Teoria corzilor și cosmologia: Fizica actuală în derivă

Teoreticienii corzilor sunt convinși că sunt fizicieni practicanți. Cu toate acestea, unii dintre criticii lor recenți neagă acest lucru. Acest conflict este într-adevăr despre cine deține autoritatea în a face judecată rațională în fizica teoretică. În partea de jos, conflictul se concentrează pe întrebarea: cine este un fizician adecvat? Einstein este pretins de ambele părți, iar istoriografia oferă exemple de știință non-empirică atât de succes cât și eșuată. Istoria științei ne învață, de asemenea, că vremurile de conflict sunt adesea vremuri de inovare, în care pot apărea noi identități academice. În același timp, de la contribuțiile lui Thomas Kuhn, istoricii au dezvoltat o atitudine critică față de încercările formale și rețetele metodologice de demarcare epistemică și justificare a practicii științifice. Acestea sunt, totuși, acum luate în considerare în dezbaterea privind fizica non-empirică.

Fizica teoretică a energiei înalte este în criză. Mulți fizicieni ar dori să nege acest lucru, dar este ilustrat din belșug de disputele aprinse, manifestele tensionate și exclamațiile de disperare din publicațiile extrem de vizibile. De exemplu, trei cosmologi proeminenți, Anna Ijjas, Paul Steinhardt și Abraham Loeb, au susținut în numărul din februarie 2017 al revistei Scientific American că modelul preferat de mult timp pentru universul timpuriu, cosmologia inflaționistă, nu are date care să o susțină și a trecut prin atât de multe peticiri că acum este dincolo de testare. De fapt, susțin autorii, cei care încă o favorizează sunt direct, prin alegere explicită sau prin angajament implicit, în marș către o „știință neempirică” fundamentală (Ijjas et al., 2017, p. 39).

Acuzația a primit o replică puternică: Alan Guth, unul dintre inventatorii inflației, împreună cu treizeci și doi de alți semnatari la fel de proeminenți (inclusiv cinci laureați ai Nobel) și-au exprimat un „dezacord categoric” cu articolul din Scientific American (Guth et al. 2017). Subliniind că reprezintă punctul de vedere al consensului, și că sunt „nedumeriți” de această critică: cosmologia inflaționistă nu este despre un model anume, ci despre un program, o „clasă de modele bazate pe principii similare” care de fapt a obținut un succes „empiric impresionant”: unele dintre predicțiile cheie ale inflației, cum ar fi caracteristicile particulare ale radiației cosmice de fond cu microunde, se afirmă că au fost confirmate în mod convingător. Astfel, Guth et al. respinge afirmația conform căreia scenariul inflației este imposibil de testat și, în orice caz, insistă că „testabilitatea unei teorii nu necesită în niciun caz ca toate predicțiile sale să fie independente de alegerea parametrilor”. Chiar dacă este „practica standard în știința empirică să modifici o teorie pe măsură ce noi date ies la lumină”, așa cum susțin ei, așa cum s-a făcut în construcția Modelului Standard al fizicii particulelor, Guth și coautorii săi contestă faptul că inflația a fost corectată: s-a mers pe „nu este nevoie să depășim clasa de modele inflaționiste standard”. Vorbind ca niște cosmologi empiriști conștiincioși, ei insistă că „știința empirică este vie și bine mersi!”

Astfel de dispute aprinse nu s-au limitat la cosmologie. New York Times a raportat în iunie 2017 că cercetătorii de la CERN sunt din ce în ce mai îngrijorați de lipsa datelor privind existența supersimetriei (Overbye, 2017), un element cheie al teoriei corzilor, care nu s-a evidențiat încă în niciunul dintre experimentele CERN. Multe căutări similare pentru particule de materie întunecată — care se așteaptă a fi necesare pentru a acoperi penuria gravitațională din cosmologiile noastre — nu au dus la nimic (Bertone & Tait, 2018). „Mulți dintre colegii mei sunt disperați”, a fost citat fizicianul teoretician german Hermann Nicolai în articolul din New York Times. Flexibilitatea teoriei este considerată a fi deosebit de problematică: parametrii supersimetriei, precum modelele materiei întunecate, au fost ajustați de mai multe ori, astfel încât întotdeauna pare să existe o altă versiune care ar putea să se utilizeze într-o altă încercare de observare — până acum, însă, nu a avut loc. Fizicianul particulelor Sabine Hossenfelder a fost cel mai explicit în exprimarea disperării, de exemplu în paginile lui Nature Physics: potrivit ei, fizica fundamentală se confruntă cu o lipsă de date și o multitudine uluitoare de teorii, înmulțindu-se în primul rând cu ceea ce atrage citări și finanțare. „Practicile actuale în dezvoltarea teoriei semnalează un eșec al metodei științifice”, crede Hossenfelder. Ea susține că, în timp ce astrofizicienii propun din ce în ce mai mulți candidați pentru materia întunecată sau modele diferite pentru inflație, „în absența unor măsuri de bună calitate […] nu există nicio dovadă că productivitatea unei teorii se corelează cu corectitudinea acesteia”. În timp ce moda impune, obiectivitatea este afectată: „prejudecățile sociale și cognitive” au produs „un eșec sistemic grav”.

Entuziasmul atent stins față de cele mai recente anunțuri preliminare venite de la CERN și Fermilab cu privire la o posibilă fizică dincolo de Modelul standard ilustrează atât teama actuală, cât și încurajarea pentru o promisiune de soluționare a lipsei de date. Deși rezultatele sunt încă neconcludente, există speranțe de a confirma în cele din urmă leptocuarci noi sau un moment magnetic anormal pentru muon. Cu toate acestea, interpretarea datelor Fermilab pentru momentul magnetic este încă dezbătută, atât cât sunt doar preliminare, în timp ce CERN lucrează pentru îmbunătățirea barelor de eroare în măsurătorile dezintegrarii mezonului. Într-un fel sau altul, anunțul rezultatelor, așa cum a spus experimentatorul Tomasso Dorigo, sunt „bune pentru fizica particulelor [. ] pentru că fizica particulelor a fost moartă de ceva vreme.” Hossenfelder, în maniera ei oarecum acerbă caracteristică, „nu ar paria” pe vreo nouă fizică care se va materializa. Cu toate acestea, mai la obiect: este greu de așteptat ca aceste rezultate, dacă în cele din urmă sunt confirmate, să ajungă direct în profunzimile gravitației cuantice, unde teoreticienii corzilor își desfășoară în mod tradițional munca.

Într-adevăr, criza din fizica fundamentală s-a manifestat cel mai puternic în discuțiile despre teoria corzilor. Subiectul, totuși, a rămas la fel de influent, deoarece este ambițios. Hossenfelder acuză teoria corzilor de o anumită desconsiderare față de „fapte”, despre care crede că oglindește disprețul familiar din discursul politic recent.

Cu toate acestea, teoreticienii de înaltă energie Herman Verlinde și Nima Arkhani-Hamed, ambii din Princeton, descriu o imagine surprinzător de diferită: în timp ce ei deplâng în egală măsură politica post-factuală, ei și-au prezentat propria subdisciplină drept bastion împotriva acestei tendințe alarmante: fizica fundamentală. și teoria corzilor se referă, în cuvintele lor, la găsirea „adevărului cu A majuscul”. Urmărirea acestor subiecte i-ar disciplina pe studenții în „toleranță, rezistență, reflecție și capacitatea de a pune la îndoială presupunerile”. Cu toate acestea, criticii teoriei corzilor indică în special cosmologiile acesteia ca exemple clare de fizică fără fapte.

Fizica fundamentală a înaltelor energii nu are o tradiție de conflict public. La jumătatea secolului al XX-lea, a fost primul subiect care a văzut echipe de colaborare la scară largă din Marea Știință. Aceștia, chiar dacă concurau acerb unul cu celălalt, susțineau în interior o normă culturală care prețuia conformitatea și spiritul de echipă și suprima disidența publică. Subdisciplina sa teoretică, de asemenea, a fost cândva un domeniu uniform în exterior în care dezbaterea filozofică a fost fie absentă, fie înăbușit rapid. Cu toate acestea, cele de mai sus sugerează că această subdisciplină devine acum din ce în ce zdrențuită: disputele cu privire la ceea ce contează ca metodă solidă sugerează o defalcare a înțelegerii comune a ceea ce constituie exact dovezi adecvate și raționalitate în fizica fundamentală modernă.

Unii au început să susțină că fizica are din nou nevoie de Istoria și Filosofia Științei. De exemplu, laureatul Nobel David Gross obișnuia să creadă (făcându-se ecoul declarațiilor celebrului fizician al particulelor din secolul al XX-lea Richard Feynman) că fizicienii au nevoie de „filozofii și istoricii științei, precum păsările au nevoie de ornitologi” – totuși, el s-a răzgândit: „avem nevoie unii de alții” , crede acum Gross (Wolchover, 2015). Într-adevăr, fizicienii au început să se îndrepte către istoria și filosofia științei pentru a aborda problemele semnalate mai sus. Concret, cosmologii George Ellis și Joe Silk (2014) au susținut în Nature că criteriul de testare al filosofului Karl Popper trebuie (re)instalat pentru a delimita cosmologia adecvată de teoretizările nejustificate, cum ar fi construcția de modele multivers. În același timp, teoreticienii corzilor precum Gross sunt de acord cu filozoful Richard Dawid (2013), care susține că teoria corzilor necesită o nouă înțelegere a raționalității științifice – o înțelegere în care progresul poate fi atins doar pe baza teoriei.

Această discuție, totuși, a suferit din cauza absenței unei perspective suficient de informate istoriografic. După cum a susținut deja Thomas Kuhn (1977a, pp. 266-292) și, așa cum, de exemplu, ilustrează istoria cercetării materiei întunecate, știința și cosmologia în special, nu au progresat prin testele de falsificare popperiene: adesea, înțelegerea teoretică a precedat observația și pentru perioade prelungite, observația poate părea complet echivocă sau chiar absentă. În cazul materiei întunecate, observațiile existente au fost interpretate ca dovezi pentru materia întunecată doar odată ce aranjamentele instituționale (crearea disciplinei cosmologiei fizice) și preferințele teoretice (dorința unui univers închis) au fost aliniate astfel încât acea interpretare a devenit viabilă— numai atunci au fost datele despre curbele de rotație ale galaxiilor și dinamica clusterelor lor concepute ca markeri convingătoare ai prezenței materiei întunecate. Deci, aceasta nu este o poveste a progresului prin încercări de falsificare popperiene (vezi Swart et al., 2017). Kuhn (1977a, pp. 266-292) a susținut, de asemenea, că astrologia, de exemplu, a fost falsificată de multe ori, dar a rămas o sursă empirică de cunoaștere stabilită timp de multe secole. În analiza lui Kuhn, dispariția autorității sale s-a datorat mai degrabă eșecului său de a produce o tradiție de rezolvare a puzzle-urilor în care teoria ar putea fi modificată sau înlocuită. Cu toate acestea, astronomia și-a păstrat autoritatea, chiar dacă multe dintre declarațiile sale (cum ar fi cele despre, să zicem, meteorologie sau medicină) au fost de asemenea falsificate în mod regulat. Ceea ce ilustrează aceste exemple este că încercările de falsificare pur și simplu nu sunt metoda prin care, din punct de vedere istoric, știința a progresat în mod obișnuit și că nu prin testarea empirică popperiană savanții au „demarcat” știința de non-știință în practica reală.

În plus, dacă s-ar folosi testabilitatea empirică drept un criteriu de demarcație al practicii științifice adecvate, așa cum au sugerat Ellis și Silk, atunci ar trebui să avem o înțelegere comună când o ipoteză este „testabilă”. Cu toate acestea, în cosmologia modernă, judecata asupra ipotezelor teoretice care pot fi considerate ca fiind falsificabile variază considerabil. De exemplu, ipotezele materiei întunecate și ale energiei întunecate au fost considerate a fi convenționaliste, adică scăpările ilicite din experimentele de falsificare în terminologia lui Popper – același punct pe care criticii îl ridică și împotriva scenariului inflației. Cu toate acestea, materia întunecată, energia întunecată și inflația sunt toate conceptele pe care George Ellis, într-o publicație separată (2017, p. 24), le găsește ca fiind „o teorie științifică bine stabilită”. Putem concluziona că o cerere de testabilitate va eșua probabil în cazul concret al corzilor și al cosmologiei moderne: fizicienii înșiși nu trebuie să fie de acord care sunt de fapt exemple de știință testabilă. Judecata cu privire la testabilitatea unei ipoteze în sine apare ca o teorie încărcată și dependentă de perspectiva savantului care o face.

Exemplul lui Copernic este deosebit de potrivit pentru discuția aceasta. Copernic și-a propus alternativa la universul ptolemean, destul de reușit, în 1543. Cu toate acestea, această propunere teoretică era practic dincolo de orice noțiune semnificativă de falsificare empirică. Această situație a persistat destul de mult până când Galileo a îndreptat telescopul nou inventat către cer și, în 1610, a observat fazele lui Venus. Cu toate acestea, urmând prescripția lui Ellis și Silk pentru cosmologia modernă, s-ar ajunge la concluzia că construcția teoriei ipotetice copernicane nu ar trebui să fie identificată ca o erudiție adecvată timp de multe decenii. Pare ciudat: mai degrabă, acest exemplu istoric ne învață, așa cum a încercat Kuhn să-l învețe pe Popper, că testabilitatea este insuficientă ca indicator al unei practici cosmologice adecvate.

Cu toate acestea, observațiile lui Galileo nu au primit imediat autoritate, iar ideile lui Copernic au fost, desigur, notoriu de controversate, dar nu din cauza naturii lor neempirice: Galileo mai avea nevoie să stabilească autoritatea metodelor empirice. Pentru a face acest lucru, susține istoriografia actuală, a trebuit să stabilească și autoritatea unui tip nou de savant: cea a unui „filozof matematic”, care credea că cunoștințele valide pot fi exprimate în legile matematice și obținute prin observație și experiment. Despre acest tip de proces de formare și demarcare a identității se pot vedea semne în disputa actuală despre teoria corzilor. Această observație poate oferi totuși o perspectivă asupra naturii acelei dezbateri și asupra modului de a o aprecia în dinamica inovării științifice.

Referințe

• Bertone, G., & Tait, T. (2018). A new era in the search for dark matter. Nature, 562, 51-56. Beyerchen, A. D. (1977). Scientists under Hitler. Politics and the physics community in the third Reich. New Haven: Yale University Press.
• Biagioli, M. (1993). Galileo, courtier. Thepractice of science in the culture of absolutism. Chicago: The University of Chicago Press.
• Dawid, R. (2013). String theory and the scientific method. Cambridge: Cambridge University Press.
• De Swart, J., Bertone, G., & van Dongen, J. (2017). How dark matter came to matter. Nature Astronomy, 10059. arXiv:1703.00013.
• Ellis, G., & Silk, J. (2014). Scientific method: Defend the integrity of physics. Nature, 516, 321-323.
• Heilbron, J. (1992). Creativity and big science. Physics Today, 45(11), 42-47.
• Kuhn, T. (1977a). Logic of discovery or psychology of research?. In The essential tension (pp. 266-292). Chicago: The University of Chicago Press.
• Merritt, D. (2017). Cosmology and convention. Studies in History andPhilosophy ofScience, Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics, 57, 41-52.
• Overbye, D. (2017). Yearning for new physics at CERN, in a post-Higgs way. In New York Times, 26 June 2017.
• Shapin, S. (1994). A social history of truth. Civility and science in seventeenth-century England. Chicago: The University of Chicago Press.
• Wolchover, N. (2015). A fight for the soul of science. Quanta Magazine. issue of 16 December https://www.quantamagazine.org/20151216-physicists-and-philosoph ers-debate-the-boundaries-of-science/. (Accessed 14 March 2018).

Sursa: Jeroen van Dongen, String theory, Einstein, and the identity of physics: Theory assessment in q absence of the empirical, în Studies in History and Philosophy of Science 89 (2021) 164–176, DOI: 10.1016/j.shpsa.2021.06.017, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare Nicolae Sfetcu