Nauka

Matka Natura szkaradna

O tym, jak prawda nam się wymyka

Albert Einstein postępował podobnie jak astrofizyk Edward Arthur Milne, który mawiał, że kiedy ma wybierać między tym, co prawdziwe, i tym, co piękne, skłania się ku temu ostatniemu. Albert Einstein postępował podobnie jak astrofizyk Edward Arthur Milne, który mawiał, że kiedy ma wybierać między tym, co prawdziwe, i tym, co piękne, skłania się ku temu ostatniemu. Hulton Archive / Getty Images
Fizycy wierzyli, że Natura na swoim fundamentalnym poziomie jest piękna, prosta i uprzejma w podsuwaniu tropów. Byli w błędzie.
Teorie dotyczące natury ciemnej materii i ciemnej energii pozostają niepotwierdzone. Co gorsza – może już tak zostanie, bo część z nich wydaje się poza zasięgiem weryfikacji doświadczalnej.ESA/NASA Teorie dotyczące natury ciemnej materii i ciemnej energii pozostają niepotwierdzone. Co gorsza – może już tak zostanie, bo część z nich wydaje się poza zasięgiem weryfikacji doświadczalnej.
Polityka

Artykuł w wersji audio

Żyli tak pewni swego, że obstawili miliardy. Fizycy od dziesięcioleci mówili nam, że wiedzą, gdzie czekają na nas nowe odkrycia. Zbudowali akceleratory, wystrzelili satelity w kosmos, umieścili detektory w podziemiach kopalni. Świat już zieleniał z zazdrości. Ale tam, gdzie fizycy spodziewali się przełomu, rzeczywistość nie odpuszczała. Eksperymenty nie odsłoniły niczego nowego”. Takim mocnym wstępem Sabine Hossenfelder, młoda (rocznik 1976), utalentowana – także literacko – fizyczka niemiecka, otwiera swoją książkę. Książkę o wielkim i narastającym kryzysie w fizyce.

Wydana w połowie 2018 r. „Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray” („Zagubiona w matematyce: Jak piękno zwiodło fizykę na manowce”) to rzecz wyjątkowa i pełna energii wyrażanej frazą daleką od elegancji Goethego. Pierwsza książka autorki znanej do tej pory z bloga Backreaction może też być jej ostatnią. „Nie jest ona miła i ze smutkiem przyznaję, że zapewne większość moich kolegów ją znienawidzi. Pisząc ją, pożegnałam się z perspektywą stałego zatrudnienia”. Hossenfelder kala bowiem własne gniazdo.

„Wynajduję prawa natury; tak właśnie zarabiam na życie” – pisze autorka, jedna z tysięcy teoretyków cząstek elementarnych, fizyków „fundamentalistów” badających prawa podstawowe. „W świątyni wiedzy jesteśmy tymi, którzy kopią w lochach. Przyglądamy się pęknięciom, podejrzanym uproszczeniom istniejących teorii, a kiedy już na coś wpadniemy, wołamy eksperymentalistów, żeby odkryli położone głębiej warstwy”. Sytuacja Hossenfelder różni się zasadniczo od tej, w której działali fizycy starszych pokoleń: ten model uprawiania nauki przestał działać. Cechujący się najlepszym stosunkiem mocy intelektualnej do sił witalnych 40-latkowie, czyli zasadnicza siła robocza sektora nauki, nie mają dziś lekko. Są skazani na nierzadko dożywotnią tułaczkę po świecie i na walkę o ratujące przed śmiercią głodową granty. Muszą uczestniczyć w wyścigu na cytowalność, oryginalność, przełomowość, nowatorskość, rozpoznawalność prac naukowych. Dodatkowo dziedzina, którą Hossenfelder obdarzyła uczuciem, pogrążona jest w czarnej dziurze. I nie chodzi o kosmologię.

Miłość, ciemność i fiasko strunowców

Paul Dirac napisał: „Jeśli jesteś uważny i pokorny, matematyka poprowadzi cię za rękę zaskakującą ścieżką, ścieżką otwierającą się na nowe panoramy”. Ten wybitny fizyk brytyjski, współtwórca mechaniki kwantowej, uważał, że wystarczy później w te krajobrazy wkroczyć, jak robili to dawni odkrywcy, i ruszyć ku postępowi. Tak też czyniono. A im piękniejsze były widoki, tym chętnej fizycy w nie wchodzili. Im więcej symetrii, prostoty w równaniach matematycznych, tym większe zaufanie budziły. Uczeni dali się złapać na lep piękna, pisze Hossenfelder. „Wierzyli, że Matka Natura jest elegancka, nieskomplikowana i uprzejma w podsuwaniu tropów. Myśleli, że słyszeli jej szept, podczas gdy słyszeli własny głos. A teraz Natura przemówiła. Głośno i wyraźnie powiedziała, że nie ma nic do powiedzenia”.

Aż do lat 70. inspiracje dla teoretyków przychodziły od strony eksperymentów – frapujących, intrygujących czy irytujących, lecz zawsze stymulujących. Efektem tego związku był tak zwany Model Standardowy cząstek podstawowych, dobrze wyjaśniający większość zjawisk zachodzących na poziomie fundamentalnym. Ale później coś się zmieniło. W 2012 r. w danych produkowanych przez Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) udało się – tak jakby, bo sprawa nie jest pewna – odnaleźć dowody obecności bozonu Higgsa, arcyważnej cząstki elementarnej nadającej masę innym. Ale wysiłek teoretyczny został podjęty jeszcze w latach 60. Od ponad 40 lat „nie było ani jednej udanej przepowiedni wykraczającej poza Model Standardowy”. Model, o którym Michio Kaku mawiał, że jest „brzydki i przekombinowany”, Stephen Hawking, że jest „brzydki i ad hoc”.

Nie spełniły się podsycane intensywnym PR nadzieje, że efektem zderzeń w tunelach CERN pod Genewą będą też jakieś nowe, nieodkryte, nieprzewidziane wcześniej cząstki. Nie dały o sobie znać głębsze prawa fizyki opisujące rzeczywistość lepiej niż Model Standardowy – na przykład te postulowane przez tzw. supersymetrię. Noblista David Gross nazywa tę wyrafinowaną matematycznie teorię „piękną i wyjątkową”, wierzy, że „Einstein by ją pokochał”. Inny laureat nagrody Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk mówi, że „byłby to iście okrutny żart Matki Natury – i dowód jej kiepskiego smaku”, gdyby supersymetria nie była prawdą. Ale Natura milczy. Ba, dane płynące petabajtami z LHC zdają się wręcz wykluczać jej zasadność. Tymczasem coroczne konferencje „supersymetrystów” cieszą się znakomitą frekwencją. Myślenie życzeniowe? Instynkt stadny?

Podobnie jest z badaczami teorii strun, która każe sądzić, że podstawowym składnikiem rzeczywistości są mikroskopijne, wibrujące struny. Jej poznawanie przypomina odsłanianie egzotycznej, obcej formy życia – tak bardzo jest tajemnicza i ogromna. Garrett Lisi, fizyk-surfer-outsider, do którego Hossenfelder, pisząc książkę, pielgrzymowała aż na Hawaje, opowiada: „Fizycy strun nie mają lekko. Od 30 lat obiecują teorię wszystkiego, ale nie dają konkluzji. Wydawało im się, że jeśli tylko dorzucą dodatkowe magiczne wymiary przestrzeni, to jeszcze przed obiadem wynikną z nich wszystkie cząstki”. Teraz mamy całe ich niezliczone mrowie. „Totalne fiasko”, mówi Lisi.

Nie lepiej radzą sobie astrofizycy. Od lat wiadomo, że o losach Wszechświata decyduje nie tyle to, co w nim bezpośrednio obserwujemy, ile to, czego nie widzimy i co ledwie potrafimy nazwać – ciemna energia i ciemna materia. Teorie dotyczące ich natury pozostają niepotwierdzone. Co gorsza – może już tak zostanie, bo część z nich wydaje się poza zasięgiem weryfikacji doświadczalnej.

Hossenfelder podsumowuje: Fizycy kochają matematykę i dumni są, że tak dobrze się sprawdza. Niestety, tam gdzie nowych danych eksperymentalnych jest jak na lekarstwo, w wyborze hipotez górę biorą kryteria estetyczne.

Przywykliśmy utożsamiać piękno z prawdą, z boskością. Tymczasem w fizyce może być ono przekleństwem. To dlatego Galileusz, który okręgi uważał za krzywe doskonałe, długo krytykował Johannesa Keplera, który dowodził, że planety poruszają się po elipsach uważanych za nieestetyczne. Astrofizyk Edward Arthur Milne mawiał, że kiedy ma wybierać między tym, co prawdziwe, i tym, co piękne, skłania się ku temu ostatniemu. Einstein miał podobnie. Ta postawa przetrwała do dziś, mimo ostrzeżeń – na przykład formułowanych przez noblistę Gerarda ’t Hoofta: „Piękno jest niebezpiecznym konceptem, bo zawsze może być zwodnicze. W twoich oczach teoria jawi się jako piękna, ale może być najzwyczajniej błędna”.

Pies, Rees i barok multiświata

Kontrowersyjne nowe teorie cząstek elementarnych cieszą się zadziwiającą popularnością. Hossenfelder pisze: „Są spekulatywne, ale intrygujące, zgrabne, ale bezużyteczne. Większość z nich trudno przetestować. W praktyce są nietestowalne. Innych nie da się przetestować nawet w teorii”. Co zatem każe fizykom je uparcie badać? Uważają, że ich matematyka zawiera element prawdy o naturze. Wierzą, że ich teorie są zbyt dobre, by nie były prawdziwe. Zdają się na intuicję. Prostota lub elegancja, piękno, naturalność rozumiane jako brak mało prawdopodobnych koincydencji i podejrzanych parametrów – takich kryteriów używają do ich oceny. Są to, niestety, pisze Hossenfelder, kryteria mętne, a przede wszystkim stojące w konflikcie z nakazem naukowego obiektywizmu. Niegdyś służące za pomocnicze, dziś uważane są za kluczowe.

Dlaczego nie zakładamy, że przyroda jest brzydka? Może jeśli stosować ludzkie kryteria, prawa nią rządzące są szpetne? Przecież w przeszłości zmysł (rzekomego) piękna zawodził nawet największe umysły. Albert Michelson, który zmierzył prędkość światła, mówił o absurdalnej teorii wirów, że „powinna być prawdziwa, nawet jeśli taka nie jest”. Fred Hoyle, astronom i kosmolog pierwszej ligi, kpił z Wielkiego Wybuchu, mówiąc, że „ma estetyczne skrzywienie” przeciwko tej hipotezie. Dirac mawiał o elektrodynamice kwantowej (duża rzecz w fizyce): „Uznałbym, że te nowe pomysły są słuszne, gdyby nie były takie brzydkie”. Hossenfelder podsumowuje swoje historyczne dywagacje: „Kryteria estetyczne działają, aż przestają”.

Sytuacja jest zatem następująca: eksperymenty nie dostarczają frapujących danych, i nie wiadomo, kiedy dostarczą, i czy w ogóle dostarczą, bo wydaje się, że w fizyce cząstek elementarnych nie ma czegoś takiego jak tani czy umiarkowanie tani eksperyment. Jest eksperyment monumentalny. Koszt odkrycia cząstki Higgsa szacuje się na ponad 13 mld dol., co jest zaledwie ułamkiem tego, czego domaga się fizyka przyszłości. Nic dziwnego, że niektórzy filozofowie sugerują, by odejść od dotychczasowej metody naukowej i uświęconej tradycją weryfikacji doświadczalnej.

Na razie dla większości fizyków postempiryzm, bo o nim mowa, brzmi jak herezja. To jak cofnięcie się o tysiąc lat, jak podkopywanie fundamentów nauki, mówi George Ellis, wielka postać współczesnej kosmologii: „Fizyka teoretyczna ma być jak najtwardsza skała wszystkich nauk, dająca całkowite poczucie pewności”. Jeśli tak nie będzie, jeśli nauka zostanie pozbawiona mechanizmu autokorekty, to czeka nas dyktatura antyszczepionkowców, homeopatów, wyznawców teorii płaskiej Ziemi, wątpiących w globalne ocieplenie itd. Wielka cofka. Katastrofa.

Nic dziwnego, że dla niektórych kuszącym rozwiązaniem jest swego rodzaju kosmologiczny eskapizm. Nie potrafimy wyjaśnić, dlaczego nasz Wszechświat rządzi się takimi prawami, a nie innymi? Nie wiemy, skąd biorą się zagadkowe, jak z kapelusza wyjęte, wartości parametrów w równaniach fizycznych? Ano na przykład dlatego, że takich wszechświatów jest wiele, i to w nich realizują się inne zestawy praw przyrody. A my tkwimy w jednym z nich, nie mając kontaktu z pozostałymi, usiłując odpowiedzieć sensownie na pytanie, na które jest tylko jedna odpowiedź: przypadek.

Kosmolog Paul Steinhardt nazywa pomysł wieloświatów „barokowym, nienaturalnym”, a nawet „niebezpiecznym dla nauki i społeczeństwa”. Paul Davies widzi go jako „naiwny deizm” przebrany w ciuchy języka naukowego. Nobliście Davidowi Grossowi coś w nim „pachnie aniołami”. Neil Turok uważa go za „ostateczną katastrofę”. Hossenfelder myśli podobnie: „Nie mogę uwierzyć, czym stała się ta niegdyś szacowna profesja. Kiedyś fizycy teoretycy wyjaśniali obserwacje. Dziś tłumaczą się, dlaczego nie potrafią wyjaśnić tego, czego nie zaobserwowano”. Ale wielu fizyków ten właśnie pomysł darzy atencją. Martin Rees, Astronom Królewski, stawia na niego własnego psa, współautor teorii inflacji Andrei Linde własne życie, a noblista Steven Weinberg – zarówno życie Lindego, jak i psa Reesa.

Sieci, kanony i lep na fizyków

Piękno, utożsamiane ostatnimi czasy z prostotą, z kompresją maksimum treści w minimum formy, w teorii wielu światów dryfuje w stronę przesytu, nadmiaru. Może ta mnożąca byty ponad miarę teoria sygnalizuje, że dotarliśmy do ostatecznej granicy poznania i powinniśmy przekazać pałeczkę sztucznej inteligencji? – pyta Hossenfelder. Przy okazji: ponieważ poszukiwania nowych cząstek w tunelach Wielkiego Zderzacza nie dały rezultatów, zaczęto się zastanawiać ponownie, czy aby zamiast poszukiwań tego, co spodziewamy się odkryć, nie wzmóc poszukiwań tego, czego się nie spodziewamy. Innymi słowy, ponieważ poszukiwania celowane zakończyły się fiaskiem, zacznijmy szukać szerzej. Tyle że wtedy do pomocy w odnajdywaniu regularności ukrytych w oceanie zaszumionych danych trzeba zaprosić sztuczną inteligencję i algorytmy uczenia maszynowego. Człowiek sam nie podoła. Ale czy to jeszcze można nazwać poznaniem czy rozumieniem w tradycyjnym tego słowa znaczeniu?

Bardzo możliwe, że rzeczywistość na poziomie fundamentalnym jest bardziej skomplikowana – i brzydsza w sensie matematycznym – niż sądziliśmy jeszcze niedawno. Nie spełnia ludzkich norm piękna, które są efektem ubocznym przypadkowej z natury rzeczy ewolucji gatunku i jego mózgu. Hossenfelder martwi się, że fizycy są w kropce, bo konstruując teorie i projektując eksperymenty, obstają uparcie przy przestarzałych kanonach. Frank Wilczek, kolejny „Nobel” z fizyki, przyznaje: „Możesz mieć rację”.

Oczywiście problem nie jest nowy. Naukowcy zawsze mieli słabość do pięknych, ale błędnych teorii. Jednakże dziś „mamy więcej ludzi, lepiej skomunikowanych niż kiedykolwiek, poddanych rosnącej presji wykazania się w wąskich dziedzinach przy mniejszym zabezpieczeniu finansowym, w skracającym się czasie. Uczyniło to środowiska naukowe idealną wylęgarnią społecznych fenomenów”, mentalnych infekcji wirusowych. Na przykład zbiorowej wiary w określone kanony piękna. Albo skupienia na niewłaściwych pytaniach. Albo podporządkowania się bieżącej modzie. Albo wszystkiego naraz. Liczba przymiotników „przełomowy” i „nowatorski” w pracach naukowych wzrosła między rokiem 1974 a 2015 o 2500 proc. Ale przecież jeśli wszystko jest przełomowe i nowatorskie, to nic nie jest, nieprawdaż?

„To mało popularne – krytykować własne plemię. Ale w tym namiocie śmierdzi”, pisze Niemka o fizykach badających fundamenty natury. „Nie obroniliśmy zdolności dokonywania ocen pozbawionych uprzedzeń”. Pułapek poznawczych jest wiele. Wszyscy w nie wpadamy. Unikamy opinii niezgodnych z naszą. Sądzimy, że sukces jest bardziej prawdopodobny niż porażka (vide wiara w nieunikniony spektakularny sukces LHC). Nie wycofujemy się z rozpoczętych, a wątpliwych przedsięwzięć. Wierzymy w przewagę intelektualną grupy, do której należymy. W szumie wynajdujemy prawidłowości, których tam wcale nie ma. Noblistom ufamy bardziej niż doktorantom. Przeceniamy liczebność zwolenników naszej tezy. I wreszcie matka (ojciec?) wszystkich błędów poznawczych: jesteśmy święcie przekonani o braku własnych uprzedzeń.

Rady Hossenfelder? Po pierwsze, bacznie przyglądać się założeniom teorii, zwłaszcza tym intuicyjnym. „Są często prenaukowe i należą do kategorii filozoficznych”. Wtedy, żeby uczynić je bardziej naukowymi, warto pogadać z jakimś łebskim filozofem. Po drugie, trzeba otwarcie przyznawać się do tych założeń. Na przykład tego o prostocie. I może je przy okazji przewartościować, bo niewykluczone, że prawa fizyki, tej na poziomie zero rzeczywistości, muszą – na jakiś czas albo na wieczność – stać się bardziej skomplikowane. Po trzecie, żaden najlepszy formalizm, żadna zgrabna matematyka nie pomoże, jeśli nie poprowadzi nas eksperyment. „Fizyka to nie matematyka. To wybór właściwej matematyki”.

Życie, śmierć i teoria wszystkiego

Swoją książką Hossenfelder narobiła zamieszania. Wspominają o niej fachowe periodyki, blogują blogerzy, szemrzą fejsbuki – choć zapewne nie jest to skala poruszenia, na którą liczyła autorka. Być może, jaki kryzys jest, każdy widzi, a żyć z czegoś trzeba.

Pochlebnie wspomina o „Lost in Math” Peter Woit, fizyk, który 12 lat temu w książce „Not Even Wrong” poddał ostrej krytyce teorię strun. Przekonywał, że nie można jej obalić ani udowodnić, więc jest czystą spekulacją. Dziś Woit zauważa coś, czego Hossenfelder nie formułuje wprost. Opisywane przez nią wielkie figury – Nima Arkani-Hamed, Steven Weinberg, Frank Wilczek, Joseph Polchinski – „łączy brak woli do stawienia czoła fiasku” projektów nowej fizyki cząstek elementarnych. Ich poczucie piękna wciąż wyznacza obowiązujące standardy.

Reporterskie opisy spotkań z tymi generującymi intensywne pole autorytetu postaciami na dożywotnich etatach należą do najlepszych fragmentów książki. Jeden z nich niespodziewanie nabrał dodatkowej, kronikarskiej wartości. Polchinski we „Wspomnieniach fizyka teoretyka” pisał niedawno: „Jak daleko jesteśmy od odnalezienia fundamentalnej teorii fizyki i czego się z niej dowiemy? Możemy być bardzo blisko albo możemy wciąż mieć duże kroki do pokonania. Mam nadzieję to rozgryźć”.

W listopadzie 2015 r., w berlińskim Harnack-Haus, Polchinski dał wykład o teorii strun. Nieprzypadkowo, bo jest jednym z jej twórców. Trzy dni później doznał ataku, który okazał się objawem zaawansowanego nowotworu mózgu. Umarł na początku tego roku.

Jakkolwiek okrutnie to zabrzmi, być może jest tak, jak powiedział kiedyś Dirac, że w nauce nowe, życiodajne pomysły nadchodzą w rytmie pogrzebów. Jeśli jest w ogóle jakaś teoria wszystkiego, to właśnie taka.

***

Szersza wersja tekstu w najnowszym numerze „Niezbędnika Współczesnego”.

Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Kraj

Jak Jarosław Kaczyński zbudował sobie sektę?

Dlaczego tak wiele osób tak bardzo wierzy w talenty, umiejętności, wiedzę, siłę moralną i osobiste przymioty, słowem – w nadzwyczajność Jarosława Kaczyńskiego?

Ewa Wilk
05.04.2016
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną