KPIΣH ΣTHN AIXMH THΣ ΦYΣIKHΣ

Των Adam Frank και Marcelo Gleiser από τους New York Times, 5 Iουνίου 2015

Χρειάζονται οι φυσικοί εμπειρικές αποδείξεις για να επιβεβαιώσουν τις θεωρίες τους;

Ίσως νομίζετε ότι η απάντηση είναι προφανώς καταφατική αφού η πειραματική επικύρωση τη θεωρίας καταλαμβάνει κεντρική θέση στην επιστημονική μέθοδο. Όμως η ολοένα οξύτερη διένεξη των ερευνητών στα σύνορα της φυσικής και της κοσμολογίας υποδηλώνει ότι τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά.

Πριν από λίγους μήνες στο περιοδικό Nature δύο κορυφαίοι ερευνητές, ο Τζορτζ Έλλις και ο Τζόζεφ Σιλκ, δημοσίευσαν ένα αμφιλεγόμενο άρθρο με τίτλο «Επιστημονική Μέθοδος: Υπερασπιστείτε την ακεραιότητα της Φυσικής». Αντικείμενο της κριτικής τους ήταν η καινοφανής προθυμία ορισμένων επιστημόνων να παραμερίσουν πλήρως την απαίτηση πειραματικής επιβεβαίωσης των πιο μεγαλεπήβολων κοσμολογικών θεωριών της εποχής μας εφόσον αυτές είναι «αρκούντως κομψές και με ερμηνευτική δύναμη». Παρόλο που εργάζονται στην αιχμή της γνώσης, οι επιστήμονες αυτοί σύμφωνα με τους καθηγητές Έλλις και Σιλκ, «απομακρύνονται από την μακραίωνη φιλοσοφική παράδοση που όριζε την επιστημονική γνώση ως εμπειρική.»

Ανεξάρτητα από το αν συμφωνείτε ή διαφωνείτε μαζί τους, οι Έλλις και Σιλκ αναγνώρισαν μια διαρκώς πιεστικότερη ανησυχία σχετικά με τη σύγχρονη θεμελιώδη φυσική: Οι πιο φιλόδοξες θεωρίες της σύγχρονης φυσικής φαίνεται να έρχονται σε αντίθεση με την ίδια την εμπειρική μεθοδολογία που τους προσέδιδε ιστορικά αξιοπιστία.

Πώς φτάσαμε σ' αυτό το αδιέξοδο; Κατά κάποιον τρόπο το ορόσημο της ανίχνευσης πριν από τρία χρόνια του φευγαλέου σωματιδίου με το όνομα «μποζόνιο Higgs» από ερευνητές του LHC (Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων) σηματοδότησε το τέλος μιας εποχής. Έχοντας προβλεφθεί πριν από περίπου 50 χρόνια το σωματίδιο Higgs βρίσκεται στη βάση του αποκαλούμενου από τους φυσικούς «καθιερωμένου προτύπου» της σωματιδιακής φυσικής, ενός ισχυρού μαθηματικού πλαισίου που αιτιολογεί την ύπαρξη όλων των θεμελιωδών οντοτήτων του κβαντικού κόσμου (κουάρκ και λεπτόνια) και όλων των γνωστών δυνάμεων με τις οποίες αλληλεπιδρούν (βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμός και ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις).

Ωστόσο το καθιερωμένο πρότυπο παρά τις δάφνες της δικαίωσής του είναι συνάμα ένα αδιέξοδο. Δεν διανοίγει καμιά οδό προκειμένου να ενοποιηθεί η αντίληψή του για τα μικροσκοπικά δομικά στοιχεία της φύσης με το άλλο μεγάλο οικοδόμημα της φυσικής του 20ού αιώνα: την περιγραφή της βαρύτητας σε κοσμική κλίμακα που έδωσε ο Αϊνστάιν. Χωρίς την ενοποίηση αυτών των δύο θεωριών  -την επονομαζόμενη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας- δεν έχουμε την παραμικρή ιδέα για την αιτία που το σύμπαν μας αποτελείται από ακριβώς αυτά τα σωματίδια, τις δυνάμεις και τις ιδιότητες. (Επίσης, δεν μπορούμε να ξέρουμε πώς να κατανοήσουμε πραγματικά τη μεγάλη έκρηξη, το κοσμικό γεγονός που σηματοδότησε την αρχή του χρόνου.)

Φαιά ουσία

'Ετσι εγείρεται το φάσμα μιας επιστήμης ανεξάρτητης από την πειραματική επικύρωση. Σχεδόν όλη την τελευταία πεντηκονταετία οι φυσικοί αγωνίζονταν να ξεπεράσουν το καθιερωμένο πρότυπο για να φτάσουν στον τελικό τους στόχο· δηλαδή τη συνένωση της βαρύτητας με τον κβαντικό κόσμο. Διερευνήθηκαν πολλές δελεαστικές δυνατότητες (όπως η πολυσυζητημένη θεωρία των χορδών) χωρίς καμία μέχρι στιγμής απτή επιτυχία στο πεδίο της πειραματικής επαλήθευσης.

Σήμερα, η προτιμητέα θεωρία για το επόμενο βήμα πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο ονομάζεται «υπερσυμμετρία» (η οποία είναι και η βάση της θεωρίας των χορδών). Η υπερσυμμετρία προβλέπει την ύπαρξη ενός «συζυγούς» σωματιδίου για κάθε σωματίδιο που γνωρίζουμε. Επομένως διπλασιάζει τον αριθμό των στοιχειωδών σωματιδίων της ύλης στη φύση. Η θεωρία είναι μαθηματικά κομψή ενώ τα σωματίδια που προβλέπει θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνα για την ελλείπουσα «σκοτεινή ύλη» του σύμπαντος. Έτσι, πολλοί ερευνητές ήταν βέβαιοι ότι η υπερσυμμετρία θα επικυρωνόταν πειραματικά λίγο μετά την έναρξη λειτουργίας του LHC.

Τούτο όμως δεν συνέβη. Κανένα υπερσυμμετρικό σωματίδιο δεν βρέθηκε ως τώρα. Εάν ο LHC δεν ανιχνεύσει τέτοια σωματίδια πολλοί φυσικοί θα ανακηρύξουν την υπερσυμμετρία -και κατ’ επέκταση τη θεωρία των χορδών- ως ακόμα μία όμορφη ιδέα της φυσικής που τελικά δεν κατέληξε πουθενά.

Θα υπάρξουν όμως και πολλοί που δεν θα το κάνουν. Μερικοί ίσως επιλέξουν αντ’ αυτού να προσαρμόσουν απλώς τα μοντέλα τους έτσι ώστε να προβλέπουν υπερσυμμετρικά σωματίδια με μάζες πέρα από εκείνες που μπορεί να ανιχνεύσει ο LHC - ή ο οποιοσδήποτε αντικαταστάτης του στο ορατό μέλλον.

Σε τέτοιου είδους ελιγμούς υπεισέρχεται ένα φιλοσοφικό ερώτημα: Πώς προσδιορίζεται η αλήθεια μιας θεωρίας που δεν είναι πειραματικά επικυρώσιμη; Εγκαταλείπεται μόνο και μόνο επειδή η εμπειρική της επίρρωση είναι αδύνατη για το τάδε ή το δείνα επίπεδο τεχνολογικών δυνατοτήτων; Εάν όχι, πόσο καιρό πρέπει να περιμένει κανείς την ανάπτυξη των πειραματικών τεχνικών πριν διερευνήσει άλλες εναλλακτικές: Δέκα χρόνια; Πενήντα χρόνια; Αιώνες;

Θεωρήστε επίσης εκείνη τη θεωρία αιχμής στο πεδίο της φυσικής που υποδεικνύει ότι το σύμπαν μας είναι μόνο ένα σύμπαν μέσα σε μια πληθώρα ξεχωριστών συμπάντων που συγκροτούν το λεγόμενο «πολυσύμπαν». Η θεωρία αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει στη διαλεύκανση ορισμένων βαθέων επιστημονικών αινιγμάτων για το σύμπαν μας (όπως η λεπτή ρύθμιση των τιμών που έχουν οι φυσικές σταθερές), αλλά με σημαντικό κόστος: Τα επιπλέον σύμπαντα του πολυσύμπαντος πρέπει να βρίσκονται πέρα από τις παρατηρησιακές μας δυνατότητες και να είναι αδύνατη οποιαδήποτε άμεση διερεύνησή τους. Και όμως οι υποστηρικτές του πολυσύμπαντος υποστηρίζουν ότι πρέπει να συνεχιστεί η διερεύνηση αυτής της ιδέας - όπως και η έρευνα για έμμεσες ενδείξεις άλλων συμπάντων.

Το αντίπαλο στρατόπεδο απαντά θέτοντας τα δικά του ερωτήματα. Αν μια θεωρία ερμηνεύει ορθά αυτά που μπορούμε να ανιχνεύσουμε μέσω οντοτήτων που είναι αδύνατο να ανιχνευθούν (όπως άλλα σύμπαντα ή οι υπερδιαστατικές υπερχορδές της θεωρίας των χορδών), τότε ποιο είναι το καθεστώς των οντοτήτων που εισηγείται; Είναι το ίδιο πραγματικές όπως και τα βεβαιωμένα σωματίδια του καθιερωμένου προτύπου; Με ποιο τρόπο διαφέρουν οι επιστημονικοί ισχυρισμοί γι’ αυτές από κάθε άλλη ανέλεγκτη -χρήσιμη ωστόσο- ερμηνεία της πραγματικότητας;

Ας θυμηθούμε τους επικύκλους, τους νοητούς κύκλους που χρησιμοποίησε και καθιέρωσε ο Πτολεμαίος γύρω στο 150 μ.Χ. για να περιγράψει τις κινήσεις των πλανητών. Παρόλο που ο Πτολεμαίος δεν είχε αποδείξεις για την ύπαρξή τους, οι επίκυκλοι ερμήνευσαν με επιτυχία ό,τι ήταν ορατό για τους αρχαίους στο νυχτερινό ουρανό οπότε η ύπαρξή τους έγινε αποδεκτή.

Περισσότερα από 1500 χρόνια αργότερα αποδείχθηκε τελικά ότι ήταν μόνο ένα εφεύρημα. Μήπως οι υπερχορδές και το πολυσύμπαν, τα πονήματα της επιμελούς εργασίας εκατοντάδων λαμπρών επιστημόνων, δεν είναι τίποτα περισσότερο από τους επικύκλους της εποχής μας;

Μόλις πριν από μερικές μέρες, μετά από διετή παύση, οι επιστήμονες ξανάρχισαν τις έρευνες με τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Οι τεχνικές αναβαθμίσεις στις οποίες υποβλήθηκε κατά την διετή παύση τον έκαναν ισχυρότερο και οι φυσικοί ανυπομονούν να διερευνήσουν τις ιδιότητες του σωματιδίου Higgs με μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Αν ο αναβαθμισμένος επιταχυντής όντως ανιχνεύσει υπερσυμμετρικά σωματίδια, θα βρισκόμαστε ενώπιον ενός καταπληκτικού θριάμβου της σύγχρονης φυσικής. Αν όμως δεν ανακαλυφθεί τίποτα, τα επόμενα βήματά μας ίσως αποδειχθούν δύσκολα και αμφιλεγόμενα, δοκιμάζοντας όχι μόνο τον τρόπο διατύπωσης μιας επιστημονικής θεωρίας αλλά και το νόημα της επιστημονικής θεωρίας καθαυτής.

[Ο Άνταμ Φρανκ, καθηγητής αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ, και ο Μαρσέλο Γκλέιζερ, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο Κολέγιο του Ντάρμουθ, είναι συνιδρυτές του μπλογκ του NPR 13,7 (Εθνική Δημόσια Ραδιοφωνία) Κόσμος και Πολιτισμός. http://www.npr.org/sections/13.7/ ]

Μετάφραση: Γιαν. Σιμ. – Σ.Κ.