Θεωρίες φυσικής

Διαψευσιμότητα και σύγχρονη φυσική. Μπορεί μια θεωρία που δεν είναι πλήρως δοκιμασμένη να είναι χρήσιμη στη φυσική;

Written by Δ.Μ.

Τι καθορίζει εάν μια ιδέα είναι νόμιμα επιστημονική ή όχι; Αυτή η ερώτηση έχει συζητηθεί από φιλόσοφους και ιστορικούς της επιστήμης, πρωτεργάτες της επιστήμης και δικηγόρους στα δικαστήρια. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν είναι απλώς μια αφηρημένη ιδέα: Τι κάνει κάτι επιστημονικό ή όχι καθορίζει αν πρέπει να διδάσκεται στις αίθουσες διδασκαλίας.

Share

Τι καθορίζει εάν μια ιδέα είναι νόμιμα επιστημονική ή όχι; Αυτή η ερώτηση έχει συζητηθεί από φιλόσοφους και ιστορικούς της επιστήμης, πρωτεργάτες της επιστήμης και δικηγόρους στα δικαστήρια. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν είναι απλώς μια αφηρημένη ιδέα: Τι κάνει κάτι επιστημονικό ή όχι καθορίζει αν πρέπει να διδάσκεται στις αίθουσες διδασκαλίας.

Header_Falsifiability

Η απάντηση είναι σχετικά απλή σε πολλές περιπτώσεις: Παρά τις θεωρίες συνωμοσίας για το αντίθετο, η Γη δεν είναι επίπεδη. Κυριολεκτικά όλα τα αποδεικτικά στοιχεία είναι υπέρ μιας σφαιρικής και περιστρεφόμενης Γης, έτσι οι δηλώσεις που βασίζονται σε μια υπόθεση επίπεδης Γη δεν είναι επιστημονικές. 

Σε άλλες περιπτώσεις, όμως, οι άνθρωποι συζητούν ενεργά για το πού και πώς πρέπει να σχεδιαστεί η γραμμή διαχωρισμού. Ένα τέτοιο κριτήριο προτάθηκε από τον φιλόσοφο της επιστήμης Karl Popper (1902-1994), ο οποίος ισχυρίστηκε ότι οι επιστημονικές ιδέες πρέπει να υπόκεινται σε “διάψευση”. Δηλαδή να μπορεί να ελεγχθεί και να αποδειχτεί λανθασμένη.

Ο Popper έγραψε στο κλασικό του βιβλίο Η Λογική της Επιστημονικής Ανακάλυψης ότι μια θεωρία που δεν μπορεί να αποδειχθεί ψευδής – δηλαδή, μια θεωρία αρκετά ευέλικτη για να καλύψει κάθε πιθανό πειραματικό αποτέλεσμα – είναι επιστημονικά άχρηστη. Έγραψε ότι μια επιστημονική ιδέα πρέπει να περιέχει το κλειδί για τη δική της εγκατάλειψη: Πρέπει να κάνει προβλέψεις που μπορούν να δοκιμαστούν και, εάν οι προβλέψεις αυτές αποδειχθούν ψευδείς, η θεωρία αυτή πρέπει να απομακρυνθεί. 

Όταν το έγραψε αυτό, ο Popper ασχολιόταν λιγότερο με τη φυσική από ό,τι με θεωρίες όπως η φροϋδική ψυχολογία και η σταλινική ιστορία.

Όμως πώς η απαίτηση αυτή για τη διαψευσιμότητα δουλεύει σε ορισμένους τομείς της θεωρητικής φυσικής;

Η θεωρία των χορδών, για παράδειγμα, περιλαμβάνει τη φυσική σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες μήκους που δεν μπορούν να περάσουν από οποιοδήποτε προβλέψιμο πείραμα. Ο κοσμικός πληθωρισμός, μια θεωρία που εξηγεί πολλά για τις ιδιότητες του παρατηρήσιμου σύμπαντος, μπορεί να είναι αδιαμφισβήτητος μέσω άμεσων παρατηρήσεων. Ορισμένοι επικριτές πιστεύουν ότι αυτές οι θεωρίες είναι αναπόδεικτες και, για το λόγο αυτό, είναι αμφίβολης επιστημονικής αξίας.

Ταυτόχρονα, πολλοί φυσικοί ευθυγραμμίζονται με τους φιλοσόφους της επιστήμης που αναγνώρισαν ελαττώματα στο μοντέλο του Popper, λέγοντας ότι η διαψευσιμότητα είναι πολύ χρήσιμη για τον εντοπισμό καταφανών ψευδοεπιστημών (όπως η υπόθεση της επίπεδης γης), αλλά σχετικά ασήμαντη για να κρίνουμε θεωρίες που αναπτύσσονται εκτός των καθιερωμένων παραδειγμάτων στην επιστήμη .

«Νομίζω ότι πρέπει να ανησυχούμε για την αλαζονεία», λέει η Chanda Prescod-Weinstein του Πανεπιστημίου του New Hampshire. “Η διαψευσιμότητα είναι σημαντική, αλλά έτσι θυμόμαστε ότι η φύση κάνει ό, τι θέλει”.

Η Prescod-Weinstein είναι ταυτόχρονα σωματιδιακός κοσμολόγος και ερευνήτρια σε επιστήμες, τεχνολογία και κοινωνικές μελέτες, που ενδιαφέρονται να αναλύσουν τις προτεραιότητες που έχουν οι επιστήμονες ως ομάδα. “Οποιαδήποτε συγκεκριμένη γενιά αποφασίζει πως έχουν επεξεργαστεί, όλα όσα μπορούν να επεξεργαστούν, μοιάζει αλαζονεία για μένα”, λέει.

Η Tracy Slatyer του MIT συμφωνεί και υποστηρίζει ότι η αυστηρή ανησυχία για την διαψευσιμότητα μπορεί να εμποδίσει νέες ιδέες να βλάψουν και να καταπνίξουν τη δημιουργικότητα. “Στη θεωρητική φυσική, η συντριπτική πλειοψηφία όλων των ιδεών στις οποίες εργάζεστε κάποτε θα είναι λάθος”, λέει. “Μπορεί να είναι ενδιαφέρουσες ιδέες, μπορεί να είναι όμορφες ιδέες, μπορεί να είναι πανέμορφες δομές που απλά δεν πραγματοποιούνται στο σύμπαν μας”.

Σωματίδια και πρακτική φιλοσοφία

Πάρτε, για παράδειγμα, την υπερσυμμετρία. Η θεωρία SUSY είναι μια επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου, στο οποίο κάθε γνωστό σωματίδιο συνδυάζεται με έναν υπερσυμμετρικό συνεργάτη του. Η θεωρία είναι μια φυσική έκφραση μιας μαθηματικής συμμετρίας του χωροχρόνου, με τρόπους παρόμοιους με το ίδιο το Καθιερωμένο Μοντέλο. Είναι μια καλά εδραιωμένη θεωρία μέσα στη φυσική των σωματιδίων, παρόλο που τα υπερσυμμετρικά σωματίδια, αν υπάρχουν, μπορεί να είναι έξω από την πειραματική εμβέλεια των επιστημόνων. 

Η θεωρία SUSY θα μπορούσε ενδεχομένως να επιλύσει κάποια σημαντικά μυστήρια στη σύγχρονη φυσική. Πιθανόν, όλα αυτά τα υπερσυμμετρικά σωματίδια θα μπορούσαν να είναι ο λόγος που η μάζα του μποζονίου Higgs είναι μικρότερη από ότι μας λέει η κβαντική μηχανική ότι πρέπει να είναι.

“Η κβαντική μηχανική λέει ότι η μάζα του μποζονίου Higgs θα πρέπει να φτάνει μέχρι τη μέγιστη κλίμακα της μάζας”, λέει ο Howard Baer του Πανεπιστημίου της Οκλαχόμα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι μάζες στην κβαντική θεωρία είναι αποτέλεσμα συμβολών από πολλά διαφορετικά σωματίδια που εμπλέκονται στις αλληλεπιδράσεις – και το πεδίο Higgs, το οποίο δίνει και σε άλλα σωματίδια μάζα, συγκεντρώνει πολλές από αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Αλλά η μάζα Higgs δεν είναι τεράστια, γεγονός που απαιτεί μια εξήγηση.

“Κάτι άλλο θα έπρεπε να ρυθμιστεί με μια τεράστια αρνητική τιμή για να ακυρώσει την τεράστια θετική τιμή αυτών των αλληλεπιδράσεων και να σας δώσει την παρατηρούμενη τιμή”, λέει ο Baer. Αυτό το επίπεδο σύμπτωσης, που είναι γνωστό ως “πρόβλημα της λεπτο-ρύθμισης” (λεπτού συντονισμού), κάνει τους φυσικούς να ανησυχούν. “Είναι σαν να προσπαθείτε να παίξετε το λαχείο. Είναι πιθανό να κερδίσετε, αλλά είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα χάσετε “.

Εάν τα σωματίδια SUSY εμφανιστούν σε ένα ορισμένο εύρος μάζας, οι συνεισφορές τους στη μάζα Higgs “φυσικά” θα λύσουν αυτό το πρόβλημα, το οποίο ήταν ένα επιχείρημα υπέρ της θεωρίας της υπερσυμμετρίας. Μέχρι στιγμής, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων δεν έχει ανακαλύψει σωματίδια SUSY στο εύρος της “φυσικότητας”. 

Ωστόσο, το ευρύ πλαίσιο της υπερσυμμετρίας μπορεί να φιλοξενήσει ακόμη πιο μαζικά σωματίδια SUSY, τα οποία μπορούν ή δεν μπορούν να ανιχνευθούν χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή  LHC. Στην πραγματικότητα, αν εγκαταλειφθεί η φυσικότητα (naturalness ), το SUSY δεν παρέχει καθόλου εμφανή μαζική κλίμακα, πράγμα που σημαίνει ότι τα σωματίδια SUSY ενδέχεται να βρίσκονται εκτός εμβέλειας για να ανακαλυφθούν με οποιονδήποτε επιταχυντή σωματιδίων στη Γη. Αυτό το σημείο έχει κάνει κάποιους κριτικούς να πειραματιστούν: Εάν δεν υπάρχει προφανής μαζική κλίμακα στην οποία οι επιταχυντές μπορούν να κυνηγήσουν το SUSY, είναι η θεωρία διαψεύσιμη;

Ένα σχετικό πρόβλημα αντιμετωπίζεται από τους ερευνητές της σκοτεινής ύλης: Παρά τις έντονες έμμεσες αποδείξεις για μια μεγάλη ποσότητα μάζας αόρατη σε όλες τις μορφές του φωτός, τα πειράματα σωματιδίων δεν έχουν βρει ακόμη σωματίδια σκοτεινής ύλης. Θα μπορούσε να είναι απλά αδύνατο να εντοπιστούν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης. Μια μικρή αλλά δυνατή ομάδα ερευνητών έχει υποστηρίξει ότι πρέπει να εξετάσουμε αντ ‘αυτού εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας.

Ο Slatyer, του οποίου η έρευνα περιλαμβάνει την αναζήτηση σκοτεινής ύλης, θεωρεί την κριτική εν μέρει ως πρόβλημα της γλώσσας. «Όταν λέτε« σκοτεινή ύλη », θα πρέπει να] διακρίνετε τη σκοτεινή ύλη από συγκεκριμένα σενάρια για τη σκοτεινή ύλη που μπορεί να είναι», λέει. “Η κοινότητα των φυσικών δεν το έχει κάνει πάντα τόσο καλά.” 

Με άλλα λόγια, συγκεκριμένα μοντέλα για τη σκοτεινή ύλη μπορούν να σταθούν ή να εκπέσουν, αλλά το πρότυπο της σκοτεινής ύλης ως σύνολο έχει αντέξει όλες τις δοκιμές μέχρι στιγμής. Αλλά όπως επισημαίνει ο Slatyer, καμία εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας δεν μπορεί να εξηγήσει όλα τα φαινόμενα που ένα απλό μοντέλο σκοτεινής ύλης μπορεί, από τη συμπεριφορά των γαλαξιών έως τη δομή του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου CMB.

Η Chanda Prescod-Weinstein υποστηρίζει ότι είμαστε πολύ μακριά από το να αποκλείσουμε όλες τις δυνατότητες της σκοτεινής ύλης. “Πώς θα αποδείξουμε ότι η σκοτεινή ύλη, αν υπάρχει, οριστικά δεν αλληλεπιδρά με το Καθιερωμένο Μοντέλο;” λέει. “Η αστροφυσική είναι πάντα ένα παιχνίδι ντετέκτιβ. Χωρίς εργαστηριακή ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, είναι δύσκολο να κάνουμε οριστικές δηλώσεις για τις ιδιότητές της, αλλά μπορούμε να κατασκευάσουμε πιθανές αφηγήσεις βασισμένες σε αυτό που γνωρίζουμε για τη συμπεριφορά της”.

Ομοίως, ο Baer πιστεύει ότι δεν έχουμε εξαντλήσει ακόμη όλες τις δυνατότητες της SUSY. “Οι άνθρωποι λένε,” υποσχόμαστε την υπερσυμμετρία για τα 20 ή 30 επόμενα χρόνια “, αλλά βασίστηκαν σε υπερβολικά αισιόδοξους υπολογισμούς φυσικότητας και να μην επηρεάζεται από αλλού”, λέει. “Νομίζω ότι αν κάποιος αξιολογεί σωστά τη φυσικότητα, τότε θα διαπιστώσετε ότι η υπερσυμμετρία εξακολουθεί να είναι ακόμα πολύ φυσική. Αλλά θα χρειαστείτε είτε μια ενεργειακή αναβάθμιση του LHC είτε ενός ILC [International Linear Collider] για να την ανακαλύψετε “. 

Πέρα από την διαψευσιμότητα της σκοτεινής ύλης ή της SUSY, οι φυσικοί υποκινούνται από πιο κοσμικές ανησυχίες. “Ακόμη και αν αυτά τα μεμονωμένα σενάρια είναι κατ ‘αρχήν διαψεύσιμα, πόσα χρήματα θα χρειαστούν και πόσος χρόνος θα χρειαστεί;” λέει ο Slatyer. Με άλλα λόγια, αντί να προσπαθήσουμε να αποδείξουμε ή να αποκλείσουμε την θεωρία SUSY στο σύνολό της, οι φυσικοί επικεντρώνονται σε πειράματα σωματιδίων που μπορούν να εκτελεστούν μέσα σε έναν ορισμένο αριθμό κύκλων με καθορισμένο μπάτζετ. Δεν είναι ρομαντικό, αλλά είναι η αλήθεια παρ ‘όλα αυτά.

Είναι επιστημονικό;  Ποιος αποφασίζει;

Ιστορικά, μερικές φορές θεωρίες που φαίνονται να μη αποδεικνύονται πειραματικά, αποδεικνύονται ότι χρειάζονται περισσότερο χρόνο. Για παράδειγμα, ο φυσικός Ludwig Boltzmann του 19ου αιώνα και οι συνάδελφοί του έδειξαν ότι θα μπορούσαν να εξηγήσουν πολλά αποτελέσματα στη θερμική φυσική και τη χημεία αν όλα αποτελούσαν “άτομα” -όπως σήμερα ονομάζουμε σωματίδια, άτομα και μόρια – που διέπονται από τη Νευτώνεια φυσική. 

Δεδομένου ότι τα άτομα τότε ήταν μακριά από τα πειράματα της εποχής, εξέχοντες φιλόσοφοι της επιστήμης ισχυρίστηκαν ότι η ατομική υπόθεση ήταν αβάσιμη κατ ‘αρχήν και ως εκ τούτου μη επιστημονική. 

Ωστόσο, οι ατομιστές τελικά κέρδισαν το στοίχημα: ο JJ Thompson απέδειξε την ύπαρξη ηλεκτρονίων, ενώ ο Albert Einstein έδειξε ότι τα μόρια του νερού θα μπορούσαν να κάνουν τους κόκκους της γύρης να χορεύουν στην επιφάνεια μιας λίμνης.

Τα άτομα παρέχουν μια περιπτωσιολογική μελέτη για το πόσο η διαψευσιμότητα αποδείχθηκε λανθασμένο κριτήριο. Πολλές άλλες περιπτώσεις είναι πιο αδύναμες. 

Για παράδειγμα, η θεωρία της ενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν είναι μία από τις καλύτερα δοκιμασμένες θεωρίες σε όλη την επιστήμη. Ταυτόχρονα, αυτή επιτρέπει για φυσικά μη ρεαλιστικά “σύμπαντα”, όπως ένας “περιστρεφόμενος” κόσμος όπου είναι δυνατή η μετακίνηση εμπρός και πίσω στο χρόνο, που αντιφάσκουν με όλες τις παρατηρήσεις της πραγματικότητας που κατοικούμε. 

Η γενική σχετικότητα κάνει επίσης προβλέψεις για πράγματα που είναι μη βεβαιωμένα πειραματικά εξ ορισμού, όπως το πώς τα σωματίδια κινούνται μέσα στον ορίζοντα συμβάντων μιας μαύρης τρύπας: Καμία πληροφορία σχετικά με αυτές τις τροχιές δεν μπορεί να προσδιοριστεί από το πείραμα. 

Ωστόσο, κανένας πεπειραμένος φυσικός ή φιλόσοφος της επιστήμης δεν θα υποστήριζε ότι η γενική σχετικότητα δεν είναι επιστημονική. Η επιτυχία της θεωρίας οφείλεται σε αρκετές από τις προβλέψεις της που μπορούν να ελεγχθούν.

Ένας άλλος τύπος θεωρίας μπορεί να είναι ως επί το πλείστον μη αποδεδειγμένος πειραματικά, αλλά έχει σημαντικές συνέπειες. Μια τέτοια θεωρία είναι ο κοσμικός πληθωρισμός, ο οποίος (μεταξύ άλλων) εξηγεί γιατί δεν βλέπουμε απομονωμένα μαγνητικά μονόπολα  και γιατί το σύμπαν είναι σχεδόν ομοιόμορφη θερμοκρασία παντού όπου κοιτάζουμε. 

Η βασική ιδιότητα του πληθωρισμού – η εξαιρετικά γρήγορη επέκταση του χωροχρόνου κατά τη διάρκεια ενός μικρού δευτερολέπτου μετά το Big Bang – δεν μπορεί να δοκιμαστεί άμεσα. Οι κοσμολόγοι αναζητούν έμμεσες ενδείξεις για τον πληθωρισμό, αλλά τελικά μπορεί να είναι δύσκολο ή αδύνατο να γίνει διάκριση μεταξύ διαφορετικών μοντέλων πληθωρισμού, επειδή οι επιστήμονες δεν μπορούν να βρουν τα δεδομένα. Αυτό σημαίνει όμως ότι δεν είναι επιστημονικό;

Επίλογος

Ο κοσμολόγος του Caltech Sean Carroll υποστηρίζει ότι πολλές πολύ χρήσιμες θεωρίες έχουν αμφισβητήσιμες και μη δυνάμενες να αποτιμηθούν προβλέψεις. Ορισμένες πτυχές μπορεί να είναι δοκιμαστικές σε πειράματα κατ ‘αρχήν, αλλά όχι με κανένα πείραμα ή παρατήρηση που μπορούμε να εκτελέσουμε με την υπάρχουσα τεχνολογία. Πολλά μοντέλα φυσικής σωματιδίων εμπίπτουν σε αυτή την κατηγορία, αλλά αυτό δεν εμποδίζει τους φυσικούς να τα βρουν χρήσιμα. Το SUSY ως έννοια μπορεί να μην είναι διαψεύσιμο, αλλά πολλά συγκεκριμένα μοντέλα μέσα στο ευρύ πλαίσιο είναι σίγουρα. Όλα τα στοιχεία που έχουμε για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης είναι έμμεσα, που δεν θα εξαφανιστούν ακόμη και αν τα εργαστηριακά πειράματα δεν βρουν ποτέ σωματίδια σκοτεινής ύλης. Οι φυσικοί αποδέχονται την έννοια της σκοτεινής ύλης επειδή λειτουργεί.

Πηγή  Matthew Francis

About the author

Δ.Μ.

Share