Vad händer när vi inte kan testa vetenskapliga teorier?

Läs AC Grayling förklara filosofin bakom experiment

Om en vetenskaplig teori är elegant och stämmer överens med kända fakta, behöver den då testas genom experiment? Vetenskaplig kunskap ska vara empirisk: för att accepteras som vetenskaplig måste en teori vara falsifierbar – det vill säga det måste vara möjligt, åtminstone i princip, att empiriskt motbevisa den. Detta argument framfördes 1934 av filosofen Karl Popper och accepteras i allmänhet av de flesta vetenskapsmän i dag för att avgöra vad som är och inte är en vetenskaplig teori.

Under de senaste åren har dock många fysiker utvecklat teorier av stor matematisk elegans, men som är utom räckhåll för empirisk falsifiering, ens i princip. Den obekväma fråga som uppstår är om de fortfarande kan betraktas som vetenskap. Vissa vetenskapsmän föreslår att definitionen av vad som är ”vetenskapligt” ska luckras upp, medan andra befarar att en sådan lösning skulle kunna öppna dörren för pseudovetenskapsmän eller charlataner att vilseleda allmänheten och göra anspråk på lika stort utrymme för sina åsikter.

Frågan om huruvida högt teoretiska vetenskapliga idéer kan utsättas för experimentell prövning är en fråga för de mest avancerade och kraftfulla idéerna i fysikens värld. Strängteorin och idén om ”multiversum” – existensen av flera universum – är två ledande teorier som försöker förklara de mest grundläggande egenskaperna hos den fysiska världen. Båda idéerna har en enorm teoretisk attraktionskraft. Strängteorin är i sig själv inte omöjlig att testa – men den har ännu inte varit framgångsrik. Experimentellt sett kan man föreställa sig en framtida teknik som åtminstone i teorin kan accelerera partiklar till vad som kallas Plancks energiskala. Detta är en energinivå som är tusen biljoner gånger större än vad som kan produceras vid Large Hadron Collider (LHC) och den punkt där konsekvenserna av strängteorin förutspås bli uppenbara. Multiverse-teorin utgör ett till synes oöverstigligt hinder för experiment eftersom andra universum i sig är omöjliga att upptäcka, även om fysikerna även här föreslår sätt att dra slutsatser om deras existens.

Gör sig fysiken på väg mot en epok där elegans kommer att vara tillräckligt, och mot teorier som är utom räckhåll för experimentella bevis? Eller kommer empiriska bevis att förbli vetenskapens skiljedomare?

Strängteorin är ett försök att utveckla en enhetlig teori om partiklar och krafter, och den slog igenom för första gången för 30 år sedan. Teorin bygger på att det finns minibara endimensionella enheter – strängar – i högre dimensioner än de som vi för närvarande känner till, och att dessa märkliga högdimensionella fenomen ligger till grund för all fysik. Sedan strängteorin utvecklades har matematikerna använt strängteorins tekniker i stor utsträckning och med framgång. Men det ursprungliga motivet – att skapa en vetenskaplig teori som förenar de lagar som styr partiklars och krafters beteende – har stannat upp. Enligt kosmologen George Ellis, tidigare professor vid University of Cape Town och en världsaktuell expert på fysik i kosmos, är strängteorin ”en utforskning av fascinerande matematiska strukturer som kanske eller kanske inte har något samband med det fysiska universum”. Så när det gäller dess tillämplighet på det verkliga universum är det hypotetisk vetenskap snarare än testbar vetenskap.”

Frank Wilczek, professor i fysik vid Massachusetts Institute of Technology och mottagare av Nobelpriset i fysik 2004, beskriver den nuvarande situationen så här: ”Strängteori-samhället innehåller många seriösa och begåvade personer som försöker förstå naturen, och det skulle vara galet att utesluta dem ur vetenskapen. Men för mig är de delar av vetenskapen som använder några få antaganden för att förklara mycket om världen de mest imponerande och viktiga, och ur det perspektivet skulle strängteorin kunna behöva förbättras.”

Den utmaning som Wilczek och Ellis gör är huruvida bevis för att stödja strängteorin någonsin kan hittas genom experiment. En av undersökningslinjerna gäller en central del av teorin. Enligt denna har varje materiepartikel, t.ex. elektroner eller kvarkar, en partner bland de partiklar som överför krafter – ”bosoner” som fotonen och gluonerna. Denna egenskap kallas supersymmetri. Wilczek påpekar att det är ”en viktig ingrediens i strängteorin”. Att upptäcka den, även om det inte är ett bevis, skulle vara uppmuntrande.”
Däremot har bevis för supersymmetri ännu inte upptäckts vid LHC, partikelacceleratorn vid den fransk-schweiziska gränsen, som är världens mest energirika anläggning och därmed den mest välutrustade för att testa detta. I juli 2012 hade acceleratorn en mycket uppmärksammad triumf när den bekräftade existensen av Higgsbosonen, den partikel som ger vissa grundläggande partiklar deras massa.

Upptäckten var så viktig eftersom den kompletterade ”standardmodellen” för partiklar och krafter, dvs. den kärnteori som fysikerna har utvecklat om naturens grundläggande byggstenar. Ändå finns det för närvarande inga empiriska bevis för att stödja någon fysik – såsom supersymmetri – som ligger utanför standardmodellen. Om vi skulle följa Poppers vägledning om vad som är vetenskapligt måste vi säga att strängteorin för närvarande står utanför vetenskapen.

Fysikerna är dock optimistiska om att ett genombrott snart kan komma att ske i sökandet efter en viss typ av materia som kallas ”mörka partiklar”. Supersymmetrin förutsäger att det finns partiklar vars egenskaper kan överensstämma med egenskaperna hos mörk materia. Så om forskarna kunde hitta bevis för mörk materia skulle detta stödja teorin om supersymmetri och räknas som ett första steg i att tillhandahålla en empirisk grund för strängteorin.

Fysiker har länge observerat att stjärnornas rörelser och växelverkan mellan galaxer tyder på att de känner mer gravitationskraft än vad som kan förklaras av synliga stjärnor. Denna saknade gravitationskraft tros utövas av mörk materia.

Wilczek är optimistisk om att LHC kan ge ett genombrott. Hans förhoppningar delas av Rolf-Dieter Heuer, generaldirektör för Cern, som driver LHC. Enligt honom kommer den högre energin i den renoverade LHC att ”öppna ett fönster för direkta upptäckter bortom standardmodellen”. Enligt Steven Weinberg, nobelpristagare vars arbete har varit centralt för utvecklingen av standardmodellen, skulle upptäckten av den mörka materiens partiklar vara ”den mest spännande av alla.”

I teorin skulle alltså vetenskapen kunna hitta bevis för supersymmetrins giltighet. Samma sak gäller för mörk materia. Ingetdera skulle bekräfta strängteorin, men de skulle vara ett första steg. Idén är alltså i princip öppen för empirisk prövning.

Multiversteorin är dock mer problematisk. Eftersom det inte finns någon möjlighet till kommunikation mellan oss och andra universum finns det inget empiriskt sätt att testa multiversalteorin. George Ellis påpekar detta uttryckligen: ”I en allmän multiversumsmodell kommer allt som kan hända att hända någonstans, så alla data kan rymmas. Därför kan den inte motbevisas av något observationstest överhuvudtaget.” Underförstått ligger multiversumskonceptet utanför vetenskapen.

”Matematiska verktyg gör det möjligt för oss att undersöka verkligheten, men de matematiska koncepten i sig innebär inte nödvändigtvis en fysisk verklighet.”

Sedan människor har ägnat sig åt vetenskap har de försökt att förstå universum. Wilczek säger: ”Modern fysik innebär att det är rimligt att den fysiska världen kan existera i kvalitativt olika former, i likhet med hur vatten kan existera som is, flytande vatten eller ånga. Dessa olika former … kan i praktiken tillämpa olika fysikaliska lagar. Om sådana olika regioner i rymden existerar är ”universum”, så som vi har definierat det, inte hela verkligheten. Vi kallar hela verkligheten för multiversum.”

Ellis och hans kosmologkollega Joe Silk, professor vid Université de Pierre et Marie Curie i Paris, kallar detta ”ett kalejdoskopiskt multiversum som består av en myriad av universum”. De, som ställföreträdare för många fysiker, ställer sedan den grundläggande utmaningen: förslaget att ett annat universum inte behöver ha samma grundläggande naturkonstanter som vårt inspirerar till frågan om vad som bestämmer värdena i vårt universum. Av de många olika universum som skulle kunna existera är villkoren för det snäva intervall av parametrar för vilka intelligent liv skulle kunna existera obetydliga. Oddsen för att vi existerar är därför så försvinnande små att multiversumteorin hävdar att det finns ett ”landskap” av universum ”där ute” där alla möjliga värden för dessa parametrar existerar. Således kommer ett universum att existera någonstans med de rätta förhållandena för liv, och vi är beviset.

Weinberg accepterar att det är osannolikt att multiversumet kommer att bekräftas av observationer i vårt specifika ”subuniversum”. Men han hävdar att detta inte nödvändigtvis är ödesdigert för teorins vetenskapliga giltighet. ”Idén om multiversum är mycket spekulativ”, säger han, ”men det är inte en helt orimlig spekulation. Existensen av ett multiversum kan en dag bekräftas genom att man härleder den från en teori som bekräftas av att tillräckligt många andra förutsägelser lyckas.”

I samma anda påpekar Wilczek att vetenskapliga teorier fortfarande kan vara användbara även när de bara är delvis förstådda. Han säger: ”Det är en mycket vanlig och framgångsrik praxis att arbeta med teoretiska strukturer som är mycket större än vad vi kan observera om dem”. Ett exempel som han nämner är kvantteorin, ett grundläggande verktyg inom den teoretiska fysiken, som är full av begrepp som tycks motsäga vår intuitiva uppfattning om hur saker och ting beter sig. Många teoretiker, däribland jag själv, känner sig obekväma med dess grunder, men lyckas ändå tillämpa dess matematik med självförtroende och empirisk framgång. Den kvantmekaniska teorin är vetenskap eftersom den i princip kan motbevisas. Den har överlevt otaliga tester och gjort otaliga framgångsrika förutsägelser. Ellis och Silk påminner oss om att multiversum kan vara en bekväm matematisk konstruktion, men detta kräver inte att dessa universum har en ”verklighet”. De driver detta hem genom att påminna om den tyske matematikern David Hilberts varning: ”Även om oändligheten behövs för att fullborda matematiken”, sade han, ”förekommer den ingenstans i det fysiska universum.”

Det här är kruxet. Matematiska verktyg gör det möjligt för oss att undersöka verkligheten, men de matematiska begreppen i sig innebär inte nödvändigtvis fysisk verklighet. Bevisen till stöd för en teori måste alltså vara experimentella eller observationsmässiga, inte bara teoretiska. Ellis och Silk framhåller detta på ett kraftfullt sätt och varnar för uppfattningen att ”teoretiska upptäckter stärker tron”. De påminner oss: ”Experiment har visat att många vackra och enkla teorier är felaktiga.”

Wilczek ger ett exempel på en sådan teori i sin bok A Beautiful Question. På 1600-talet blev den tyske astronomen Johannes Kepler övertygad om att han hade utvecklat en modell för solsystemets struktur. Hans ”teori” hade en förförisk, geometrisk skönhet som övertygade Kepler om att han hade snubblat över Guds plan. Han skrev: ”Jag känner mig medryckt och besatt av en outsäglig hänförelse över det gudomliga skådespelet av himmelsk harmoni”. Men hans teori var falsk – Keplers planetariska modell undergrävdes så småningom, inte minst genom upptäckten av ytterligare planeter. Men som Wilczek påminner oss om, även om Kepler hade fel i sin beskrivning av planeternas arrangemang, var han korrekt i sin beskrivning av deras rörelse – att planeternas banor inte är cirklar utan ellipser, och att solen inte befinner sig i ellipsens centrum utan i ett ”fokus” på ellipsen. Dessa insikter inspirerade Isaac Newton att utveckla sin gravitationslag.

Vi kan hoppas på en modern parallell: att hänförelsen över strängteorin inspirerar experimentalisterna vid LHC till att upptäcka supersymmetri. Detta kan i sin tur lösa mysteriet med den mörka materian, vars existens misstänktes på grund av den uppenbara vägran av galaxernas och stjärnornas rörelser att lyda Keplers och Newtons regler. Eller kanske kommer supersymmetri och mörka partiklar att vägra att dyka upp vid LHC, eftersom de inte existerar. Att bli utesluten genom experiment skulle vara ett bakslag, men det skulle vara ett vetenskapligt bakslag. I det stora mänskliga projektet att bättre förstå de fysiska lagar som styr materiens och krafternas beteende skulle det räknas som ett framsteg.