pas op voor ‘Theories of Everything’
In 1931 had Kurt Gödel zijn tweede onvolledigheidsstelling bewezen, die stelt dat een formeel logisch systeem zichzelf niet consistent kan bewijzen. Deze stelling werpt koud water op het uiteindelijke vermogen om “theorieën van alles” te bewijzen, die in de theoretische fysica in de mode zijn geworden. Het impliceert dat elke wetenschappelijke theorie onvolledig is.
Galileo Galilei ging verder dan de beperkingen van de pure logica en voerde aan dat elke natuurkundige theorie die beweert de werkelijkheid te beschrijven, ook voorspellingen moet doen die bestand zijn tegen het onderzoek van experimenten. Hij ontdekte bijvoorbeeld experimenteel dat zware voorwerpen niet sneller versnellen dan lichte voorwerpen onder invloed van de zwaartekracht, zoals eerder gedacht werd. Dit resultaat legde de basis voor Albert Einsteins latere realisatie dat zwaartekracht geen kracht is, maar de kromming van de ruimtetijd waar alle testobjecten op dezelfde manier op reageren.
Galileo ‘ s uitspraak, gebaseerd op nederigheid, legde de basis van de moderne natuurkunde door de jaren heen. Maar een nieuwe cultuur van natuurkundigen lijkt zijn onderliggende rol nu te betwisten. Bijvoorbeeld, de pionier van de theorie van de kosmische inflatie, Alan Guth, antwoordde tijdens een paneldiscussie op mijn vraag of inflatie falsifieerbaar is dat deze theorie niet kan worden bewezen vals. Hij betoogde dat het een wiskundig kader is, zoals ijktheorieën, dat geldig moet zijn, en de rol van experimenten is slechts om de flexibele vrijheidsgraden vast te stellen. Met andere woorden, de theorie is verstelbaar genoeg om alle experimentele gegevens over het universum te passen.
maar zo ja, kan inflatie worden beschouwd als een natuurkundige theorie die de uitspraak van Galileo volgt? Hoe kan een theorie beweren het begin van het universum te verklaren als het niet vals kan worden bewezen door sommige hypothetische experimentele gegevens? Inmiddels weten we van alternatieve ontstaansverhalen voor ons universum, wat suggereert dat het misschien door een bounce is gegaan van een eerder samentrekkende fase voor de oerknal of dat het begon met een speciale begintoestand geassocieerd met snaartheorie. In twee papers die ik onlangs schreef met mijn Harvard collega, Xingang Chen en medewerkers, identificeerden we een experimentele test die voorlopig bewijs in de kosmische microgolfachtergrond onthulde en alternatieve scenario ‘ s boven het inflatiemodel kon bevoordelen. Kortom, het onderwerpt de inflatie aan de uitspraak van Galileo.
Dit zou niet de eerste keer zijn dat een wiskundig vernuftige theorie faalde om de fysieke werkelijkheid vast te leggen. Immers, de geocentrische Ptolemaeïsche theorie van epicycles was wiskundig aantrekkelijk en het raamwerk was breed genoeg om de beweging van alle planeten aan de hemel te beschrijven. Maar het werd uiteindelijk ten opzichte van de heliocentrische Newtoniaanse zwaartekrachttheorie benadeeld omdat het een groot aantal vrije parameters vereiste die voor elke planeet afzonderlijk nauwkeurig moesten worden afgesteld.
ondanks lessen uit de geschiedenis van de wetenschap wint de notie dat sommige natuurkundige theorieën niet kunnen worden weerlegd, en intrinsiek waar moeten zijn op basis van abstract redeneren, nog steeds aan populariteit. Bijkomende voorbeelden zijn het hypothetische bestaan van het “multiversum”, het vermoeden dat de werkelijkheid een computersimulatie is, Toepassingen van de Ads/CFT—correspondentie met de echte wereld-die niet is ingebed in anti-De-Sitter (AdS) – ruimte, maar in plaats daarvan in bijna de-Sitter-ruimte van een compleet andere meetkunde, of Stephen Wolfram ‘ s nieuwe concept van een “theorie van alles.”Na een inspirerend colloquium dat Wolfram net gaf op Harvard’ s Black Hole Initiative, kwam er een gedachte bij me op: Als deze theorie de laagst mogelijke massa voorspelt voor een elementair deeltje, kunnen we het testen op basis van astrofysische gegevens.
de echte wereld is niet verplicht om onze blauwdrukken te volgen, alleen maar omdat ze wiskundig aantrekkelijk zijn of gemakkelijker te formuleren dan een alternatief. Het beste voorbeeld is de kwantummechanica, waarvan de fundamentele principes kwalitatief afwijken van de klassieke fysica, maar ons door experimenten werden opgedrongen. Nadat de kwantumtheorie was geformuleerd, debatteerde Albert Einstein over Niels Bohr tegen zijn onverwachte niet-klassieke interpretatie, met het argument in een brief uit 1926 aan Max Born dat “In ieder geval, Ik ben ervan overtuigd dat hij niet dobbelt.”Recente experimenten hebben bewezen dat Einsteins intuïtie onjuist is.
De menselijke cultuur is gevuld met mythen. Wetenschap wil vooropgezette theorieën corrigeren door de nadruk te leggen op de sleutelrol van experimentele verificatie. De natuurlijke neiging van mensen om blindelings populaire vermoedens te volgen moet worden gematigd, omdat het onze wetenschappelijke visie verblindt en de vooruitgang in het begrijpen van de werkelijkheid onderdrukt.
wiskundige schoonheid is bewonderenswaardig, maar in een poging om de werkelijkheid te achterhalen moet het worden gedegradeerd naar de tweede plaats ten opzichte van het bewijs. Natuurkunde is een dialoog met de natuur—bereikt door experimentele testen van onze ideeën, en niet een monoloog waarin we onze “theorieën van alles” formuleren en op onze lauweren rusten. We moeten nederig blijven, rekening houdend met Gödel ’s bewijs dat alle wiskundige systemen logischerwijs onvolledig zijn en Galileo’ s inzicht dat de meeste van hen misschien niets met de werkelijkheid te maken hebben.