Mi a gubanc a fizikával?

373 Pages·2011·2.081 MB·Hungarian

by  Koronczay Dávid, Smolin, Lee

Lee Smolin
Mi a gubanc
a fizikával?
AKKORD KIADÓ
Kainak
Az eredeti mű címe:
Lee Smolin:
The trouble with physics
First Mariner Books, 2007
Fordította: Koronczay Dávid
Lektor: Egri Győző
Copyright © Lee Smolin, 2006
Hungarian translation © Koronczay Dávid, 2011
Hungarian edition © Akkord Kiadó, 2011
Minden jog fenntartva. A könyv bármely részlete csak a kiadó előzetes
engedélyével használható fel.
ISBN 978-963-252-036-0
ISSN 1586-8419
Kiadja az Akkord Kiadó Kft.
Felelős kiadó: Földes Tamás
Felelős szerkesztő: Várlaki Tibor
Szerkesztette: Oláh Judit
Borítóterv: Kállai Nagy Krisztina
Tördelés, tipográfia: Szmrecsányi Mária
Készült a Borsodi Nyomda Kft.-ben
Felelős vezető: Ducsai György
Az AKKORD Kiadó könyveinek kizárólagos terjesztője a Talentum Kft.
Cím: Törökbálint, DEPO II.
Telefon: [phone]
Fax: [phone]
E-mail: [email protected]
Tartalom
Bevezetés 4
Első rész. A befejezetlen forradalom 21
1. Az elméleti fizika öt nagy problémája 22
2. A szépség mítosza 36
3. A világ mint geometria 55
4. Az egyesítés tudománnyá válik 70
5. Az egyesítéstől a szuperegyesítésig 82
6. Kvantumgravitáció: elágazó utak 95
Második rész. A húrelmélet rövid története 113
7. A forradalom előkészületei 114
8. Az első szuperhúr-forradalom 126
9. A második forradalom 141
10. Egy bármit leíró elmélet 160
11. Az antropikus megoldás 171
12. Amit a húrelmélet megmagyaráz 187
Harmadik rész. A húrelméleten túl 209
13. Meglepetések a való világból 210
14. Einstein nyomdokain 228
15. A húrelmélet utáni fizika 242
Negyedik rész. Mit tanulhatunk a tapasztalatokból? 262
16. Mit tehetünk a szociológia ellenében? 263
17. Mi a tudomány? 290
18. Látnokok és mesteremberek 308
19. Hogyan működik a tudomány valójában? 330
20. Mit tehetünk a tudományért? 346
Köszönetnyilvánítás 353
Jegyzetek 356
Mutató 367
Bevezetés
Talán létezik Isten, talán nem. Vagy épp istenek. Mégis, a felsőbb erő
keresésében van valami nemes, és egyben valami nagyon emberi is, ami
jellemző minden tevékenységünkre, amely mély igazságok keresésére
irányul. Egyesek meditáció vagy imádkozás segítségével keresik a
transzcendenciát, mások embertársaik szolgálatában; megint mások,
akiket elég tehetséggel áldott meg a sors, a művészetekben.
És ismét csak egy másik út az élet legmélyebb kérdéseinek keresésére
– a tudomány. Nem mintha minden tudós ezeket kutatná – legtöbbjük
mással foglalkozik. De minden tudományágban vannak olyanok, akiket
fűt a szenvedély, hogy kiderítsék, mik a terület legalapvetőbb igazságai.
A matematikusok között ők azok, akik tudni akarják, a számok valójában
micsodák, vagy a matematika által leírtak milyen típusú igazságok. A
biológusok között ők azok, akik tudni szeretnék, mi az élet, és hogyan
kezdődött. A fizikusok között ők azok, akik meg akarják ismerni a tér és
az idő természetét, és ki akarják deríteni, hogyan jött létre a
Világegyetem. Ezeket a kérdéseket a legnehezebb megválaszolni, és az
előrelépés általában közvetett úton történik. Nagyon kevés
természettudósnak van türelme ehhez a fajta munkához. Ez a
legkockázatosabb típusú kutatás, de egyben a jutalom is itt a legnagyobb:
ha valaki megválaszolja egy terület valamelyik alapkérdését, az minden
addigi tudásunkat átírhatja.
A tudósok, mivel munkájuk nem más, mint tudásunk hatalmas
tárházának továbbnövelése, napjaikat az ismeretlennel való küzdelemmel
töltik. Azok pedig, akik egy adott terület alapjait kutatják, tökéletesen
tisztában vannak vele, hogy tudásunk építőkövei korántsem olyan
sziklaszilárdak, mint azt többi kollégájuk hiszi.
A most következő történet a természet legalapvetőbb működésének
megértésére irányuló erőfeszítésekről szól. Főszereplői azok a tudósok,
akik a fizikai alaptörvényekről való ismereteink bővítésén dolgoznak. Az
időszak, amivel foglalkozni fogok, nagyjából 1975-től kezdődik, és lefedi
saját elméleti fizikusi pályámat. Ez egyben a fizika történetének
legfurcsább és legkiábrándítóbb korszaka, amióta Kepler és Galilei
négyszáz évvel ezelőtt megalapozta ezt a tudományt.
A történetet, amit elmesélek, egyesek tragédiaként értékelhetik.
Kertelés nélkül kimondhatjuk – elárulva a csattanót –, hogy kudarcot
vallottunk. Megörököltünk egy tudományt, a fizikát, amely olyan sokáig
olyan gyorsan fejlődött, hogy gyakran példaként említették, hogyan kéne
a többi tudománynak működnie. Több mint két évszázadon keresztül,
egészen a jelenkorig, a természet törvényeiről alkotott ismereteink gyors
ütemben bővültek. Ma azonban minden erőfeszítésünk ellenére
bizonyossággal pontosan ugyanannyit tudunk ezekről a törvényekről,
mint az 1970-es években.
Meglehetősen szokatlan, hogy három évtized lényeges fejlődés nélkül
teljen el a fundamentális fizikában. Még, ha visszatekintünk kétszáz évvel
ezelőttre, amikor a tudományt nagyrészt jómódú amatőrök művelték,
akkor sem látunk rá példát. Legalábbis a késő tizennyolcadik századtól
kezdve minden negyedszázadban lényeges előrelépés történt valamilyen
döntő kérdésben.
1780-ban, amikor Antoine Lavoisier kvantitatív kémiai kísérletei
megmutatták, hogy az anyag mennyisége megmarad, Isaac Newton
gravitációs törvénye és mozgástörvényei már majdnem százévesek
voltak. Newton megadta a kereteket a természet egészének megértéséhez,
a feladat azonban továbbra is nyitott maradt. Az emberek épp csak
elkezdték megismerni az anyaghoz, a fényhez, a hőhöz kapcsolódó
alapvető tényeket, és elkezdték tisztázni az olyan rejtélyes jelenségeket,
mint az elektromosság és a mágnesesség.
A következő huszonöt év során lényeges felfedezések születtek ezen
területek mindegyikén. Kezdtük megérteni, hogy a fény egyfajta hullám.
Felfedeztük az elektromosan töltött részecskék kölcsönhatását leíró
törvényeket. John Dalton atomelméletével hatalmas lépést tettünk az
anyag megértése felé. Bevezettük az energia fogalmát; az interferenciát
és a diffrakciót sikerült megmagyarázni a fény hullámelméletével;
felderítettük az elektromos ellenállást, valamint az elektromosság és
mágnesesség kapcsolatát.
Az ezt követő huszonöt év alatt, 1830 és 1855 között számos, a modern
fizika alapjait képző fogalmat vezettünk be. Michael Faraday lefektette
elképzelését, hogy az erőket terek (mezők) közvetítik. Elméletét nagy
sikerrel alkalmazta az elektromosság és a mágnesesség megértésében.
Ugyanekkor jelent meg az energiamegmaradás gondolata, valamint a
termodinamika második főtétele.
A következő negyedszázadban Faraday mezőkről alkotott úttörő
elképzeléseit James Clerk Maxwell továbbfejlesztette, és létrejött az
elektromágnesesség modern elmélete. Maxwell nem csupán az
elektromosságot és a mágnesességet egyesítette, hanem a fényt is le tudta
írni elektromágneses hullámként. 1867-ben az atomelmélet segítségével
megmagyarázta a gázok viselkedését. Közben Rudolf Clausius bevezette
az entrópia fogalmát.
Az 1880 és 1905 közötti időszakban felfedeztük az elektronokat és a
röntgensugarakat. A hősugárzás vizsgálata sok lépésen keresztül eljutott
Max Planck felfedezéséig, aki 1900-ban megtalálta a sugárzás
hőmérsékleti tulajdonságait leíró helyes képletet – amely később a
kvantummechanikai forradalom kiindulópontja lett.
1905-ben Albert Einstein 26 éves volt. Nem jutott akadémiai álláshoz
annak ellenére, hogy később a hősugárzás fizikájával kapcsolatos korai
munkáját is fontos tudományos eredményei közé sorolták. De az még
csak a bemelegítés volt. Hamarosan minden figyelmét a fizika
alapkérdéseire irányította: elsőként azt vizsgálta, hogyan lehet a mozgás
relativitását összeegyeztetni Maxwell elektromosságot és mágnességet
leíró törvényeivel. Ezt a speciális relativitáselméletben válaszolta meg. A
kémiai elemeket newtoni atomoknak kell tekintenünk? Einstein
bebizonyította, hogy igen. Hogyan tudjuk összeegyeztetni a fény
elméletét az atomok létével? Einsteinnek sikerült, és eközben
megmutatta, hogy a fény részecske is és hullám is. Mindezt egyetlen év,
1905 során, szabadidejében, a szabadalmi hivatalbeli munkája mellett.
Einstein meglátásainak kidolgozásához újabb negyed századra volt
szükség. 1930-ra birtokunkban volt általános relativitáselmélete, amely
azt a forradalmi kijelentést teszi, hogy a tér geometriája nem rögzített,
hanem időben változó. Az Einstein által 1905-ben felfedezett részecske-
hullám dualitásból kifejlődött a teljes kvantumfizika, amely részletesen
megmagyarázta az atomok, a kémia, az anyag és a sugárzás működését.
1930-ra az is kiderült, hogy a Világegyetem hatalmas számú, sajátunkhoz
hasonló galaxist tartalmaz – és hogy ezek egymástól távolodnak. Ennek
következményei még nem voltak világosak, de tudtuk, hogy táguló
világegyetemben élünk.
A kvantumelmélet és az általános relativitáselmélet létrejöttével véget
ért a világfelfogásunkat meghatározó huszadik századi fizikai
forradalmak első fejezete. Sok professzor, aki kényelmetlennek érezte a
szakterületén folyó forradalmat, fellélegzett egy kicsit, hogy a tudomány
művelése most már visszatérhet a megszokott kerékvágásba, nem kell
minden alapfeltevésünket lépten-nyomon megkérdőjeleznünk. Ez a
megkönnyebbülés azonban korainak bizonyult.
Einstein a következő negyedszázad végén, 1955-ben hunyt el. Addigra
megtanultuk, hogyan lehet a kvantumelméletet összeegyeztetni a
speciális relativitáselmélettel; ez Freeman Dyson és Richard Feynman
generációjának az eredménye volt. Felfedeztük a neutronokat, a
neutrínókat és más, látszólag elemi részecskék százait. Azt is
megértettük, hogy a természeti jelenségek sokaságát csupán négy
kölcsönhatás irányítja: az elektromágnesesség, a gravitáció, az erős
magerő (ez tartja egyben az atommagokat) és a gyenge magerő (amely a
radioaktív bomlásért felelős).
Újabb negyed század elteltével elérkeztünk 1980-ba. Addigra
létrehoztunk egy olyan elméletet, amely megmagyarázta az elemi
részecskéket és kölcsönhatásaikat vizsgáló kísérletek összes addigi
eredményét – ez az elemi részecskék fizikájának standard modellje. A
standard modell például pontosan megmutatta, hogyan jönnek létre a
protonok és neutronok kvarkokból, melyeket az erős magerőt közvetítő
gluonok kötnek össze. A fundamentális fizika történetében először fordult
elő, hogy az elmélet beérte a kísérleti oldalt. Azóta sem végzett senki
olyan mérést, amely ellentmondott volna akár ennek a modellnek, akár az
általános relativitáselméletnek.
A legkisebb méretek után a legnagyobbakat véve szemügyre, bővülő
fizikai ismereteink nyomán létrejött egy új terület, a kozmológia, melyen
belül az Ősrobbanás-elmélet vált az elfogadott elméletté. Felismertük,
hogy a Világegyetemet nemcsak csillagok és galaxisok népesítik be,
hanem olyan egzotikus objektumok is, mint a neutroncsillagok, a
kvazárok, a szupernóvák és a fekete lyukak. 1980-ra már ismertük
Stephen Hawking fantasztikus jóslatát, mely szerint a fekete lyukak
sugároznak. A csillagászok találtak bizonyítékokat, melyek arra utaltak,
hogy a Világegyetem rengeteg sötét anyagot tartalmaz – azaz olyan
anyagot, amely nem nyel el és nem bocsát ki fényt.
1981-ben Alan Guth kozmológus előállt az inflációval, egy a
Világegyetem egészen korai történetére vonatkozó elmélettel. Ennek
nagyjából az az alapfeltevése, hogy korai története során az Univerzum
hatalmas felfúvódáson ment keresztül, és ez megmagyarázza, miért néz ki
minden irányban meglehetősen egyformának. Az infláció elmélete
nehezen hihető jóslatokat tett, de úgy egy évtizede az új bizonyítékok
fényében kezdett egyre valószínűbbnek tűnni. Írásom pillanatában még
mindig van néhány rejtélyes részlet, de a bizonyítékok többsége
alátámasztja az infláció jóslatait.
Összegezve tehát, 1981-re a fizika kétszáz évnyi gyors növekedést
tudhatott a háta mögött. Újabb és újabb felfedezések sora mélyítette
tovább a természetről alkotott ismereteinket, mivel az elméletek és a
kísérletek fej-fej mellett haladtak. Új elképzeléseket ellenőriztek és
igazoltak kísérletileg, miközben az elméletek új kísérleti felfedezéseket
magyaráztak meg. Az 1980-as évek elején aztán elakadt ez a fejlődés.
Én az első olyan fizikusgenerációhoz tartozom, amely a
részecskefizikai standard modell létrejötte után kezdte tanulmányait.
Amikor régi egyetemi barátokkal találkozom, néha feltesszük magunknak
a kérdést: „Mit fedezett fel a mi generációnk, amire büszke lehet?” Ha
ezen olyan új, alapvető felfedezéseket értünk, amelyeket sikerült
kísérletileg igazolni és elméletekkel leírni – az imént felsoroltakhoz
hasonló jelentőségű felfedezéseket –, nos, akkor sajnos be kell
ismernünk, a válasz az, hogy semmit! A kanadai Ontario államban,
Waterlooban található Perimeter Elméleti Fizikai Intézetben – ahol
jelenleg dolgozom – egy szeminárium keretében Mark Wise, aki egyike a
vezető elméleti kutatóknak és a standard modellen túli részecskefizikával
foglalkozik, nemrégiben arról beszélt, honnan származik az elemi
részecskék tömege. „Erre a kérdésre egyszerűen képtelenek voltunk
választ találni – mondta. – Ha most a fermionok tömegének kérdéséről
kellene előadást tartanom, valószínűleg csak olyasmiket tudnék mondani,
amit már az 1980-as években is tudtunk.”1 Ezután elmesélt egy történetet
arról, amikor ő és John Preskill – egy másik vezető kutató – 1983-ban
állást kapott a Caltechen. (A California Institute of Technology elterjedt
rövidítése – a szerkesztő megjegyzése.) „John Preskill-lel az ő szobájában
ültünk és beszélgettünk… A Caltechen a fizika istenei vettek minket
körül, és mostantól mi is ott dolgozunk majd! John megjegyezte: »Nem
fogok megfeledkezni róla, mi a feladatunk«, és fogott egy sárga
papírlapot, felírt rá mindent, amit tudtunk a kvark- és leptontömegekről,
és feltűzte az üzenőtáblájára… nehogy elfelejtsen foglalkozni a
problémával. Tizenöt évvel később épp a szobájában vagyok, valamiről
beszélgetünk, amikor véletlenül az üzenőtáblára téved a tekintetem. A
papírlap még mindig ott van – de a nap kifakított minden írást. Az összes
probléma eltűnt!”
Igazság szerint az elmúlt évtizedek alatt azért tettünk két fontos
felfedezést: az egyik, hogy a neutrínóknak van tömege, a másik, hogy az
Univerzumot egy rejtélyes sötét energia uralja, amely, úgy tűnik,
gyorsítja a Világegyetem tágulását. Ugyanakkor fogalmunk sincs arról,
hogy miért van a neutrínóknak (vagy bármelyik másik részecskének)
tömege, vagy hogy mi határozza meg a tömegek konkrét értékét. Ami a
sötét energiát illeti, semmilyen jelenlegi elmélet nem ad számot róla.
Felfedezése tehát nem tekinthető sikernek, mivel arra utal, hogy
tudásunkból hiányzik valamilyen fontos részlet. A sötét energiától
eltekintve elmondható, hogy nem fedeztünk fel semmilyen új részecskét,
semmilyen új kölcsönhatást, semmilyen új jelenséget, amelyet huszonöt
évvel ezelőtt ne ismertünk és értettünk volna.
Nem szeretném, ha az olvasó félreértene. Az elmúlt huszonöt év
kétségtelenül szorgos munkával telt. Hatalmas előrelépéseket tettünk az
ismert elméletek alkalmazásában: az anyagtudományban, a biológia
alapjait jelentő molekuláris fizikában, a hatalmas csillagklaszterek
dinamikájában. Azonban ha a természettörvényekkel kapcsolatos
tudásunk mélyítését nézzük, nem sokat haladtunk előre. Sok gyönyörű
elképzelést vizsgáltunk meg, figyelemreméltó kísérleteket hajtottunk
végre részecskegyorsítókban, új kozmológiai megfigyeléseket tettünk, de
ezek elsősorban csak a meglévő elméleteket tudták igazolni. Kevés igazi,
nagy lépést tettünk, és egyik sem volt annyira fontos és meghatározó,
mint az előző kétszáz év lépései. A sportban vagy az üzleti életben azt
mondanák erre: lélektani határhoz értünk.
Miért tűnik hirtelen úgy, hogy válságba került a fizika? És hogyan
lábalhatunk ki belőle? Könyvem ezekkel a kérdésekkel foglalkozik.
Természetem szerint optimista vagyok, és sokáig próbáltam küzdeni a
következtetés ellen, hogy a fizikának ez az időszaka – amely egybeesik
saját pályafutásommal – szokatlanul terméketlen volt. Számomra, és sok
ismerősöm számára, akik azzal a reménnyel vágtunk bele a tudományba,
hogy fontos eredményeket tudunk majd hozzátenni egy – akkoriban –
gyorsan fejlődő területhez, nehéz szembenézni a ténnyel, hogy az előző
generációkkal ellentétben egyetlen eredményünk sincs, amely bizonyosan
túlélne minket. Ez számos egyéni krízist eredményezett. De ami sokkal
elkeserítőbb, a fizikában is krízist teremtett.
Az elmúlt három évtizedben az elméleti fizika fő kihívását a standard
modell mélyebb magyarázata jelentette. A területen lázas munka folyt. Új
hipotéziseket állítottak fel és dolgoztak ki – némelyiket egészen
részletesen –, de egyik sem nyert kísérleti igazolást. És ez itt a probléma
lényege: a tudományban ahhoz, hogy egy elméletet elfogadjunk, annak új
jóslatot kell megfogalmaznia – amely eltér a többi elmélet jóslataitól –
egy addig el nem végzett kísérlet eredményére. A kísérletnek csak akkor
van értelme, ha elvileg a jóslattól eltérő kimenetele is lehet. Ha ez a
helyzet, akkor az elmélet cáfolható, azaz falszifikálható. Az elméletnek
egyben verifikálhatónak is kell lennie – lennie kell egy olyan új jóslatnak,
amit csak ez az egy elmélet tesz, és amely igazolható. Az elméletet
onnantól kezdve fogadjuk el igaz elméletként, hogy alávetettük a
próbának, és az eredmények igazolták a jóslatokat.
A standard modellen túli elméletek, amelyek az elmúlt harminc évben
születtek, két kategóriába sorolhatók. Egy részük falszifikálható volt –
ezeket rendre megcáfolták. A többit pedig még nem vetettük alá próbának
– vagy azért, mert nem tesznek világos jóslatokat, vagy mert olyan
jóslatokat tesznek, amelyeket a jelenlegi technológiákkal képtelenek
vagyunk ellenőrizni.
Az elmúlt három évtized során az elméleti kutatók legalább egy tucat
új megközelítéssel rukkoltak elő. Mindegyik megközelítés valamilyen
meggyőző hipotézisen alapul, de eddig egyik sem tudott
győzedelmeskedni. A részecskefizikában ide sorolható a technicolor, a
preonmodellek és a szuperszimmetria. A téridő területéhez tartozik a
tvisztorelmélet, a kauzális halmazok elmélete, a szupergravitáció, a
dinamikai trianguláció és a hurok-kvantumgravitáció. Egyik-másik
elképzelés pont olyan egzotikus, mint azt a neve sugallja.
Van azonban egy elmélet, amely több figyelmet kapott, mint az összes
többi együttvéve: ez a húrelmélet. Népszerűségének okai könnyen
érthetők. Az elmélet egyaránt le szeretné írni a parányok és az óriások
világát – az elemi részecskéket és a gravitációt –, és mindezt egy
bármelyik elméletnél bátrabb hipotézis alapján. Azt a feltevést teszi, hogy
a világban eddig nem megfigyelt dimenziók is vannak, méghozzá a
jelenleg ismerteknél sokkal többféle részecskével. Továbbá azt is állítja,
hogy minden elemi részecske egyetlen típusú entitás – a húrok –
rezgéseiként jön létre. Ezeknek a húroknak a viselkedését ráadásul
gyönyörű, egyszerű törvények irányítják. Az állítás szerint ez az elmélet
volna az elmélet – mely a természet összes részecskéjét és összes
kölcsönhatását egyesíti. Ilyenképp azt ígéri, hogy minden eddigi vagy a
jövőben elvégezhető fizikai kísérlet eredményére egyértelmű jóslatot tud
tenni. Az utóbbi húsz évben rengeteg energiát fordítottunk a húrelméletre,
de még mindig nem tudjuk, hogy az elmélet helyes-e. A belefektetett
rengeteg munka ellenére az elmélet nem tud olyan új jóslatokat tenni,
amit kísérletileg – egyáltalán bármilyen kísérletben, amit jelenleg el
tudunk képzelni – ellenőrizni tudnánk. Az a néhány világos jóslat, amit
produkált, megegyezik más, elfogadott elméletekével.
A húrelmélet többek között azért nem tesz új jóslatokat, mert úgy
tűnik, végtelenféle változata létezik. Még ha csak azokat az elméleteket
vesszük is figyelembe, amelyek összhangban vannak a világ néhány
megfigyelt, alapvető tulajdonságával – például hatalmas méretével, vagy
a sötét energia létezésével –, akkor is 10500 különböző húrelméletről
beszélünk! Azaz az 1-est 500 darab nulla követi – ez a szám nagyobb,
mint az atomok száma az ismert Világegyetemben! Ilyen hatalmas számú
elmélet esetén nem sok reményünk van azonosítani egy olyan kísérleti
eredményt, amelyet közülük némelyik ne engedne meg. Ezért,
függetlenül a kísérletek eredményétől, a húrelméletet nem lehet
megcáfolni. De az ellenkezője is igaz: igazolni sem lesz képes soha
semmilyen kísérlet.