Har naturlighed og skønhed ført fysikken ud i en krise?
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
By signing up, you agree to our Terms & Conditions and agree that Teknologiens Mediehus and the IDA Group may occasionally contact you regarding events, analyzes, news, offers, etc. by telephone, SMS and email. Newsletters and emails from Teknologiens Mediehus may contain marketing from marketing partners.

Har naturlighed og skønhed ført fysikken ud i en krise?

Illustration: MI Grafik

De fandt Higgsbosonen ved Large Hadron Collider (LHC) helt som forventet, men finder fysikerne andre partikler, der kan bane vejen for en udvidelse af den såkaldte standardmodel?

Modellen, som alle ved kun er en tilnærmelse til virkeligheden, men en så god tilnærmelse, at den også kaldes The Absolutely Amazing Theory of Almost Everything.

Foreløbig ser det ikke for godt ud.

Den mest populære beskrivelse af en udvidet standardmodel kaldes supersymmetri. Den indebærer, at alle de kendte partikler har en tung makker. Observationer af disse partikler – eller rettere deres henfald til lettere partikler – vil være det, som kan give supersymmetriteorien troværdighed.

Før LHC havde man ikke partikelacceleratorer, der var så kraftige, at man kunne gøre sig håb om at danne og observere eventuelle supersymmetriske partikler, så man kunne fjerne ordet almost og lave en teori for alting.

Hos mange var det forventningen, ja ligefrem en overbevisning, at LHC inden for de første års drift ville finde de forudsagte og eftertragtede supersymmetriske partikler. Adskillige væddemål blev indgået på, at dette ville være tilfældet. De er nu tabt.

Fraværet af supersymmetri

Der er nemlig ikke fundet så meget som en antydning af, at der findes supersymmetriske partikler, og man har ligefrem udelukket, at de kan have nogle af de formodede egenskaber.

Det har dog langtfra fået alle fortalere for supersymmetri til at give op. Under et af sine jævnlige besøg på Niels Bohr Institutet havde jeg sidste år fornøjelsen af at drøfte den manglende succes med den amerikanske nobelprismodtager David Gross, som med stor fasthed i stemmen belærte mig om, at nu skulle LHC jo operere i 20-30 år, så der var sandelig god tid til at finde disse partikler.

Det kan være svært at følge en nobelprismodtager i alle hans argumenter og forklaringer, men jeg forstår så meget, som at teorien om supersymmetri fører både til skønhed og naturlighed.

Da disse begreber gennem utallige år har været ledebegreber for de teo­retiske fysikere, kan jeg også godt forstå, at mange vægrer sig ved at opgive supersymmetri. For det ville være fantastisk, hvis teorien var sand. Meget ville falde på plads.

I sin nye bog ‘Lost in Math’ anklager Sabine Hossenfelder, der selv er teoretisk fysiker, dog sine kolleger for at have ladet sig forføre af naturlighed og skønhed og derved have bragt fysikken ud i en krise, hvor nye opdagelser lader vente på sig.

Måske bør jeg indskyde, at når vi taler om fysikkens krise, er det underforstået en krise for partikelfysikken, der søger at forklare de fundamentale partikler og naturkræfter, og for dele af astrofysikken, hvor mørkt stof og mørk energi savner en forklaring og beskrivelse. Kvantefysik, faststoffysik, geofysik, biofysik osv. er ikke i krise på samme måde.

Skønhed: Succes og fiasko

Den britiske fysiker Paul Dirac, der var en af hovedkræfterne i udviklingen af kvantemekanikken, skrev engang, at »det er mere vigtigt, at ligningerne er skønne, end at de passer med eksperimenter«.

Det skete med en konkret henvisning til Erwin Schrödingers formulering af den ligning, der i dag bærer hans navn, og som er kvantemekanikkens fundament.

»Schrödinger opdagede ligningen ved at se efter en ligning med matematisk skønhed,« skrev Dirac i en artikel i Scientific American i 1963.

Selv om skønhed er et subjektivt begreb, har det således – til tider i hvert fald – tjent fysikken godt, men som Sabine Hossenfelder rigtigt skriver i bogen, har der før været smukke og elegante teorier, der viste sig helt forkerte.

Før big bang-teorien om universets udvikling blev bekræftet ved opdagelsen af den kosmiske baggrundsstråling i midten af 1960’erne, mente mange, at den engelske astronom Fred Hoyles ‘steady state model’ var den korrekte beskrivelse – og Hoyle har direkte sagt, at han havde æstetisk afsky for big bang.

Går vi tilbage til slutningen af 1800-tallet, mente flere toneangivende britiske fysikere (herunder Lord Kelvin), at atomer skulle forklares med en såkaldt hvirvel- eller vortex-teori.

Om denne teori skrev den britiske fysiker Oliver Lodge i Nature i 1883, at den endnu ikke var bevist som værende sand, »men er den ikke meget smuk? En teori om hvilken man næsten tør sige, at den fortjener at være sand«.

Sådan har mange det med supersymmetri i dag. Vortex-teori var dog nok smuk, men ikke sand.

Kritikken er ikke ny. Den kom også frem i bøger fra 2006 af Peter Woit, ‘Not Even Wrong’, og Lee Smolin, ‘The Trouble with Physics’.

Men dengang lænede de anklagede sig tilbage i sikker forvisning om, at LHC vil give de opdagelser, der kunne understøtte, at de var på rette spor. Og de gjorde det med fuld overbevisning.

Når fysikerne møder en unaturlig størrelse, vil de gerne formulere en teori, der giver en naturlig forklaring på det unaturlige. Det er så at sige hele formålet med at være teoretiker.

Lad mig prøve med en lille analogi. Forestil dig, at du får udleveret en pose med sådan cirka 100 brikker, der hver har et tal påtrykt. Du trækker nu helt tilfældigt fire brikker og finder tallene: 2, 42, 13, 87.

Aha, tænker du, jeg har sikkert fået en pose med brikker påført tal mellem 1 og 100. Du trækker en femte brik og håber, at eksperimentet vil understøtte din formodning, men aflæser til dit chok tallet 2.387.918.

Det er da godt nok unaturligt, tænker du.

Personen, der gav dig posen, fortæller dig nu, at hun ganske rigtigt gav dig en pose med brikker med tal mellem 1 og 100 bortset fra en enkelt ekstra brik med det store tal, som hun også smed ned i posen. Så der var altså en naturlig forklaring alligevel.

En tilsvarende situation har vi med Higgsbosonen. Ud fra Standardmodellen og de indbyggede symmetrier i denne model (og for fysikere er symmetri indbegrebet af skønhed) er massen meget unaturlig.

Lige så unaturlig, som denne opstilling forekommer, er massen af Higgsbosonen. Men indfører man en række hypotetiske partikler i den matematiske beskrivelse af naturen, kan man give en naturlig forklaring på dens masse, som på en måde balancerer på en knivsæg. På samme måde som stenenes balancekunst kun kan forklares med menneskelig indgriben. Illustration: Wikipedia

Men hvis man indfører en ny form for supersymmetri, kan vi komme frem til en naturlig forklaring, hvor Higgsbosonens masse bliver afgjort ved en form for tovtrækkeri, hvor de kendte partikler og deres supersymmetriske partnere kan stabilisere massen på den eksperimentelt bestemte værdi.

Selv om naturlighed lyder lige så løst som begreb som skønhed, kan man faktisk inden for fysikken beskrive det i mere objektive termer, som det vil føre for vidt at forklare her. Det betyder dog ikke, at alle er enige om, hvad der er naturligt.

Den hollandske nobelprismodtager Gerard ‘t Hooft har defineret begrebet ‘teknisk naturlighed’. En af de yngre, førende teoretikere, Nima Arkani-Hamed, har et begreb, han kalder N-naturlighed (Nnaturalness).

For et par uger siden mødte jeg ‘t Hooft i auditoriet på Niels ­Bohr Institutet efter et foredrag om sorte huller, hvor jeg indledte med at spørge ham, om han havde læst Sabine Hossenfelders bog, som han var blevet interviewet til. Det havde han ikke.

Skønhed er et farligt argument

Han gentog dog over for mig og næsten ordret, hvad han er citeret for i bogen: at det kan være farligt at bruge skønhed som argument.

Han var også enig med Sabine Hossenfelder i, at store og helt ‘unaturlige’ tal findes inden for den rene matematik, hvor de så at sige »kan komme ud af ingenting«. Det gælder eksempelvis antallet af elementer i det, som matematikerne passende har døbt monstergruppen, som er 808.017.424.794.512.875.886.459.904.961.710.757.005.754.368.000.000.000.

»Men i fysikken vil vi gerne prøve at forstå, hvorfor noget er unaturligt stort eller småt,« sagde han.

Symmetrier er som nævnt ofte det redskab, fysikerne griber til i den forbindelse.

»Men der er mange forvirrende argumenter omkring symmetri, og der er meget, jeg ikke er helt sikker på,« indrømmede ‘t Hooft. Og når en nobelprismodtager er i den situa­tion, skal vi andre næppe heller forvente at vide besked.

Alternativet til naturlighed kan være, at massen af Higgsbosonen er helt tilfældig – hvilket ikke huer mange fysikere.

De sammenligner det med, at den værdi, man har fundet, er lige så usandsynlig, som at alle luftmolekyler i et lokale pludselig samler sig i et hjørne frem for at være jævnt fordelt. Det er ikke umuligt i princippet, men så usandsynligt, at det aldrig sker.

Hvad er naturligt?

Sabine Hossenfelders hovedanke mod naturlighed som princip for teoriudvikling er, at man ikke kan udtale sig om, hvad der er naturligt, uden at kende eller have defineret en sandsynlighedsfordeling.

Og hvor skal den komme fra?

Naturlighed er derfor også i hendes øjne i høj grad et æstetisk kriterium, der er »lost in math«.

Hun anfører også, at skønhed og naturlighed er problematiske, hvis naturlovene nu er skønne på en ukendt måde.

Når Sabine Hossenfelder begynder sin bog med at konstatere, at de fleste folk, hun kender gennem en karriere på 20 år i teoretisk fysik, har studeret ting, ingen nogensinde har set, men brugt tiden på at formulere meget kontroversielle teorier, som nok er populære, men stort set nytteløse, så er det ikke forkert at sige, at fysikken er i krise.

Nogen skal ryste posen.

Det næste gennembrud

Sabine Hossenfelders nye bog var anledning til, at jeg tog dette emne op, som også har plaget mig selv, efter at jeg har skrevet om nyt fra fysikkens frontlinje gennem mange år, så hun skal også få de sidste ord.

Lad mig dog først indskyde, at ude i fysikernes bloguniversitet, hvor Sabine Hossenfelder også huserer, kan det gå hårdt til. Hun er både blevet kaldt en tredjerangsforsker og beskyldt for at have skrevet bogen som en slags personlig terapi. Det skal jeg ikke afgøre, men velskrevet er bogen nu i usædvanlig grad.

Og så til afslutningen:

»Det kan synes, som om fysik var det forrige århundredes succeshistorie, og at dette århundrede nu tilhører neurovidenskab, bioengineering eller kunstig intelligens (alt efter hvem man spørger). Jeg tror, det er forkert. Det næste gennembrud inden for fysik vil ske i dette århundrede. Det bliver smukt.«

Nøglen til nye fremskridt er at forstå rummet og tidens kvanteopførsel, skriver hun. Det tror jeg faktisk, at alle teoretiske fysikere kan blive enige om. Og det vil jeg gerne kunne berette mere om i Ingeniøren ved lejlighed.

Kilde: Sabine Hossenfelder, Lost in ­Math, Basic Books.