Χρειαζόμαστε μια Θεωρία των Πάντων;
Με ρωτούν συνεχώς αν θα μπορούσα να σχολιάσω τις θεωρίες άλλων ανθρώπων για τα πάντα. Αυτό θα μπορούσε να είναι η θεωρία E8 του Garrett Lisi ή η γεωμετρική ενότητα του Eric Weinstein ή η ιδέα του Stephen Wolfram ότι το σύμπαν δεν είναι παρά ένα μεγάλο γράφημα και ούτω καθεξής. Καλα τοτε. Επιτρέψτε μου να σας πω τι πιστεύω για αυτό. Αλλά φοβάμαι ότι μπορεί να μην είναι αυτό που θέλατε να ακούσετε.
Πριν ξεκινήσουμε, επιτρέψτε μου να σας υπενθυμίσω τι εννοούν οι φυσικοί με τον όρο «Θεωρία των πάντων». Για όλα όσα γνωρίζουμε επί του παρόντος, το σύμπαν και τα πάντα σε αυτό συγκρατούνται από τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις. Αυτή είναι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ισχυρή και η ασθενής πυρηνική δύναμη και η βαρύτητα. Όλες οι άλλες δυνάμεις που γνωρίζετε, για παράδειγμα, η δύναμη van der Waals ή η μυϊκή δύναμη ή η δύναμη που σας τραβάει προς τα κάτω μια άπειρη ακολουθία συνδέσμων στη Wikipedia, αυτές είναι όλες μη θεμελιώδεις δυνάμεις που προέρχονται από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις . Τουλάχιστον κατ' αρχήν.
Τώρα, τρεις από τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, η ηλεκτρομαγνητική και η ισχυρή και ασθενής πυρηνική δύναμη, είναι του ίδιου τύπου. Συλλέγονται σε αυτό που είναι γνωστό ως το τυπικό μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Οι τρεις δυνάμεις στο τυπικό μοντέλο περιγράφονται από τις κβαντικές θεωρίες πεδίου που σημαίνει, με λίγα λόγια, ότι όλα τα σωματίδια υπακούουν στις αρχές της κβαντικής μηχανικής, όπως η αρχή της αβεβαιότητας, και μπορούν να μπερδευτούν και ούτω καθεξής. Η βαρύτητα, ωστόσο, περιγράφεται από τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν και δεν γνωρίζει τίποτα για την κβαντική μηχανική, επομένως ξεχωρίζει από τις άλλες τρεις δυνάμεις. Αυτό είναι ένα πρόβλημα γιατί γνωρίζουμε ότι όλα τα κβαντικά σωματίδια στο τυπικό μοντέλο έχουν βαρυτική έλξη. Αλλά δεν ξέρουμε πώς λειτουργεί αυτό. Απλώς δεν έχουμε μια θεωρία για να περιγράψουμε πώς έλκονται τα στοιχειώδη σωματίδια. Για αυτό, θα χρειαζόμασταν μια θεωρία για την κβαντική συμπεριφορά της βαρύτητας, μια θεωρία της «κβαντικής βαρύτητας», όπως λέγεται.
Χρειαζόμαστε μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας γιατί η γενική σχετικότητα και το τυπικό μοντέλο είναι μαθηματικά ασύμβατα. Μέχρι στιγμής, αυτό είναι ένα καθαρά θεωρητικό πρόβλημα γιατί με τα πειράματα που μπορούμε να κάνουμε αυτή τη στιγμή, δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσουμε κβαντική βαρύτητα. Σε όλα τα επί του παρόντος πιθανά πειράματα, είτε μετράμε τα κβαντικά φαινόμενα, αλλά τότε οι μάζες των σωματιδίων είναι τόσο μικρές που δεν μπορούμε να μετρήσουμε τη βαρυτική τους έλξη. Ή μπορούμε να παρατηρήσουμε τη βαρυτική έλξη ορισμένων αντικειμένων, αλλά τότε δεν έχουν κβαντική συμπεριφορά. Έτσι, αυτή τη στιγμή δεν χρειαζόμαστε την κβαντική βαρύτητα για να περιγράψουμε πραγματικά οποιαδήποτε παρατήρηση. Ωστόσο, αυτό ελπίζουμε να αλλάξει τις επόμενες δεκαετίες. Μίλησα για αυτό σε παλιότερο βίντεο.
Εκτός από τη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας που λείπει, υπάρχουν διάφορα άλλα ζητήματα που έχουν οι φυσικοί με το τυπικό μοντέλο. Το πιο αξιοσημείωτο είναι ότι, ενώ οι τρεις δυνάμεις στο τυπικό μοντέλο είναι όλες του ίδιου τύπου, είναι επίσης όλες διαφορετικές στο ότι κάθε μία από αυτές ανήκει σε διαφορετικό τύπο συμμετρίας. Οι φυσικοί θα προτιμούσαν όλες αυτές τις δυνάμεις ενοποιημένες σε μία, πράγμα που σημαίνει ότι όλες θα προέρχονταν από την ίδια μαθηματική δομή.
Σε πολλές περιπτώσεις αυτή η δομή είναι μια μεγάλη ομάδα συμμετρίας. Εφόσον δεν το παρατηρούμε αυτό, η ιδέα είναι ότι η μεγάλη συμμετρία θα εκδηλωνόταν μόνο σε ενέργειες τόσο υψηλές που δεν μπορέσαμε ακόμη να τις δοκιμάσουμε. Στις ενέργειες που το έχουμε δοκιμάσει μέχρι τώρα, θα έπρεπε να σπάσει η συμμετρία, κάτι που δημιουργεί το τυπικό μοντέλο. Αυτή η ενοποίηση των δυνάμεων του τυπικού μοντέλου ονομάζεται «μεγάλη ενοποίηση» ή «μεγάλη ενοποιημένη θεωρία», εν συντομία GUT.
Αυτό που εννοούν οι φυσικοί με τον όρο θεωρία των πάντων είναι τότε μια θεωρία από την οποία προέρχονται και οι τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις. Αυτό σημαίνει ότι είναι και μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία και μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.
Αυτό ακούγεται σαν μια ωραία ιδέα, ναι. Αλλά. Δεν υπάρχει κανένας λόγος η φύση να περιγράφεται πραγματικά από μια θεωρία των πάντων. Ενώ εμείς κάνουμε χρειάζονται μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας για να αποφευχθεί η λογική ασυνέπεια στους νόμους της φύσης, οι δυνάμεις στο τυπικό μοντέλο δεν χρειάζεται να ενοποιηθούν και δεν χρειάζεται να ενοποιηθούν με τη βαρύτητα. Θα ήταν όμορφο, ναι, αλλά είναι περιττό. Το τυπικό μοντέλο λειτουργεί μια χαρά χωρίς ενοποίηση.
Έτσι, όλη αυτή η ιδέα μιας θεωρίας των πάντων βασίζεται σε μια αντιεπιστημονική υπόθεση. Μερικοί άνθρωποι θα ήθελαν οι νόμοι της φύσης να είναι όμορφοι με πολύ συγκεκριμένο τρόπο. Θέλουν να είναι απλό, θέλουν να είναι συμμετρικό, θέλουν να είναι φυσικό, και εδώ πρέπει να σας προειδοποιήσω ότι το "φυσικό" είναι ένας τεχνικός όρος. Έτσι έχουν μια ιδέα για το τι θέλουν να είναι αληθινό. Μετά σκοντάφτουν πάνω σε κάποιο κομμάτι μαθηματικών που τους φαίνεται ιδιαίτερα όμορφο και πείθονται ότι σίγουρα πρέπει να παίζει ρόλο για τους νόμους της φύσης. Εν συντομία, επινοούν μια θεωρία για το τι πιστεύουν ότι το σύμπαν πρέπει να είναι σαν.
Αυτή απλά δεν είναι μια καλή στρατηγική για την ανάπτυξη επιστημονικών θεωριών και όχι, σίγουρα δεν είναι τυπική μεθοδολογία. Πράγματι, συμβαίνει το αντίθετο. Το να στηριζόμαστε στην ομορφιά στη θεωρητική ανάπτυξη έχει λειτουργήσει άσχημα ιστορικά. Στη φυσική, οι ανακαλύψεις στη θεωρία-ανάπτυξη προήλθαν από την επίλυση μαθηματικών ασυνεπειών. Έχω γράψει κυριολεκτικά ένα βιβλίο για το πόσο προβληματικό είναι να επιμένουν οι ερευνητές στα θεμέλια της φυσικής να χρησιμοποιούν μεθόδους ανάπτυξης θεωρίας που δεν έχουμε κανένα λόγο να πιστεύουμε ότι πρέπει να λειτουργούν και που στην πραγματικότητα δεν λειτουργούν.
Η αναζήτηση για μια θεωρία των πάντων και για τη μεγάλη ενοποίηση ξεκίνησε τη δεκαετία του 1980. Στο βαθμό που οι θεωρίες που έχουν καταλήξει οι φυσικοί ήταν παραποιήσιμες, έχουν παραποιηθεί. Η φύση σαφώς δεν δίνει δεκάρα σε αυτό που οι φυσικοί πιστεύουν ότι είναι αρκετά μαθηματικά.
Τούτου λεχθέντος, τι πιστεύετε για τις προσπάθειες της Lisi, του Weinstein και του Wolfram για μια θεωρία των πάντων; Λοιπόν, η επιστημονική ιστορία μας διδάσκει ότι η μέθοδός τους να μαντεύουν κάποιο όμορφο κομμάτι των μαθηματικών και να ελπίζουν ότι είναι χρήσιμο για κάτι είναι εξαιρετικά απρόβλεπτη. Δεν είναι αδύνατο να λειτουργεί, αλλά είναι σχεδόν σίγουρα χάσιμο χρόνου. Και έχω κοιτάξει αρκετά προσεκτικά τις θεωρίες της Lisi, του Weinstein και του Wolfram και πολλών άλλων ανθρώπων για τα πάντα, ώστε να μπορώ να σας πω ότι δεν έχουν λύσει πειστικά κανένα πραγματικό πρόβλημα στις υπάρχουσες θεμελιώδεις θεωρίες. Και δεν με ενδιαφέρει να κοιτάξω πιο κοντά, γιατί δεν θέλω επίσης να χάσω τον χρόνο μου.
Αλλά δεν μου αρέσει να σχολιάζω τις θεωρίες μεμονωμένων ανθρώπων για τα πάντα. Δεν μου αρέσει γιατί μου φαίνεται πολύ άδικο. Πρόκειται κυρίως για ερευνητές που εργάζονται μόνοι τους ή σε μικρές ομάδες. Είναι πολύ αφοσιωμένοι στην επιδίωξή τους και εργάζονται απίστευτα σκληρά σε αυτό. Ως επί το πλείστον δεν πληρώνονται από χρήματα από τους φόρους, επομένως είναι πραγματικά προσωπική τους υπόθεση και ποιος είμαι εγώ να τους κρίνω; Επίσης, πολλοί από εσάς προφανώς βρίσκετε διασκεδαστικό να έχετε ιδιοφυΐες με τις θεωρίες τους για τα πάντα γύρω σας. Όλα καλά με μένα.
Αντιμετωπίζω πρόβλημα εάν οι θεωρίες που παρόλο που αποδείχθηκαν άχρηστες εξελιχθούν σε μεγάλα, φορολογημένα ερευνητικά προγράμματα που απασχολούν χιλιάδες ανθρώπους, όπως συνέβη με τη θεωρία χορδών και την υπερσυμμετρία και τη μεγάλη ενοποίηση. Αυτό δημιουργεί πρόβλημα γιατί καταναλώνει πόρους και μπορεί να σταματήσει εντελώς την πρόοδο, κάτι που έχει συμβεί στα θεμέλια της φυσικής.
Άνθρωποι όπως η Lisi και ο Weinstein και ο Wolfram τουλάχιστον μας θυμίζουν ότι τα μεγάλα προγράμματα δεν είναι το μόνο πράγμα που μπορείτε να κάνετε με τα μαθηματικά. Έτσι, όσο περίεργο ακούγεται, αν και δεν νομίζω ότι η συγκεκριμένη ερευνητική τους λεωφόρος είναι πιο ελπιδοφόρα από τη θεωρία χορδών, χαίρομαι που το κάνουν ούτως ή άλλως. Πράγματι, η φυσική μπορεί να χρειαστεί περισσότερους ανθρώπους σαν αυτούς που έχουν το θάρρος να ακολουθήσουν το δικό τους δρόμο, όσο δύσκολο κι αν είναι.
Η σύντομη περίληψη είναι ότι αν ακούσετε κάτι για μια πρόσφατα προτεινόμενη θεωρία των πάντων, μην ρωτήσετε εάν τα μαθηματικά είναι σωστά. Επειδή πολλοί από τους ανθρώπους που εργάζονται σε αυτό είναι πραγματικά έξυπνοι και ξέρουν τα μαθηματικά τους και μάλλον είναι σωστά. Το ερώτημα που πρέπει να κάνετε εσείς και όλοι οι δημοσιογράφοι της επιστήμης που αναφέρουν τέτοια πράγματα είναι ποιος λόγος πρέπει να πιστεύουμε ότι αυτό το συγκεκριμένο κομμάτι των μαθηματικών έχει κάποια σχέση με την πραγματικότητα. Το "Επειδή είναι όμορφο" δεν είναι επιστημονική απάντηση. Και δεν έχω δει ποτέ μια θεωρία για όλα όσα έδωσε μια ικανοποιητική επιστημονική απάντηση σε αυτό το ερώτημα.
Η Sabine Hossenfelder είναι Ερευνητής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών της Φρανκφούρτης όπου εργάζεται στη φυσική πέρα από το τυπικό μοντέλο, τη φαινομενολογική κβαντική βαρύτητα και τις τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας. Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για το τι πάει στραβά με τα θεμέλια της φυσικής, διαβάστε το βιβλίο της Lost in Math:How Beauty Leads Physics Aways.
Αυτή η ανάρτηση δημοσιεύθηκε αρχικά στις Backreaction, το ιστολόγιο του Hossenfelder και η αναδημοσίευσή του με άδεια.
