Lees AC Grayling die uitpakt met de filosofie achter experimenten

Als een wetenschappelijke theorie elegant is, en consistent met bekende feiten, moet die dan experimenteel getest worden? Wetenschappelijke kennis wordt verondersteld empirisch te zijn: om als wetenschappelijk te worden aanvaard, moet een theorie falsifieerbaar zijn – dat wil zeggen dat het mogelijk moet zijn, althans in beginsel, om haar empirisch te weerleggen. Dit argument werd in 1934 door de filosoof Karl Popper naar voren gebracht, en wordt tegenwoordig door de meeste wetenschappers algemeen aanvaard als bepalend voor wat wel en wat geen wetenschappelijke theorie is.

In de afgelopen jaren hebben veel natuurkundigen echter theorieën ontwikkeld met een grote wiskundige elegantie, maar die buiten het bereik liggen van empirische falsificatie, zelfs in principe. De ongemakkelijke vraag die rijst is of zij nog als wetenschap kunnen worden beschouwd. Sommige wetenschappers stellen voor de definitie van wat “wetenschappelijk” is te versoepelen, terwijl anderen vrezen dat dit de deur openzet voor pseudo-wetenschappers of charlatans om het publiek te misleiden en gelijke ruimte voor hun opvattingen op te eisen.

De vraag of zeer theoretische wetenschappelijke ideeën aan experimentele toetsing kunnen worden onderworpen, is een probleem voor de meest geavanceerde en krachtige ideeën in de wereld van de fysica. De snaartheorie en het idee van het “multiversum” – het bestaan van meerdere universa – zijn twee toonaangevende theorieën die de meest fundamentele kenmerken van de fysische wereld trachten te verklaren. Beide ideeën hebben een enorme theoretische aantrekkingskracht. De snaartheorie is op zich niet ontestbaar, maar er is nog geen succes geboekt. In experimentele termen kan men zich een toekomstige technologie voorstellen die – althans in theorie – in staat is deeltjes te versnellen tot wat bekend staat als de Planck-energieschaal. Dit is een energieniveau dat duizend triljoen maal hoger ligt dan wat kan worden geproduceerd in de Large Hadron Collider (LHC) en het punt waarop de implicaties van de snaartheorie volgens de voorspellingen tot uiting zullen komen. De multiversum-theorie werpt ogenschijnlijk onoverkomelijke hinderpalen op voor experimenten, aangezien andere universa intrinsiek onmogelijk te detecteren zijn, hoewel zelfs hier fysici manieren suggereren om hun bestaan af te leiden.

Gaat de fysica naar een tijdperk waarin elegantie volstaat en naar het domein van theorieën die buiten het bereik van experimenteel bewijs liggen? Of blijft empirisch bewijs de scheidsrechter van de wetenschap?

De snaartheorie is een poging om een verenigde theorie van deeltjes en krachten te ontwikkelen, en kwam 30 jaar geleden voor het eerst op het toneel. De theorie gaat ervan uit dat minuscule eendimensionale entiteiten – snaren – bestaan in dimensies die groter zijn dan die welke ons thans bekend zijn, en dat deze vreemde hoogdimensionale verschijnselen ten grondslag liggen aan de gehele natuurkunde. Sinds haar ontwikkeling zijn de technieken van de snaartheorie op grote schaal en met succes gebruikt door wiskundigen. Maar de oorspronkelijke motivatie – het creëren van een wetenschappelijke theorie die de wetten betreffende het gedrag van deeltjes en krachten verenigt – is tot stilstand gekomen. Volgens de kosmoloog George Ellis, voormalig hoogleraar aan de Universiteit van Kaapstad en een wereldautoriteit op het gebied van de fysica van de kosmos, is de snaartheorie “een verkenning van fascinerende wiskundige structuren die al dan niet verband kunnen houden met het fysische universum. Dus in termen van toepasbaarheid op het echte universum is het eerder hypothetische wetenschap dan toetsbare wetenschap.”

Frank Wilczek, hoogleraar natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology en winnaar van de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2004, beschrijft de huidige situatie aldus: “De snaartheorie gemeenschap bevat veel serieuze en begaafde individuen die de natuur proberen te begrijpen, en het zou gek zijn om hen buiten de wetenschap te sluiten. Maar voor mij zijn de delen van de wetenschap die een paar aannames gebruiken om veel over de wereld te verklaren het indrukwekkendst en belangrijkst, en vanuit dat perspectief kan de snaartheorie wel wat verbetering gebruiken.”

De uitdaging die Wilczek en Ellis aangaan is of er ooit door middel van experimenten bewijs kan worden gevonden dat de snaartheorie ondersteunt. Een van de onderzoekslijnen betreft een centraal onderdeel van de theorie. Deze stelt dat elk materiedeeltje, zoals elektronen of quarks, een partner heeft onder de deeltjes die krachten overbrengen-“bosonen” zoals het foton en gluonen. Deze eigenschap staat bekend als supersymmetrie. Wilczek merkt op dat het “een belangrijk ingrediënt van de snaartheorie” is. De ontdekking ervan, hoewel geen bewijs, zou dus bemoedigend zijn.”
Het bewijs voor supersymmetrie is echter nog niet gedetecteerd bij de LHC, de deeltjesversneller op de Frans-Zwitserse grens, die de hoogste-energie-installatie ter wereld is en dus het best is toegerust om dit te testen. In juli 2012 behaalde de versneller een veelgeprezen triomf toen het bestaan van het Higgs-boson werd bevestigd, het deeltje dat sommige fundamentele deeltjes hun massa geeft.

De ontdekking was zo belangrijk omdat ze het “standaardmodel” van deeltjes en krachten voltooide: de kerntheorie die natuurkundigen hebben ontwikkeld over de fundamentele bouwstenen van de natuur. Toch is er momenteel geen empirisch bewijs voor enige natuurkunde – zoals supersymmetrie – die buiten het standaardmodel valt. Om Popper’s richtlijn te volgen over wat wetenschappelijk is, zouden we moeten zeggen dat de snaartheorie momenteel buiten de wetenschap staat.

Fysici zijn echter optimistisch dat er binnenkort een doorbraak zou kunnen komen in de zoektocht naar een bepaald type materie dat bekend staat als “donkere deeltjes”. Supersymmetrie voorspelt het bestaan van deeltjes waarvan de eigenschappen in overeenstemming zouden kunnen zijn met die van donkere materie. Dus als wetenschappers bewijs kunnen vinden van donkere materie, zou dit de theorie van supersymmetrie ondersteunen en zou dit een eerste stap zijn in het verschaffen van een empirische basis voor de snaartheorie.

Fysici hebben lang waargenomen dat de bewegingen van sterren en de interacties van sterrenstelsels suggereren dat zij meer zwaartekracht voelen dan verklaard kan worden door zichtbare sterren. Deze ontbrekende zwaartekracht wordt verondersteld te worden uitgeoefend door donkere materie.

Wilczek is optimistisch dat de LHC voor een doorbraak kan zorgen. Zijn hoop wordt gedeeld door Rolf-Dieter Heuer, de directeur-generaal van Cern, dat de LHC exploiteert. Volgens hem zal de hogere energie van de vernieuwde LHC “een venster openen naar directe ontdekkingen buiten het standaardmodel”. Naar de mening van Steven Weinberg, de Nobelprijswinnaar wiens werk centraal heeft gestaan bij de ontwikkeling van het standaardmodel, zou de ontdekking van de deeltjes van donkere materie “het spannendste van allemaal zijn.”

In theorie zou de wetenschap dus bewijs kunnen vinden voor de geldigheid van supersymmetrie. Hetzelfde geldt voor donkere materie. Geen van beide zou de snaartheorie bevestigen, maar ze zouden wel een eerste stap zijn. Het idee staat dus in principe open voor empirische toetsing.

Multiversumtheorie is echter problematischer. Aangezien er geen mogelijkheid tot communicatie tussen ons en andere universa bestaat, is er geen empirische manier om de multiversumtheorie te testen. George Ellis maakt dit punt expliciet: “In een algemeen multiversum model zal alles wat kan gebeuren ergens gebeuren, dus alle gegevens kunnen worden verwerkt. Daarom kan het door geen enkele waarnemingstest worden weerlegd. Dit impliceert dat het multiversumconcept buiten de wetenschap staat.

“Wiskundige hulpmiddelen stellen ons in staat de werkelijkheid te onderzoeken, maar de wiskundige concepten zelf impliceren niet noodzakelijkerwijs een fysische werkelijkheid.”

Zolang de mens wetenschap bedrijft, heeft hij getracht het universum te begrijpen. Wilczek zegt: “De moderne natuurkunde impliceert dat het aannemelijk is dat de fysieke wereld in kwalitatief verschillende vormen kan bestaan, vergelijkbaar met hoe water kan bestaan als ijs, vloeibaar water of stoom. Deze verschillende vormen… kunnen in feite verschillende wetten van de fysica ten uitvoer brengen. Als zulke verschillende regio’s van ruimte bestaan, dan is het ‘universum’ zoals wij het hebben gedefinieerd niet de hele werkelijkheid. Wij noemen het geheel van de werkelijkheid het multiversum.”

Ellis en zijn collega-kosmoloog Joe Silk, een professor aan de Université de Pierre et Marie Curie in Parijs, noemen dit “een caleidoscopisch multiversum dat uit een ontelbaar aantal universa bestaat.” Zij, als gevolmachtigde van vele natuurkundigen, stellen dan de fundamentele uitdaging: de suggestie dat een ander universum niet dezelfde fundamentele natuurconstanten behoeft te hebben als het onze, roept de vraag op wat de waarden in ons universum bepaalt. Van de verscheidenheid aan universa die zouden kunnen bestaan, zijn de voorwaarden voor het smalle scala van parameters waarvoor intelligent leven zou kunnen bestaan, onbeduidend. De kans dat wij bestaan is daarom zo klein dat de multiversum-theorie beweert dat er een “landschap” van universa “daarbuiten” bestaat waarin alle mogelijke waarden van deze parameters bestaan. Er zal dus ergens een universum bestaan met de juiste omstandigheden voor leven, en wij zijn het bewijs.

Weinberg geeft toe dat het onwaarschijnlijk is dat het multiversum door waarnemingen in ons specifieke “sub-universum” zal worden bevestigd. Maar hij betoogt dat dit niet noodzakelijkerwijs fataal is voor de wetenschappelijke geldigheid van de theorie. “Het multiversum-idee is zeer speculatief,” zegt hij, “maar het is geen volkomen onredelijke speculatie. Het bestaan van een multiversum zou op een dag bevestigd kunnen worden door het af te leiden uit een theorie die bevestigd wordt door het succes van voldoende andere voorspellingen.”

In deze geest wijst Wilczek erop dat wetenschappelijke theorieën nog steeds van nut kunnen zijn, zelfs wanneer zij slechts gedeeltelijk begrepen worden. Hij zegt: “Het is heel gebruikelijk en succesvol om te werken met theoretische structuren die veel groter zijn dan wat we over hen kunnen waarnemen.” Een voorbeeld dat hij noemt is de kwantumtheorie, een basisinstrument in de theoretische natuurkunde, die vol zit met concepten die in tegenspraak lijken te zijn met onze intuïtieve notie van hoe dingen zich gedragen. Veel theoretici, waaronder ikzelf, voelen zich ongemakkelijk bij de grondslagen ervan, maar slagen er toch in om de wiskunde met vertrouwen en empirisch succes toe te passen. De theorie van de kwantummechanica is wetenschap omdat zij in principe kan worden weerlegd. Zij heeft ontelbare tests overleefd en ontelbare succesvolle voorspellingen gedaan. Ellis en Silk herinneren ons eraan dat het multiversum misschien een handig wiskundig hulpmiddel is, maar dat dit niet vereist dat deze universa “werkelijkheid” hebben. Zij benadrukken dit door te herinneren aan de waarschuwing van de Duitse wiskundige David Hilbert: “Hoewel oneindigheid nodig is om de wiskunde te voltooien,” zei hij, “komt het nergens in het fysieke universum voor.”

Dit is de crux. Wiskundige hulpmiddelen stellen ons in staat de werkelijkheid te onderzoeken, maar de wiskundige begrippen zelf impliceren niet noodzakelijkerwijs een fysische werkelijkheid. Het bewijs voor een theorie moet dus experimenteel of waarneembaar zijn, niet alleen theoretisch. Ellis en Silk maken dit punt op krachtige wijze duidelijk, en waarschuwen tegen het idee dat “theoretische ontdekkingen het geloof versterken”. Zij herinneren ons eraan: “

Wilczek geeft een voorbeeld van zo’n theorie in zijn boek A Beautiful Question. In de 17e eeuw raakte de Duitse astronoom Johannes Kepler ervan overtuigd dat hij een model had ontwikkeld van de structuur van het zonnestelsel. Zijn “theorie” had een verleidelijke, geometrische schoonheid die Kepler ervan overtuigde dat hij op het plan van God was gestuit. Hij schreef: “Ik voel me meegesleept en bezeten door een onuitsprekelijke verrukking over het goddelijke schouwspel van hemelse harmonie.” Maar zijn theorie was vals-Keplers planetenmodel werd uiteindelijk ondermijnd, niet in het minst door de ontdekking van nog meer planeten. Maar zoals Wilczek ons eraan herinnert, had Kepler het weliswaar mis in zijn beschrijving van de opstelling van de planeten, maar hij was wel accuraat in zijn beschrijving van hun beweging – dat planeetbanen geen cirkels zijn maar ellipsen, en dat de zon zich niet in het middelpunt van de ellips bevindt, maar in een “brandpunt” van de ellips. Deze inzichten inspireerden Isaac Newton tot het ontwikkelen van zijn zwaartekrachtswet.

We mogen hopen op een moderne parallel: dat de verrukkingen over de snaartheorie de experimentalisten bij de LHC inspireren tot de ontdekking van supersymmetrie. Dit kan op zijn beurt het mysterie van de donkere materie oplossen, waarvan het bestaan werd vermoed door de schijnbare weigering van de bewegingen van sterrenstelsels om te gehoorzamen aan de regels van Kepler en Newton. Of misschien zullen supersymmetrie en donkere deeltjes weigeren te verschijnen bij de LHC, omdat ze niet bestaan. Experimenteel uitgesloten worden zou een tegenslag zijn, maar het zou een wetenschappelijke tegenslag zijn. In het grote menselijke project om de natuurkundige wetten die het gedrag van materie en krachten bepalen beter te begrijpen, zou het tellen als vooruitgang.