoritate mondială în domeniul fizicii cosmosului, teoria corzilor este „o explorare a unor structuri matematice fascinante care pot avea sau nu legătură cu universul fizic. Așadar, în ceea ce privește aplicabilitatea sa la universul real, este mai degrabă o știință ipotetică decât o știință testabilă.”

Frank Wilczek, profesor de fizică la Massachusetts Institute of Technology și laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în 2004, descrie astfel situația actuală: „Comunitatea teoriei corzilor conține multe persoane serioase și talentate care încearcă să înțeleagă natura și ar fi o nebunie să le excludem din știință. Dar pentru mine, părțile științei care folosesc câteva ipoteze pentru a explica multe despre lume sunt cele mai impresionante și mai importante, iar din această perspectivă teoria corzilor ar avea nevoie de îmbunătățiri.”

Provocarea lansată de Wilczek și Ellis este dacă dovezile care să susțină teoria corzilor ar putea fi găsite vreodată prin experimente. O linie de investigație se referă la un element central al teoriei. Aceasta susține că fiecare particulă de materie, cum ar fi electronii sau quarcii, are un partener printre particulele care transmit forțe – „bosoni”, cum ar fi fotonul și gluonii. Această proprietate este cunoscută sub numele de supersimetrie. Wilczek remarcă faptul că aceasta este „un ingredient important în teoria corzilor. Așadar, descoperirea ei, deși nu este o dovadă , ar fi o încurajare.”
Cu toate acestea, dovezile supersimetriei nu au fost încă detectate la LHC, acceleratorul de particule de la granița franco-elvețiană, care este instalația cu cea mai mare energie din lume și, prin urmare, cea mai bine echipată pentru a testa acest lucru. În iulie 2012, acceleratorul a înregistrat un triumf foarte mediatizat atunci când a confirmat existența bosonului Higgs, particula care conferă masa unor particule fundamentale.

Descoperirea a fost atât de importantă deoarece a completat „modelul standard” al particulelor și forțelor: teoria de bază pe care fizicienii au dezvoltat-o cu privire la elementele fundamentale ale naturii. Cu toate acestea, în prezent nu există dovezi empirice care să susțină vreo fizică – cum ar fi supersimetria – care se află în afara modelului standard. Pentru a urma îndrumările lui Popper cu privire la ceea ce este științific, ar trebui să spunem că teoria corzilor se află în prezent în afara științei.

Cu toate acestea, fizicienii sunt optimiști că în curând s-ar putea face o descoperire în căutarea unui anumit tip de materie cunoscută sub numele de „particule întunecate”. Supersimetria prezice existența unor particule ale căror proprietăți ar putea fi în concordanță cu cele ale materiei întunecate. Astfel, dacă oamenii de știință ar putea găsi dovezi ale existenței materiei întunecate, acest lucru ar susține teoria supersimetriei și ar conta ca un prim pas în furnizarea unei baze empirice pentru teoria corzilor.

Fizicienii au observat de mult timp că mișcările stelelor și interacțiunile galaxiilor sugerează că acestea resimt o forță gravitațională mai mare decât cea care poate fi explicată de stelele vizibile. Se crede că această atracție gravitațională lipsă este exercitată de materia întunecată.

Wilczek este optimist că LHC ar putea oferi o descoperire. Speranțele sale sunt împărtășite de Rolf-Dieter Heuer, directorul general al Cern, care operează LHC. În opinia sa, energia mai mare a LHC-ului renovat va „deschide o fereastră către descoperiri directe dincolo de modelul standard”. În opinia lui Steven Weinberg, laureat al premiului Nobel, a cărui muncă a fost esențială pentru dezvoltarea modelului standard, descoperirea particulelor de materie întunecată ar fi „cea mai interesantă dintre toate.”

În teorie, deci, dovezile validității supersimetriei ar putea fi găsite de știință. Același lucru este valabil și pentru materia întunecată. Niciuna dintre ele nu ar confirma teoria corzilor, dar ar fi un prim pas. Ideea este, deci, în principiu, deschisă testării empirice.

Teoria multiversului, însă, este mai problematică. Deoarece nu există nicio posibilitate de comunicare între noi și alte universuri, nu există nicio modalitate empirică de a testa teoria multiversului. George Ellis face această precizare în mod explicit: „Într-un model general al multiversului, tot ceea ce se poate întâmpla se va întâmpla undeva, așa că orice date, oricare ar fi ele, pot fi acomodate. Prin urmare, acesta nu poate fi infirmat de niciun test observațional”. Implicit, conceptul de multivers se află în afara științei.

„Instrumentele matematice ne permit să investigăm realitatea, dar conceptele matematice în sine nu implică în mod necesar realitatea fizică”

De când oamenii au urmărit știința, au încercat să înțeleagă universul. Wilczek spune: „Fizica modernă implică faptul că este plauzibil faptul că lumea fizică poate exista în forme calitativ diferite, similar în spirit cu modul în care apa poate exista ca gheață, apă lichidă sau abur. Aceste forme diferite… pot, de fapt, să pună în aplicare diferite legi ale fizicii. Dacă există astfel de regiuni diverse ale spațiului, atunci „universul”, așa cum l-am definit noi, nu reprezintă întreaga realitate. Noi numim multiversul ansamblul realității.”

Ellis și colegul său cosmolog Joe Silk, profesor la Université de Pierre et Marie Curie din Paris, numesc acest multivers „un multivers caleidoscopic care cuprinde o multitudine de universuri”. Ei, ca împuterniciți ai multor fizicieni, pun apoi provocarea de bază: sugestia că un alt univers nu trebuie neapărat să aibă aceleași constante fundamentale ale naturii ca și al nostru inspiră întrebarea despre ce determină valorile din universul nostru. Dintre varietatea de universuri care ar putea exista, condițiile pentru gama îngustă de parametri pentru care ar putea exista viață inteligentă sunt neînsemnate. Șansele ca noi să existăm sunt, prin urmare, atât de mici, încât teoria multiversului susține că există un „peisaj” de universuri „acolo afară” în care există toate valorile posibile ale acestor parametri. Astfel, un univers va exista undeva, undeva, cu condiții potrivite pentru viață, iar noi suntem dovada.

Weinberg acceptă că este puțin probabil ca multiversul să fie confirmat de observații în „subuniversul” nostru specific. Dar el argumentează că acest lucru nu este neapărat fatal pentru validitatea științifică a teoriei. „Ideea multiversului este foarte speculativă”, spune el, „dar nu este o speculație complet nerezonabilă. Existența unui multivers ar putea fi confirmată cândva prin deducerea ei dintr-o teorie care este confirmată de succesul altor predicții suficiente.”

În această ordine de idei, Wilczek subliniază că teoriile științifice pot fi încă utile chiar și atunci când sunt doar parțial înțelese. El spune: „Este o practică foarte comună și de succes să lucrăm cu structuri teoretice mult mai vaste decât ceea ce putem observa despre ele”. Un exemplu pe care îl citează este teoria cuantică, un instrument de bază în fizica teoretică, care este plină de concepte care par să contrazică noțiunea noastră intuitivă despre cum se comportă lucrurile. Mulți teoreticieni, printre care mă număr și eu, nu se simt confortabil cu fundamentele sale, însă reușesc să aplice matematica sa cu încredere și cu succes empiric. Teoria mecanicii cuantice este știință pentru că, în principiu, poate fi infirmată. Ea a supraviețuit nenumăratelor teste și a făcut nenumărate predicții de succes. Ellis și Silk ne reamintesc faptul că multiversul poate fi un dispozitiv matematic convenabil, dar acest lucru nu necesită ca aceste universuri să aibă „realitate”. Ei duc acest lucru acasă amintind avertismentul matematicianului german David Hilbert: „Deși infinitul este necesar pentru a completa matematica”, a spus el, „el nu apare nicăieri în universul fizic.”

Acesta este miezul problemei. Instrumentele matematice ne permit să investigăm realitatea, dar conceptele matematice în sine nu implică neapărat realitatea fizică. Astfel, dovezile în sprijinul unei teorii trebuie să fie experimentale sau observaționale, nu pur și simplu teoretice. Ellis și Silk subliniază puternic acest aspect și avertizează împotriva noțiunii că „descoperirile teoretice întăresc credința”. Ei ne reamintesc: „experimentele au dovedit că multe teorii frumoase și simple sunt greșite.”

Wilczek dă un exemplu al unei astfel de teorii în cartea sa A Beautiful Question. În secolul al XVII-lea, astronomul german Johannes Kepler a fost convins că a dezvoltat un model al structurii sistemului solar. „Teoria” sa avea o frumusețe seducătoare, geometrică, care l-a convins pe Kepler că a dat peste planul lui Dumnezeu. El a scris: „Mă simt purtat și posedat de un extaz de nedescris în fața spectacolului divin al armoniei cerești”. Dar teoria sa era falsă – modelul planetar al lui Kepler a fost în cele din urmă subminat, nu în ultimul rând prin descoperirea altor planete. Cu toate acestea, după cum ne amintește Wilczek, deși Kepler s-a înșelat în descrierea aranjamentului planetelor, el a fost exact în descrierea mișcării lor – orbitele planetare nu sunt cercuri, ci elipse, iar soarele nu se află în centrul elipsei, ci la un „focar” al acesteia. Aceste intuiții l-au inspirat pe Isaac Newton să-și dezvolte legea gravitației.

Am putea spera la o paralelă modernă: ca extazul provocat de teoria corzilor să-i inspire pe experimentatorii de la LHC la descoperirea supersimetriei. Aceasta, la rândul ei, ar putea rezolva misterul materiei întunecate, a cărei existență a fost suspectată de refuzul aparent al mișcărilor galaxiilor de stele de a se supune regulilor lui Kepler și Newton. Sau, poate, supersimetria și particulele întunecate vor refuza să apară la LHC, pentru că nu există. A fi excluse de experiment ar fi un eșec, dar ar fi un eșec științific. În marele proiect uman de a înțelege mai bine legile fizice care guvernează comportamentul materiei și al forțelor, ar conta ca un progres.