Fysikkens problem

Fysikken er i krise, skriver Lee Smolin, for har det noensinne tidligere gått tre tiår uten et eneste større gjennombrudd? Boka «The trouble with physics» er utrolig spennende og utfordrende. Men en hard nøtt å knekke for oss med bare normalt utviklede sjelsevner.
15.8 2007 05:00

Det har egentlig ikke skjedd noe grunnleggende nytt innen fysikk siden tidlig på 1980-tallet, mener Lee Smolin, som selv er en av verdens fremste teoretiske fysikere. De samme viktige spørsmål som sto ubesvart i 1980, står der fremdeles.

I mellomtiden har vi sett strengteorien vokse fram til nærmest total faglig dominans - uten å ha levert hva den lovet. Er vi på villspor?, spør forfatteren.

For, hvor vanlig er det at det står stille i nesten tre tiår? Det har aldri skjedd før. I hvert fall siden siste halvdel av søttenhundretallet, har fysikken hatt et større gjennombrud minst en gang hvert kvarte århundre - gjennombrudd som har ført oss nærmere en forståelse av hvordan verden egentlig henger sammen.

Det gikk mindre enn 25 år fra Michael Faraday påviste at krefter virker i felt, til James Clerk Maxwell forente elektrisitet og magnetisme i en teori om elektromagnetisme. Omtrent like mange år senere dukket begrepet entropi opp, nye partikler og stråler ble registrert, og i 1900 oppdaget Max Planck at strålingen best kan forklares hvis vi forestiller oss at den kommer i diskrete enheter - kvanter.


“Røykepause - Heisenberg, Stern, Bohr, Debye og Fermi trekker pusten mellom to vitenskapelige revolusjoner”

Mangler helhetlig teori

Fem år senere formulerte Einstein sin spesielle relativitetsteori, ti år senere kom mesterverket - den generelle relativitetsteori. Og på den tiden var den kvantefysiske revolusjon allerede langt på vei. Kvantemekanikken kom på 1920-tallet - osv.

Noen fristes kanskje til å tro at grunnen til at fysikken ikke lenger beveger seg i samme fart, er at vi nå vet det som trengs å vite. Man kan tross alt bare oppdage Amerika én gang…

Vi kunne ikke ta mer feil, skriver Lee Smolin i sin siste bok «The trouble with physics», med undertittelen «The rise of string theory, the fall of a science and what comes next».. Det tjuende århundre ga oss to geniale teorier - relativitetsteorien og kvantefysikken. Men bare det fakum at de eksisterer begge to, side ved side, viser at de er ufullstendige.

De to versjonene av hvordan verden fungerer, henger nemlig ikke sammen. Mens kvantefysikken kan beskrive partikler, kan den ikke forklare tyngdekraft. Med relativitetsteorien er det motsatt. Det vi må ha, er EN teori om verden. Har vi ikke det, er det noe vi ikke forstår.

Det var dette Einstein brukte siste halvdel av sitt liv på å grave seg ned i, og leser du Lee Smolin, forstår du etterhvert at han har stor tro på Einstein. Men Einstein kom aldri i mål. Klarer du å pløye deg gjennom bokas 392 til tider litt tunge, til tider opprivende, nærmest grøssende spennende sider, sitter du snarere igjen med inntrykket at vi i dag ikke vet noenting i det hele tatt, at vi famler i mørket.

Dette er nok ikke sant, og heller ikke et riktig bilde av forfatterens mening; Vet vet mye - ufattelig mye mer enn vanlige folk har fått med seg. Men det er altså noe grunnleggende som mangler.

Så ble det stille…

Tidlig på 1970-tallet kom Partikkelfysikkens standardmodel. En stor triumf, skriver Smolin. Standardmodellen viser oss hvordan protoner og nøytroner er bygget opp av kvarker, som igjen holdes sammen av gluoner, bærerne av den sterke kjernekraften. For første gang i historien hadde fysisk teori tatt igjen fysiske eksperimenter. Ingen har siden gjort et eksperiment som ikke har vært konsistent med standardmodellen eller generell relativitet, skriver han.


“Stille etter Hawking.”

Går vi fra det ekstremt lille, til det tilsvarende store, var Big bang-teorien på denne tiden blitt konsensus, Stephen Hawking hadde gjort fantastiske forutsigelser om at svarte hull avgir stråling og - i 1981 - la kosmologen Alan Guth fram scenariet med universets inflasjonsfase, altså hvordan universet gjennomgikk en enorm vekst, ekstremt tidlig i sin historie.

Og så ble det stille: «Then, in the early 1980s, things ground to a halt.»

Enter: Strengteori

På 1970-tallet kom også strengteoriene, lansert som, nettopp den endelige, forenende teorien - en teori om kvantegravitet.

Det finnes i dag en mengde ulike tilnærminger til denne fysikkens «hellige gral», men strengteorien er totalt dominerende - og dette er en del av det problemet, om ikke selve problemet, mener Lee Smolin

Det er imidlertid ikke vanskelig å forstå hvorfor strengteorien fenget: Den lovet mye, og i begynnelsen så alt ut til å gå dens vei. «Alle» trodde det store gjennombruddet var rett rundt hjørnet.

Sjokkerende mange er fremdeles villige til å vente på det som måtte runde hjørnet, mener Smolin - og det til tross for at strengteorien har svært lite å vise til - av konkrete resultater, resultater av den klassiske typen, som kan kontrolleres gjennom eksperimenter og observasjon.

Dristige hypoteser

Men om ikke strengteorien kan skilte med forutsigelser og data fra virkelighetens verden, kan den by på imponerende teoribygning, teorier som i en viss grad beskriver verden slik vi tror den er.

For å få til dette, måtte stengteoretikerne imidlertid stille en del dristige hypoteser, slik som at verden er bygget opp av et varierende antall usynlige dimensjoner, samt eksistensen av en lang rekke partikler, som ingen desverre har sett snurten av, så langt.

I tillegg til, selvfølgelig, at det vi tenker på som elementærpartikler bare er noe som oppstår fra vibrasjonene av en enkelt, langt mindre entitet, nemlig en streng, som adlyder enkle og vakre lover.

“Feil!”

Store deler av fysikkmiljøet tok helt av. Men før vi gjør det samme, smak på dette:

«De strengteoriene vi vet hvordan vi kan studere, vet vi også er feil.», skriver Smolin.

Eller som den ivrige strengteoretikeren Brian Greene skriver i sin glimende bok The Fabric of the Cosmos fra 2004: «Selv i dag, etter mer enn tre tiår, kan vi ikke engang gi et fullverdig svar på det mest rudimentære spørsmål, nemlig «Hva er strengteori?».»

Det finnes imidlertid strengteorier som beskriver deler av virkeligheten, men de har et annet problem å stri med:

Antallet strengteorier som kan beskrive en verden som stemmer med enkelte observerte fakta om universets størrelse (som for eksempel eksistensen av mørk energi - noe som fører til en positiv kosmologisk konstant), er 10 opphøyet i femhundre. Dette er et ett-tall med 500 nuller etter seg.

Strengteorien gir oss altså en ufattelig og følgelig uhåndterlig mengde ulike beskrivelser av virkeligheten, som antagelig ikke kan være riktige, alle sammen. Antallet som beskriver en verden med negativ kosmologisk konstant er uendelig…

Nokså vanskelig å jobbe med, altså.


“Vi har ingenting å være stolte av, skriver Lee Smolin.”

Ingen Nobelpriskandidater

Det er nok å la seg provsere av - eller oppildne av, alt etter som - i Lee Smolins siste bok.

For undertegnede, som desverre bare er utstyrt med normale sjelsevner, var fjerde og siste del den kanskje mest interessante. Her forsøker forfatteren å finne ut Hvorfor fysikken står stille.

Hvorfor, skriver han, med så mye innsats fra så mange talentfulle og godt utdannede vitenskapsfolk, har grunnleggende fysikk hatt så lite framgang de siste 25 årene? Det finnes ikke ett arbeid innen teoretisk elementærpartikkelfysikk de siste tre tiårene som kan anses som en sikker Nobelpriskandidat.

Og grunnen er at en av Nobelprisens vilkår er at resultater skal være sjekket gjennom eksperimenter. Du får ikke Nobelpriser for å være smart eller suksessrik - du får dem for å ha rett.

Ingenting å være stolte av

Jeg tilhører den føste generasjon som ble utdannet etter etableringen av Standardmodellen. Hva har min generasjon oppdaget, som vi kan være stolte av?, spør Lee Smolin et sted. «The answer, we have to admit, is «Nothing!».»

Ok, vi har gjort et par eksperimentelle oppdagelser, som at nøytrinoet har masse og at universet domineres av en mystisk mørk energi som synes å aksellerere universets utvidelse, snarere enn å dempe den.

Men vi har ingen formening om Hvorfor nøytrinoet (eller en hvilken som helst annen partikkel) har masse. Og den mørke energi kan ikke forklares ved hjelp av noen eksisterende teori.

Og det er ikke det at det er noen mangel på teorier, snarere tvert i mot.

Vi har nevnt overflødighetshornet av ulike versjoner av strengteorien, som i følge Smolin i beste fall bare er skjørtekanten av en langt større og mer dyptgripende teori, M-teori - en teori ingen kjenner eller kan formulere, men som mange fysikere snakker om som om den skulle være ferdig utviklet, legger han til.

I tillegg kan vi forholde oss til preonmodeller, technicolor-hypoteser, supersymmetri, gaucheteori, twistorteori, supergravity, dynamical triangulation, loop quantum gravity - for å nevne noen svært få av de ulike forsøkene på å forstå verden som Lee Smolin beskriver i løpet av bokas første noen hundre sider.

Og ettersom Smolin er en fair mann som gir alle en sjanse, og følgelig ikke setter opp noen fasit, blir dette periodevis tung lesning.

Et vitenskapssosiologisk problem

Problemet, for å gjøre en svært lang utredning kriminelt kort, er at strengteorierne i dag har sluttet å se på sine hypoteser som nettopp det, hypoteser, og i stedet forholder seg til strenger og høyere dimensjoner som om de skulle være etablerte fakta. Men, skriver Smolin:

*Strengteoriens føste problemet er at den ikke beskriver verden.

*Det andre problemet er at ingen vil innrømme det.

*Det tredje problemet er at strengteoretikerne likevel regjerer fysikkens verden.

Problemet er altså vel så mye et spørsmål om vitenskapssosiologi som manglende teori. Selv om vi selvsagt mangler den avgjørende innsikt. Men fysikken som fag må gjennomgå en sosiologisk endring, dersom vi skal kunne dyrke fram nettopp den typen hjerne som kan hjelpe oss videre.

Problemet kan kanskje illustreres ved det faktum at det i USA de siste 15 årene bare er blitt ansatt tre assistant professors som jobber med andre tilnærminger til kvantegravitet enn strengteori.

Strengteori har fått status av det vitenskapsfilosofen Thomas Kuhn kalte «normalvitenskap» - uten å fortjene det. Og det vi i dag trenger mer enn noensinne, er det motsatte, altså den Kuhnske paradigmebrytende «revolusjonerende vitenskap» - den som stiller spørsmålstegn med det vi tar for gitt.

Vi trenger de visjonære forskerne

Det vi må gjøre, et å åpne dørene for de visjonære forskerne, skriver han.

Mange av dagens utøvere av faget fysikk er brilliante, utrolig dyktige «håndverkere» - men de tenker innen etablerte rammer. Det vi trenger, er noen som kan se noe helt nytt. Vi trenger en Einstein, en Bohr, en Schrödinger - eller en Maxwell eller en Newton, kan vi legge til for egen regning.


“Arbeidsløs akademiker… Hvor er de visjonære forskere?”

Men utsiktene til en ny Einstein eller Bohr er ikke bare et spørsmål om det finnes hjerner store nok. Det gjelder å ha et akademisk system som ivaretar slike mennesker. Om Einstein i sin tid hadde vansker med å få akademisk jobb, ville han vært sjanseløs idag, mener forfatteren.

I våre tider har revolusjonerende nytenking nemlig dårligere kår enn noensinne tidligere.

En ting er at det rådende miljøet av strengteoretikere - til tross for sin manglende suksess - er svært lite åpne for nye tanker. En annen ting er at universiteter og forskningspolitikk i enda større grad enn tidligere styres av utsiktene til profitt og prestisje.

Og hvem vil du støtte økonomisk, spør Smolin. En ung forsker med gode forbindelser til verdens rådende fysikere, en mann som jobber innen de store programmene og som publiserer jevnt og trutt innen fysikkens rådende teorier? Eller en mann som ingen vil vedkjenne seg, som hevder at alt som er gjort de siste tiårene nok desverre er feil - og som derfor heller vil stake ut sin egen kurs?

Tilbake til klassisk fysikk

Skal vi ha en sjanse til å føre fysikken ut av en bakevja den har havnet i, er vi nødt til å la disse menneskene slippe til. For det finnes faktisk fysiske teorier om verden som gjør en bedre jobb enn strengteorien - og disse forholder seg - forfriskende nok - til klassisk vitenskapelig tenking, slik som at antagelser bør bekreftes av observasjon.

I bokas tredje del, «Beyond String Theory», med forfriskende kapittelnavn som «Surprises from the real world» og «Building on Einstein», begynner optimismen på ny å krype inn i teksten.

I et av disse kapitlene, «Physics after string theory», avslører forfatteren hvor han tror hunden ligger begravet.

«Jeg tror vi misser noe helt sentralt, jeg tror vi gjør noen helt gale antagelser - men vi ser dem ikke, for vi tar dem for gitt»

«Men hvilke antagelser? Mitt tips er at de involverer to ting: Kvantefysikkens fundament og spørsmålet om hva «tid» egentlig er.»

Faller kvantefysikken?

Det var her jeg som leser ble mest overrasket. Vi er jo flasket opp med vissheten om at selv om kvantefysikken fremstår som paradoksal - så ER den korrekt, og det er ALLE fysikere enige om.

Men det finnes folk som tror den rett og slett er feil. Smolin er en av dem. En annen av verdens fremste teoretikere, Gerard ‘t Hooft en annen.

At Einsteins relativitetsteori også enten kan være feil, eller kan trenge korreksjon, har jeg imidlertid fått med meg. Smolin er en stor tilhenger av Einstein, som sagt, men han holder døra på gløtt. Og her finner vi en av grunnene til at strengteoriene kan være feil:

Strengteori baserer hele sin eksistens på at den generelle relativitetsteori er korrekt. Faller den ene, faller den andre.

Som sagt - dette er vanskelig lesning, men klarer du å komme deg igjennom, blir du rikt belønnet. Ikke med den endelige innsikt i universets mysterier, men med en skisse av hvor problemene for vårt verdensbilde kan ligge.

Antagelig vil du, som undertegnede, føle et behov for å starte forfra igjen, straks du er ferdig…

 

The trouble with physics - The rise of string theory, the fall of a science and what comes next
av Lee Smolin
Allen Lane, Penguin Books, 2007
416 sider

Annonse

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.

Annonse

Annonse