Όταν η ομορφιά μπαίνει στο δρόμο της επιστήμης
Τα μεγαλύτερα νέα στη σωματιδιακή φυσική δεν είναι νέα. Τον Μάρτιο πραγματοποιήθηκε ένα από τα σημαντικότερα συνέδρια του χώρου, το Rencontres de Moriond. Είναι μια ετήσια συνάντηση στην οποία οι πειραματικές συνεργασίες παρουσιάζουν προκαταρκτικά αποτελέσματα. Ωστόσο, τα πρόσφατα δεδομένα από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), τον μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, δεν αποκάλυψαν τίποτα νέο.
Πριν από σαράντα χρόνια, οι φυσικοί των σωματιδίων θεωρούσαν τους εαυτούς τους κοντά σε μια τελική θεωρία για τη δομή της ύλης. Εκείνη την εποχή, διατύπωσαν το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής για να περιγράψουν τα στοιχειώδη συστατικά της ύλης και τις αλληλεπιδράσεις τους. Μετά από αυτό, αναζήτησαν τα προβλεπόμενα, αλλά εξακολουθούν να λείπουν, σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου. Το 2012, επιβεβαίωσαν το τελευταίο σωματίδιο που λείπει, το μποζόνιο Higgs.
Το μποζόνιο Higgs είναι απαραίτητο για να κατανοήσει το υπόλοιπο του Καθιερωμένου Μοντέλου. Χωρίς αυτό, τα άλλα σωματίδια δεν θα είχαν μάζα, και οι πιθανότητες δεν θα αθροίζονται σωστά σε μία. Τώρα, με το Higgs στην τσάντα, το Standard Model έχει ολοκληρωθεί. όλα τα Pokémon πιάστηκαν.
Το Καθιερωμένο Μοντέλο μπορεί να είναι η καλύτερη βολή των φυσικών στη δομή της θεμελιώδους ύλης, αλλά τους αφήνει ανήμπορους. Πολλοί φυσικοί των σωματιδίων πιστεύουν ότι είναι απλώς πολύ άσχημο για να είναι η τελευταία λέξη της φύσης. Τα 25 σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου μπορούν να ταξινομηθούν από τρεις τύπους συμμετριών που αντιστοιχούν σε τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις:την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και τις ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις. Οι φυσικοί, ωστόσο, θα προτιμούσαν να υπάρχει μόνο μία ενοποιημένη δύναμη. Θα ήθελαν επίσης να δουν έναν εντελώς νέο τύπο συμμετρίας, τη λεγόμενη «υπερσυμμετρία», γιατί αυτό θα ήταν πιο ελκυστικό. Α, και οι πρόσθετες διαστάσεις του χώρου θα ήταν όμορφες. Και ίσως και παράλληλα σύμπαντα. Η λίστα επιθυμιών τους είναι μεγάλη.
Έχει γίνει κοινή πρακτική μεταξύ των σωματιδιακών φυσικών να χρησιμοποιούν επιχειρήματα από την ομορφιά για να επιλέξουν τις θεωρίες που θεωρούν άξιες περαιτέρω μελέτης. Αυτά τα κριτήρια ομορφιάς είναι υποκειμενικά και δεν βασίζονται σε στοιχεία, αλλά πιστεύεται ευρέως ότι είναι καλοί οδηγοί για την ανάπτυξη της θεωρίας. Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα κριτήρια ομορφιάς στα θεμέλια της φυσικής είναι προς το παρόν η απλότητα και η φυσικότητα.
Με τον όρο «απλότητα», δεν εννοώ τη σχετική απλότητα, την ιδέα ότι η απλούστερη θεωρία είναι η καλύτερη (γνωστή και ως «ξυράφι του Όκαμ»). Το να βασίζεσαι στη σχετική απλότητα είναι καλή επιστημονική πρακτική. Η επιθυμία μια θεωρία να είναι απλή σε απόλυτους όρους, αντίθετα, είναι ένα κριτήριο από την ομορφιά:Δεν υπάρχει βαθύς λόγος που οι νόμοι της φύσης πρέπει να είναι απλοί. Στα θεμέλια της φυσικής, αυτή η επιθυμία για απόλυτη απλότητα εμφανίζεται επί του παρόντος στην ελπίδα των φυσικών για ενοποίηση ή, αν την προωθήσετε ένα επίπεδο παραπέρα, στην αναζήτηση μιας «θεωρίας των πάντων» που θα συγχωνεύσει τις τρεις δυνάμεις του Καθιερωμένου Μοντέλου με βαρύτητα.
Το άλλο κριτήριο ομορφιάς, η φυσικότητα, απαιτεί ότι οι καθαροί αριθμοί που εμφανίζονται σε μια θεωρία (δηλαδή αυτοί χωρίς μονάδες) δεν πρέπει να είναι ούτε πολύ μεγάλοι ούτε πολύ μικροί. Αντίθετα, αυτοί οι αριθμοί θα πρέπει να είναι κοντά στο ένα. Το πόσο κοντά θα πρέπει να είναι αυτοί οι αριθμοί σε ένα είναι αμφισβητήσιμο, πράγμα που αποτελεί ήδη ένδειξη του μη επιστημονικού χαρακτήρα αυτού του επιχειρήματος. Πράγματι, η αδυναμία των φυσικών των σωματιδίων να ποσοτικοποιήσουν ακριβώς τη στιγμή που η έλλειψη φυσικότητας γίνεται προβληματική υπογραμμίζει ότι το γεγονός ότι μια αφύσικη θεωρία είναι εντελώς απροβλημάτιστη. Απλώς δεν είναι όμορφο.
Όποιος ρίξει μια ματιά στη βιβλιογραφία των θεμελίων της φυσικής θα δει ότι το να βασίζεσαι σε τέτοια επιχειρήματα από την ομορφιά είναι ένα σημαντικό ρεύμα στον τομέα εδώ και δεκαετίες. Έχει διαδοθεί από μεγάλους παίκτες του χώρου, συμπεριλαμβανομένων των Steven Weinberg, Frank Wilczek, Edward Witten, Murray Gell-Mann και Sheldon Glashow. Αμέτρητα βιβλία έκαναν δημοφιλή την ιδέα ότι οι νόμοι της φύσης πρέπει να είναι όμορφοι, γραμμένα, μεταξύ άλλων, από τους Brian Greene, Dan Hooper, Gordon Kane και Anthony Zee. Πράγματι, αυτή η συζήτηση για την ομορφιά συνεχίζεται για τόσο καιρό που σε αυτό το σημείο φαίνεται πιθανό ότι οι περισσότεροι άνθρωποι αυτή τη στιγμή στον τομέα προσελκύθηκαν από αυτήν εξαρχής. Μικρή έκπληξη, λοιπόν, φαίνεται ότι δεν μπορούν να το παρατήσουν.
Το πρόβλημα είναι ότι το να βασίζεσαι στην ομορφιά ως οδηγό για νέους νόμους της φύσης δεν λειτουργεί.
Από τη δεκαετία του 1980, δεκάδες πειράματα αναζήτησαν στοιχεία για ενοποιημένες δυνάμεις και υπερσυμμετρικά σωματίδια και άλλα σωματίδια που εφευρέθηκαν για να ωραιοποιήσουν το Καθιερωμένο Μοντέλο. Οι φυσικοί έχουν υποθέσει εκατοντάδες υποθετικά σωματίδια, από «gluinos» και «wimps» μέχρι «branons» και «cuscutons», καθένα από τα οποία επινόησαν για να διορθώσουν μια αντιληπτή έλλειψη ομορφιάς στις υπάρχουσες θεωρίες. Αυτά τα σωματίδια υποτίθεται ότι βοηθούν την ομορφιά, για παράδειγμα, αυξάνοντας την ποσότητα των συμμετριών, ενοποιώντας δυνάμεις ή εξηγώντας γιατί ορισμένοι αριθμοί είναι μικροί. Δυστυχώς, ούτε ένα από αυτά τα σωματίδια δεν έχει δει ποτέ. Οι μετρήσεις απλώς επιβεβαίωσαν το Καθιερωμένο Μοντέλο ξανά και ξανά. Και μια θεωρία των πάντων, αν υπάρχει, είναι τόσο άπιαστη σήμερα όσο ήταν τη δεκαετία του 1970. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων είναι μόνο ο πιο πρόσφατος σε μια μακρά σειρά αναζητήσεων που απέτυχαν να επιβεβαιώσουν αυτές τις προβλέψεις που βασίζονται στην ομορφιά.
Αυτές οι δεκαετίες αποτυχίας δείχνουν ότι η διατύπωση νέων νόμων της φύσης μόνο και μόνο επειδή είναι όμορφοι σύμφωνα με τα ανθρώπινα πρότυπα δεν είναι ένας καλός τρόπος για να τεθούν επιστημονικές υποθέσεις. Δεν είναι η πρώτη φορά που συμβαίνει αυτό. Ιστορικά προηγούμενα δεν είναι δύσκολο να βρεθούν. Το να βασίζεσαι στην ομορφιά δεν λειτούργησε για τα πλατωνικά στερεά του Κέπλερ, δεν λειτούργησε για την ιδέα του Αϊνστάιν για ένα αιώνια αμετάβλητο σύμπαν και δεν λειτούργησε για την πολύ όμορφη ιδέα, δημοφιλής στα τέλη του 19ου αιώνα, ότι τα άτομα είναι κόμπους σε έναν αόρατο αιθέρα. Όλες αυτές οι θεωρίες κάποτε θεωρούνταν όμορφες, αλλά σήμερα είναι γνωστό ότι είναι λανθασμένες. Οι φυσικοί μου έχουν πει επανειλημμένα για όμορφες ιδέες που δεν αποδείχθηκαν καθόλου όμορφες. Αυτή η εκ των υστέρων αντίληψη δεν είναι απόδειξη ότι τα επιχειρήματα από την ομορφιά λειτουργούν, αλλά μάλλον ότι η αντίληψή μας για την ομορφιά αλλάζει με την πάροδο του χρόνου.
Το ότι η ομορφιά είναι υποκειμενική δεν αποτελεί καινοτομία, αλλά οι φυσικοί αργούν να μάθουν το μάθημα - και αυτό έχει συνέπειες. Τα πειράματα που δοκιμάζουν υποθέσεις με κακό κίνητρο διατρέχουν υψηλό κίνδυνο να βρουν μόνο μηδενικά αποτελέσματα. δηλαδή να επιβεβαιωθούν οι υπάρχουσες θεωρίες και να μην δούμε στοιχεία νέων επιπτώσεων. Αυτό συμβαίνει στα θεμέλια της φυσικής εδώ και 40 χρόνια. Και με τα νέα αποτελέσματα LHC, συνέβη για άλλη μια φορά.
Τα δεδομένα που αναλύθηκαν μέχρι στιγμής δεν δείχνουν στοιχεία για υπερσυμμετρικά σωματίδια, επιπλέον διαστάσεις ή οποιαδήποτε άλλη φυσική που δεν θα ήταν συμβατή με το Καθιερωμένο Μοντέλο. Τα τελευταία δύο χρόνια, οι φυσικοί των σωματιδίων ήταν ενθουσιασμένοι για μια ανωμαλία στους ρυθμούς αλληλεπίδρασης διαφορετικών λεπτονίων. Το Καθιερωμένο Μοντέλο προβλέπει ότι αυτά τα ποσοστά θα πρέπει να είναι πανομοιότυπα, αλλά τα δεδομένα δείχνουν μια μικρή διαφορά. Αυτή η «ανωμαλία λεπτονίων» έχει επιμείνει στα νέα δεδομένα, αλλά - ενάντια στις ελπίδες των σωματιδιακών φυσικών - δεν αυξήθηκε σε σημασία, επομένως δεν είναι σημάδι για νέα σωματίδια. Οι συνεργασίες του LHC πέτυχαν να μετρήσουν την παραβίαση της συμμετρίας στη διάσπαση των σύνθετων σωματιδίων που ονομάζονται «D-μεσόνια», αλλά το μετρούμενο αποτέλεσμα είναι, για άλλη μια φορά, σύμφωνο με το Καθιερωμένο Μοντέλο. Τα δεδομένα επαναλαμβάνονται πεισματικά:Δεν υπάρχει τίποτα νέο για να δείτε εδώ.
Φυσικά, είναι πιθανό να υπάρχει κάτι να βρεθεί στα δεδομένα που πρέπει να αναλυθούν ακόμη. Αλλά σε αυτό το σημείο γνωρίζουμε ήδη ότι όλες οι προηγούμενες προβλέψεις για τη νέα φυσική ήταν λανθασμένες, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει πλέον λόγος να περιμένουμε κάτι νέο να εμφανιστεί.
Ναι, τα μηδενικά αποτελέσματα—όπως οι πρόσφατες μετρήσεις LHC—είναι επίσης αποτελέσματα. Αποκλείουν κάποιες υποθέσεις. Αλλά τα μηδενικά αποτελέσματα δεν είναι πολύ χρήσιμα αποτελέσματα εάν θέλετε να αναπτύξετε μια νέα θεωρία. Ένα μηδενικό αποτέλεσμα λέει:"Ας μην πάμε έτσι". Ένα αποτέλεσμα λέει:«Ας πάμε έτσι». Εάν υπάρχουν πολλοί τρόποι να ακολουθήσετε, η απόρριψη μερικών από αυτούς δεν βοηθάει πολύ.
Για να βρούμε το δρόμο προς τα εμπρός στα θεμέλια της φυσικής, χρειαζόμαστε αποτελέσματα, όχι μηδενικά αποτελέσματα. Όταν η δοκιμή νέων υποθέσεων απαιτεί χρόνο κατασκευής δεκαετιών και δισεκατομμύρια δολάρια, πρέπει να προσέχουμε σε τι να επενδύσουμε. Τα πειράματα έχουν γίνει πολύ δαπανηρά για να βασιστούμε σε τυχαίες ανακαλύψεις. Οι μέθοδοι που βασίζονται στην ομορφιά ιστορικά δεν έχουν αποδώσει. Ακόμα δεν λειτουργούν. Είναι καιρός να το λάβουν υπόψη οι φυσικοί.
Και δεν είναι ότι η έλλειψη ομορφιάς είναι το μόνο πρόβλημα με τις τρέχουσες θεωρίες στα θεμέλια της φυσικής. Υπάρχουν καλοί λόγοι να πιστεύουμε ότι η φυσική δεν έχει τελειώσει. Το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν μπορεί να είναι η τελευταία λέξη, κυρίως επειδή δεν περιέχει βαρύτητα και δεν λαμβάνει υπόψη τις μάζες των νετρίνων. Επίσης, δεν περιγράφει ούτε τη σκοτεινή ύλη ούτε τη σκοτεινή ενέργεια, που είναι απαραίτητες για την εξήγηση των γαλαξιακών δομών.
Άρα, ξεκάθαρα, τα θεμέλια της φυσικής έχουν προβλήματα που απαιτούν απαντήσεις. Οι φυσικοί πρέπει να επικεντρωθούν σε αυτά. Και επί του παρόντος δεν έχουμε κανένα λόγο να πιστεύουμε ότι η σύγκρουση σωματιδίων στις επόμενες υψηλότερες ενέργειες θα βοηθήσει στην επίλυση οποιουδήποτε από τα υπάρχοντα προβλήματα. Τα νέα φαινόμενα μπορεί να μην εμφανιστούν έως ότου οι ενέργειες είναι ένα δισεκατομμύριο φορές υψηλότερες από αυτές που θα μπορούσε να ανιχνεύσει ακόμη και ο επόμενος μεγαλύτερος επιταχυντής. Για να σημειώσουν πρόοδο, λοιπόν, οι φυσικοί πρέπει, πρώτα και κύρια, να διδαχθούν από τις αποτυχημένες προβλέψεις τους.
Μέχρι στιγμής δεν έχουν. Το 2016, οι σωματιδιακοί φυσικοί Howard Baer, Vernon Barger και Jenny List έγραψαν ένα δοκίμιο για το Scientific American υποστηρίζοντας ότι χρειαζόμαστε έναν μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων για να «σώσουμε τη φυσική». Ο λόγος? Μια θεωρία που είχαν προτείνει οι ίδιοι οι συγγραφείς, που είναι φυσική (όμορφη!) με συγκεκριμένο τρόπο, προβλέπει ότι ένας τόσο μεγαλύτερος επιταχυντής θα πρέπει να δει νέα σωματίδια. Αυτόν τον Μάρτιο, ο Κέιν, ένας φυσικός σωματιδίων, χρησιμοποίησε παρόμοια επιχειρήματα που βασίζονται στην ομορφιά σε ένα δοκίμιο για το Physics Today . Και ένα πρόσφατο σχόλιο στο Nature Reviews Physics σχετικά με έναν μεγάλο, νέο επιταχυντή σωματιδίων που σχεδιάστηκε στην Ιαπωνία για άλλη μια φορά βασίστηκε στα ίδια κίνητρα από τη φυσικότητα που δεν έχουν ήδη λειτουργήσει για τον LHC. Ακόμη και οι φυσικοί των σωματιδίων που παραδέχτηκαν ότι οι προβλέψεις τους απέτυχαν δεν θέλουν να εγκαταλείψουν τις υποθέσεις που βασίζονται στην ομορφιά. Αντίθετα, υποστήριξαν ότι χρειαζόμαστε περισσότερα πειράματα για να ελέγξουμε πόσο λάθος είναι.
Αυτός ο τελευταίος γύρος μηδενικών αποτελεσμάτων θα πείσει επιτέλους τους σωματιδιακούς φυσικούς ότι χρειάζονται νέες μεθόδους θεωρίας-ανάπτυξης; Σίγουρα το ελπίζω.
Ως πρώην σωματιδιακός φυσικός ο ίδιος, καταλαβαίνω πολύ καλά την επιθυμία να έχουμε μια συνολική θεωρία για τη δομή της ύλης. Μπορώ επίσης να σχετιστώ με την ελκυστικότητα των θεωριών όπως η υπερσυμμετρία ή η θεωρία χορδών. Και, ναι, μου αρέσει πολύ η ιδέα ότι ζούμε σε ένα από τα άπειρα σύμπαντα που μαζί αποτελούν το «πολύσύμπαν». Όμως, καθώς τα τελευταία αποτελέσματα LHC οδηγούν στο σπίτι για άλλη μια φορά, οι νόμοι της φύσης ενδιαφέρονται πολύ λίγο για το τι βρίσκουν όμορφο οι άνθρωποι.
Η Sabine Hossenfelder είναι η συγγραφέας του Lost in Math:How Beauty Leads Physics Again. Είναι ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών της Φρανκφούρτης όπου εργάζεται στη φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο, τη φαινομενολογική κβαντική βαρύτητα και τις τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας.
