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: 06 23 332 105 Fax: 06 23 232 336 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.