Hüten Sie sich vor „Theorien von allem“

1931 hatte Kurt Gödel seinen zweiten Unvollständigkeitssatz bewiesen, der besagt, dass sich ein formales logisches System nicht als konsistent erweisen kann. Dieser Satz wirft kaltes Wasser auf die ultimative Fähigkeit, „Theorien von allem“ zu beweisen, die in der theoretischen Physik in Mode gekommen sind. Es impliziert, dass jede wissenschaftliche Theorie unvollständig ist. Galileo Galilei ging über die Grenzen der reinen Logik hinaus und argumentierte, dass jede physikalische Theorie, die behauptet, die Realität zu beschreiben, auch Vorhersagen treffen muss, die der Prüfung von Experimenten standhalten. Er fand zum Beispiel experimentell heraus, dass schwere Objekte unter dem Einfluss der Schwerkraft nicht schneller beschleunigen als leichte Objekte, wie bisher angenommen. Dieses Ergebnis legte den Grundstein für Albert Einsteins spätere Erkenntnis, dass die Schwerkraft keine Kraft ist, sondern die Krümmung der Raumzeit, auf die alle Testobjekte auf die gleiche Weise reagieren.

Galileis Diktum, basierend auf Demut, etablierte im Laufe der Jahre das Fundament der modernen Physik. Aber eine neue Kultur der Physiker scheint jetzt ihre zugrunde liegende Rolle in Frage zu stellen. Zum Beispiel antwortete der Pionier der Theorie der kosmischen Inflation, Alan Guth, während einer Podiumsdiskussion auf meine Frage, ob Inflation falsifizierbar sei, dass diese Theorie nicht als falsch erwiesen werden könne. Er argumentierte, dass es ein mathematischer Rahmen ist, wie Eichtheorien, das muss gültig sein, und die Rolle von Experimenten besteht lediglich darin, ihre flexiblen Freiheitsgrade festzulegen. Mit anderen Worten, die Theorie ist einstellbar genug, um alle experimentellen Daten über das Universum anzupassen.

Aber wenn ja, kann Inflation als eine physikalische Theorie angesehen werden, die Galileis Diktum gehorcht? Wie kann eine Theorie behaupten, den Beginn des Universums zu erklären, wenn sie nicht durch hypothetische experimentelle Daten als falsch erwiesen werden kann? Inzwischen kennen wir alternative Ursprungsgeschichten für unser Universum, was darauf hindeutet, dass es einen Sprung von einer zuvor kontrahierenden Phase vor dem Urknall durchgemacht hat oder dass es von einem speziellen Anfangszustand ausging, der mit der Stringtheorie verbunden ist. In zwei Artikeln, die ich kürzlich mit meinem Harvard-Kollegen Xingang Chen und Mitarbeitern schrieb, identifizierten wir einen experimentellen Test, der vorläufige Beweise im kosmischen Mikrowellenhintergrund enthüllte und alternative Szenarien gegenüber dem Inflationsmodell bevorzugen könnte. Kurz gesagt, es unterwirft die Inflation dem Diktum Galileis.

Es wäre kaum das erste Mal, dass eine mathematisch geniale Theorie die physikalische Realität nicht erfasst. Schließlich war die geozentrische ptolemäische Theorie der Epizyklen mathematisch ansprechend und ihr Rahmen war breit genug, um die Bewegung aller Planeten am Himmel zu beschreiben. Aber es wurde schließlich gegenüber der heliozentrischen Newtonschen Gravitationstheorie benachteiligt, weil es eine große Anzahl freier Parameter erforderte, die für jeden Planeten einzeln fein abgestimmt werden mussten.

Trotz Lehren aus der Wissenschaftsgeschichte gewinnt die Vorstellung, dass einige physikalische Theorien nicht widerlegt werden können und auf der Grundlage abstrakter Überlegungen an sich wahr sein müssen, immer noch an Popularität. Weitere Beispiele sind die hypothetische Existenz des „Multiversums“, die Vermutung, dass die Realität eine Computersimulation ist, Anwendungen der AdS / CFT—Entsprechung auf die reale Welt – die nicht in den Anti-De-Sitter-Raum (AdS) eingebettet ist, sondern in den De-Sitter-Raum einer völlig anderen Geometrie oder Stephen Wolframs neues Konzept einer „Theorie von allem“.“ Nach einem inspirierenden Kolloquium, das Wolfram gerade bei der Black Hole Initiative in Harvard gehalten hat, kam mir ein Gedanke in den Sinn: Wenn diese Theorie die niedrigstmögliche Masse für ein Elementarteilchen vorhersagt, können wir sie anhand astrophysikalischer Daten testen.Die reale Welt ist nicht verpflichtet, unseren Blaupausen zu folgen, nur weil sie mathematisch ansprechend oder einfacher zu formulieren sind als irgendeine Alternative. Das beste Beispiel ist die Quantenmechanik, deren Grundprinzipien qualitativ von der klassischen Physik abwichen, uns aber durch Experimente aufgezwungen wurden. Nach der Formulierung der Quantentheorie debattierte Albert Einstein Niels Bohr gegen seine unerwartete nichtklassische Interpretation und argumentierte 1926 in einem Brief an Max Born: „Auf jeden Fall bin ich überzeugt, dass er nicht würfelt.“ Jüngste Experimente haben Einsteins Intuition als falsch erwiesen.

Die menschliche Kultur ist voller Mythen. Die Wissenschaft zielt darauf ab, vorgefasste Theorien zu korrigieren, indem sie die Schlüsselrolle der experimentellen Verifikation betont. Die natürliche Tendenz des Menschen, populären Vermutungen blind zu folgen, sollte gemildert werden, da sie unsere wissenschaftliche Vision abschreckt und den Fortschritt beim Verständnis der Realität unterdrückt.Mathematische Schönheit ist bewundernswert, aber beim Versuch, die Realität herauszufinden, sollte sie im Vergleich zu Beweisen auf den zweiten Platz herabgestuft werden. Physik ist ein Dialog mit der Natur — vollbracht durch experimentelle Erprobung unserer Ideen und kein Monolog, in dem wir unsere „Theorien von allem“ formulieren und uns auf unseren Lorbeeren ausruhen. Wir müssen bescheiden bleiben und Gödels Beweis, dass alle mathematischen Systeme logisch unvollständig sind, und Galileis Einsicht, dass die meisten von ihnen nichts mit der Realität zu tun haben, im Auge behalten.