Beware of 'Theories of Everything’
do 1931 roku Kurt Gödel udowodnił swoje drugie twierdzenie o niekompletności, które mówi, że formalny system logiczny nie może okazać się spójny. Twierdzenie to rzuca zimną wodą na ostateczną zdolność do udowodnienia „teorii wszystkiego”, które stały się modne w fizyce teoretycznej. Oznacza to, że jakakolwiek teoria naukowa jest niekompletna.
Galileo Galilei wyszedł poza ograniczenia czystej logiki i twierdził, że każda teoria fizyczna twierdząca, że opisuje rzeczywistość, musi również przewidywać prognozy, które wytrzymują kontrolę eksperymentów. Odkrył eksperymentalnie, na przykład, że ciężkie obiekty nie przyspieszają szybciej niż lekkie obiekty pod wpływem grawitacji, jak wcześniej sądzono. Wynik ten położył podwaliny pod późniejsze odkrycie Alberta Einsteina, że grawitacja nie jest siłą, ale krzywizną czasoprzestrzeni, na którą wszystkie badane obiekty reagują w ten sam sposób.
dyktando Galileusza, oparte na pokorze, ustanowiło podstawę współczesnej fizyki na przestrzeni lat. Ale nowa kultura fizyków wydaje się kwestionować jej podstawową rolę. Na przykład, pionier teorii kosmicznej inflacji, Alan Guth, odpowiedział podczas dyskusji panelowej na moje pytanie, czy inflacja jest fałszywa, że tej teorii nie można udowodnić. Twierdził, że jest to ramy matematyczne, takie jak teorie miernicze, które muszą być ważne, a rola eksperymentów polega jedynie na ustaleniu elastycznych stopni swobody. Innymi słowy, teoria jest wystarczająco regulowana, aby pasowała do wszelkich danych eksperymentalnych o wszechświecie.
ale jeśli tak, to czy inflację można uznać za teorię fizyczną, która spełnia dyktando Galileusza? Jak teoria może twierdzić, że wyjaśnia początek wszechświata, jeśli nie może być udowodniona fałszywymi hipotetycznymi danymi eksperymentalnymi? Do tej pory znamy historie o alternatywnym pochodzeniu naszego wszechświata, sugerujące, że mógł on przejść przez odbicie z wcześniej kurczącej się fazy przed Wielkim Wybuchem lub że zaczął się od jakiegoś specjalnego stanu początkowego związanego z teorią strun. W dwóch artykułach, które napisałem niedawno z moim kolegą z Harvardu, Xingang Chenem i współpracownikami, zidentyfikowaliśmy eksperymentalny test, który ujawnił wstępne dowody w kosmicznym tle mikrofalowym i mógłby faworyzować alternatywne scenariusze niż model inflacji. Krótko mówiąc, podporządkowuje inflację dyktatowi Galileusza.
to nie byłby pierwszy raz, gdy matematycznie pomysłowa teoria nie zdołała uchwycić fizycznej rzeczywistości. W końcu geocentryczna ptolemejska teoria epicykli była matematycznie atrakcyjna, a jej ramy były wystarczająco szerokie, aby opisać ruch wszystkich planet na niebie. Ostatecznie jednak została ona odrzucona w stosunku do heliocentrycznej Newtońskiej teorii grawitacji, ponieważ wymagała dużej liczby wolnych parametrów, które musiały być precyzyjnie dostrojone indywidualnie dla każdej planety.
pomimo lekcji z historii nauki, przekonanie, że niektórych teorii fizycznych nie można obalić I musi być z natury prawdziwe w oparciu o abstrakcyjne rozumowanie, wciąż zyskuje na popularności. Dodatkowe przykłady obejmują hipotetyczne istnienie „wieloświata”, przypuszczenie, że rzeczywistość jest symulacją komputerową, zastosowania korespondencji AdS/CFT do świata rzeczywistego—która nie jest osadzona w przestrzeni anty-de-Sittera (AdS), ale w prawie-de-Sittera o zupełnie innej geometrii, czy nowa koncepcja „teorii wszystkiego” Stephena Wolframa.”Po inspirującym kolokwium, które Wolfram wygłosił w ramach Harvard’ s Black Hole Initiative, przyszła mi do głowy jedna myśl: Jeśli ta teoria przewiduje najniższą możliwą masę cząstki elementarnej, będziemy mogli ją przetestować na podstawie danych astrofizycznych.
prawdziwy świat nie ma obowiązku podążać za naszymi planami, tylko dlatego, że są one matematycznie atrakcyjne lub łatwiejsze do sformułowania niż jakaś alternatywa. Najlepszym przykładem jest mechanika kwantowa, której podstawowe zasady odbiegały jakościowo od fizyki klasycznej, ale zostały narzucone nam przez eksperymenty. Po teorii kwantowej został sformułowany, Albert Einstein debatował Nielsa Bohra przeciwko jego nieoczekiwanej nieklasycznej interpretacji, argumentując w 1926 list do Maxa Borna, że „w każdym razie, jestem przekonany, że nie gra w kości.”Ostatnie eksperymenty dowiodły, że intuicja Einsteina jest fałszywa.
Kultura ludzka jest pełna mitów. Nauka ma na celu skorygowanie z góry przyjętych teorii poprzez podkreślenie kluczowej roli weryfikacji eksperymentalnej. Naturalna tendencja ludzi do ślepego podążania za popularnymi przypuszczeniami powinna być złagodzona, ponieważ oślepia naszą naukową wizję i hamuje postęp w zrozumieniu rzeczywistości.
piękno matematyczne jest godne podziwu, ale w próbie rozgryzienia rzeczywistości powinno być zdegradowane do drugiego miejsca w stosunku do dowodów. Fizyka to dialog z przyrodą-realizowany poprzez eksperymentalne testowanie naszych idei, a nie monolog, w którym formułujemy nasze „teorie wszystkiego” i spoczywamy na laurach. Musimy pozostać pokorni, pamiętając o dowodzie Gödela, że wszystkie systemy matematyczne są logicznie niekompletne, oraz o tym, że większość z nich może nie mieć nic wspólnego z rzeczywistością.