Όλη η σύγχρονη Φυσική κρέμεται από μία... χορδή

Τα τελευταία τριάντα χρόνια στην έρευνα της θεμελιώδους Φυσικής κυριαρχεί, σχεδόν μονοπωλιακά, η περίφημη θεωρία των «υπερχορδών». Μία ιδιαίτερα έξυπνη και γοητευτική ιδέα που, ενώ εξηγεί τα πάντα, δυστυχώς δεν επιβεβαιώνεται από τίποτα.

Το όνειρο της επιστήμης γενικά, και της Φυσικής ειδικότερα, ήταν ανέκαθεν να καταφέρει να κατανοήσει το σύνολο των φυσικών φαινομένων μέσω μιας ενιαίας θεωρίας, ικανής να εξηγεί σχεδόν τα πάντα: από τον μικρόκοσμο των στοιχειωδών σωματιδίων μέχρι τον μακρόκοσμο των αστέρων και των γαλαξιών. Αυτή η αέναη προσπάθεια ενοποίησης των πιο ετερογενών πεδίων γνώσης δεν χαρακτηρίζει μόνο κάθε επιστήμη μας, αλλά ενδεχομένως αντανακλά τη βαθύτερη ανάγκη του ανθρώπινου νου για ενότητα.

Πράγματι, ο ανθρώπινος νους φαίνεται πως λειτουργεί αποτελεσματικά μόνον όταν διαθέτει μία ενιαία εικόνα του κόσμου. Κι αν η πραγματικότητα δεν ικανοποιεί αυτή την ανάγκη του; Τότε, συνήθως επινοεί μια άλλη «πραγματικότητα», κατάλληλη για τις ανάγκες του.

Σε διάφορες στιγμές στη μακρά ιστορία της η Φυσική είχε πιστέψει ότι βρισκόταν στα πρόθυρα της πραγμάτωσης αυτού του άπιαστου ονείρου της «Μεγάλης Ενοποίησης». Πάντοτε όμως έβλεπε τις ελπίδες της να διαψεύδονται και το όνειρό της να μετατρέπεται σε εφιάλτη.

Τα παραδείγματα από την ιστορία της επιστήμης αφθονούν. Ας αναφέρουμε μόνον ότι στα τέλη του 19ου αιώνα οι πλέον επιφανείς φυσικοί ήταν απολύτως βέβαιοι ότι το τέλος της επιστήμης τους ήταν ζήτημα λίγων ετών. Εκκρεμούσαν βέβαια κάποια «ασήμαντα» προβληματάκια, όπως πίστευαν τότε. Τα αμέσως επόμενα χρόνια, όμως, από τη διερεύνηση αυτών των «επουσιωδών» προβλημάτων τους θα προκύψουν αφενός η θεωρία της σχετικότητας για τον μακρόκοσμο και αφετέρου, η Κβαντομηχανική για τον μικρόκοσμο: δύο μεγάλες επιστημονικές επαναστάσεις του 20ού αιώνα που ανέτρεψαν την προγενέστερη «κλασική» και εύτακτη εικόνα μας για το Σύμπαν. Η πολυπόθητη έλευση της τελικής θεωρίας των πάντων έπρεπε επομένως να αναβληθεί προσωρινά.

Το όνειρο της «Μεγάλης Ενοποίησης»

Το πρώτο μισό του 20ού αιώνα υπήρξε αναμφίβολα μία από τις πιο γόνιμες περιόδους στην πρόσφατη ιστορία της Φυσικής. Μια θύελλα από μεγαλοφυείς ιδέες και ρηξικέλευθες προσεγγίσεις ανέτρεψε εκ θεμελίων την αυταπάτη μας ότι μία απλή και λογική «λύση» στα μεγάλα ερωτήματα της Φυσικής βρισκόταν προ των πυλών. Μετά το 1950 μάλιστα έγινε σε όλους σαφές ότι οι δύο πρόσφατες επαναστάσεις στη Φυσική την οδηγούσαν αναπότρεπτα σε μια σχιζοειδή θεώρηση του φυσικού κόσμου: η περιγραφή του μικροσκοπικού σύμπαντος της Κβαντομηχανικής δύσκολα θα μπορούσε να ενοποιηθεί με την περιγραφή του μακροσκοπικού σύμπαντος από τη γενική θεωρία της σχετικότητας.

Μολονότι τόσο η θεωρία της σχετικότητας όσο και αυτή των κβάντων θεωρούνται απολύτως θεμελιώδεις και πειραματικά επιβεβαιωμένες, θα εξακολουθήσουν να παραμένουν ενοχλητικά ατελείς και ανολοκλήρωτες, τουλάχιστον μέχρι να βρεθεί κάποιος «μαγικός» τρόπος για να τις ενοποιήσουμε. Δυστυχώς, όμως, κάθε προσπάθεια προς αυτή την κατεύθυνση έχει, μέχρι στιγμής, αποτύχει παταγωδώς: την πρώτη αποτυχημένη προσπάθεια του Αϊνστάιν το 1928 θα διαδεχτούν οι εξίσου ατυχείς προσπάθειες του Ε. Σρέντινγκερ το 1946 και του Β. Παουλί το 1958. Μέχρι τα τέλη του 20ού αιώνα καμία πραγματικά ενδιαφέρουσα θεωρία «ενοποιημένου πεδίου» δεν στάθηκε ικανή να μας προσφέρει μια ενιαία περιγραφή της φυσικής πραγματικότητας.

Αυτό βέβαια δεν σημαίνει ότι η έρευνα στη θεμελιώδη Φυσική δεν πραγματοποίησε σημαντικές προόδους κατά το δεύτερο μισό του 20ού αιώνα. Κατ' αρχάς, κατανόησε σε βάθος και απλοποίησε σημαντικά την περιγραφή του μικρόκοσμου. Ολα τα υποατομικά σωματίδια που υπάρχουν στο Σύμπαν μπορούν να είναι είτε «κουάρκ» είτε «λεπτόνια»: 6 διαφορετικοί τύποι κουάρκ και 6 διαφορετικοί τύποι λεπτονίων αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, μέσω 4 δυνάμεων, για να δημιουργήσουν κάθε υλική δομή που υπάρχει. Οι τέσσερις δυνάμεις ή τρόποι αλληλεπίδρασης των υποατομικών σωματιδίων είναι η βαρύτητα, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ισχυρή πυρηνική δύναμη και η ασθενής πυρηνική δύναμη.

Αυτή η παραπλανητικά απλή περιγραφή του μικρόκοσμου ολοκληρώθηκε κατά τα μέσα του 1970 και ονομάστηκε «καθιερωμένο πρότυπο» της Φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων. Και πρόκειται για ένα παραπλανητικά απλό μοντέλο γιατί υποκρύπτει κάποιες εγγενείς και ανεπίλυτες δυσκολίες. Για παράδειγμα, τις πολλές αυθαίρετες και ανεξήγητες «σταθερές» που οι φυσικοί εισάγουν ώστε να καθορίσουν τις ιδιότητες των σωματιδίων.

Ομως, εκτός από τη Μικροφυσική, τεράστιες πρόοδοι έχουν συντελεστεί και στο πεδίο της Αστροφυσικής, και κυρίως της Κοσμολογίας. Για παράδειγμα, η θεωρία της Μεγάλης Εκρηξης, καθώς και η πιο πρόσφατη ασύλληπτη ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας, που οδηγούν σε απρόβλεπτες εξελίξεις τη Φυσική του 21ου αιώνα (βλ. «Ε»29-3-08).

Υπερχορδές: η οριστική λύση;

Αναμφίβολα όμως, και παρά τις εκπληκτικές κατακτήσεις σε διάφορους τομείς της Φυσικής, η πιο «τρελή» και εντυπωσιακή θεωρητική εξέλιξη των τελευταίων 30 χρόνων είναι ομολογουμένως η θεωρία των χορδών ή, ακριβέστερα, των υπερχορδών. Μία τολμηρή θεωρητική εικασία, η οποία, μολονότι δεν έχει αποδειχτεί πειραματικά ούτε στηρίζεται σε κάποιες ελέγξιμες εμπειρικές μετρήσεις, γνώρισε απροσδόκητα την ευρύτατη αποδοχή της επιστημονικής κοινότητας.

Οι πρώτες βασικές εκδοχές αυτής της θεωρίας διαμορφώθηκαν τη δεκαετία του 1970, κυρίως από τους διάσημους σήμερα θεωρητικούς φυσικούς Γιοϊκίρο Νάμπου, Χόλγκερ Νίλσεν, Λέοναρντ Σούσκιντ και Τζον Σβαρτς. Αυτοί οι πρωτοπόροι ερευνητές ξεκίνησαν από την ανατρεπτική παραδοχή ότι θα πρέπει να εγκαταλείψουμε οριστικά την ιδέα των σωματιδίων και να την αντικαταστήσουμε με αυτή των μονοδιάστατων χορδών που πάλλονται με διαφορετικούς τρόπους και κατ' αυτό τον τρόπο γεννούν, χάρη στις διαφορετικές «νότες» τους, όλα τα είδη σωματιδίων και τις δυνάμεις της Φύσης.

Η θεμελιώδης, αν και ακόμη παντελώς αναπόδεικτη, υπόθεση της θεωρίας των χορδών διατείνεται ότι ο «πραγματικός» κόσμος είναι πολύ διαφορετικός από τον κόσμο που βλέπουμε ή παρατηρούμε στα εργαστήριά μας: τα στοιχειώδη σωματίδια της Μικροφυσικής δεν είναι ούτε «στοιχειώδη» ούτε «σωματίδια», αντίθετα είναι οι εκδηλώσεις λεπτότατων παλλόμενων χορδών. Διαφορετικές καταστάσεις ταλάντωσης των μονοδιάστατων χορδών αντιστοιχούν στα διαφορετικά είδη σωματιδίων του «καθιερωμένου προτύπου».

Μία άλλη σημαντική συνέπεια της θεωρίας είναι ότι ο γνωστός μας χωροχρόνος δεν έχει μόνο τέσσερις διαστάσεις (μήκος, πλάτος, ύψος και χρόνο), αλλά πολύ περισσότερες «κρυμμένες» διαστάσεις (αρχικά, υπολόγισαν ότι υπήρχαν 25 διαφορετικές διαστάσεις, αλλά τελικά κατάφεραν να τις περιορίσουν «μόνο» σε 11 διαστάσεις: τις 4 γνωστές συν 9 παντελώς άγνωστες και εκ φύσεως αόρατες διαστάσεις)!

Αρχικά, οι θεωρητικοί των χορδών πίστευαν ότι οι επιπλέον διαστάσεις του υπερχώρου όπου βρίσκονται οι υπερχορδές είναι μικροσκοπικές και άρα περιορίζονται στον υποατομικό κόσμο. Αργότερα όμως, στα μέσα της δεκαετίας του 1990, κάποιοι τολμηροί φυσικοί πρότειναν ότι αυτό ενδέχεται να μην ισχύει. Συνεπώς, υποστηρίζουν αυτοί οι ευφάνταστοι θεωρητικοί, οι υπερχορδές θα μπορούσαν να έχουν πολύ μεγάλο ή και άπειρο μέγεθος. Σε αυτή την περίπτωση μιλάνε για γιγάντιους κόσμους-βράνες (βλ. «Ε» 24-5-08). Το τρισδιάστατο Σύμπαν μας ανάγεται λοιπόν σ' ένα τέτοιο Σύμπαν-βράνη γιγαντιαίων διαστάσεων!

Η παραλυτική γοητεία των πολλαπλών κόσμων

Ποια είναι όμως τα βασικά προτερήματα και ποια τα ασυγχώρητα, για πολλούς, μειονεκτήματα αυτής της όντως εντυπωσιακής θεωρίας;

Ανάμεσα στα προτερήματα της θεωρίας είναι ότι αυτή μόνον καταφέρνει να ενοποιήσει, για πρώτη φορά, την Κβαντική Φυσική με τη θεωρία της σχετικότητας. Οι υποθετικές χορδές μπορούν θεωρητικά να παράγουν όχι μόνον όλα τα γνωστά είδη υποατομικών σωματιδίων αλλά και όλες τις ήδη γνωστές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων. Και κυρίως οι υπερχορδές ανοίγουν τον δρόμο για τη διερεύνηση των αινιγματικών «βαρυτονίων», τα οποία θεωρούνται κλειστές χορδές, ικανές να προάγουν τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις.

Οσο για τα μειονεκτήματά της; Αυτά φαίνεται να είναι όχι μόνο πολλά, αλλά και σχεδόν θανάσιμα για το μέλλον της ως στιβαρής επιστημονικής θεωρίας. Κατ' αρχάς, κανείς δεν ξέρει από τι είναι φτιαγμένες, ούτε καν αν υπάρχουν, αυτές οι χορδές. Οι οπαδοί της θεωρίας είτε δεν είναι σε θέση είτε αποφεύγουν συστηματικά να προτείνουν κάποιον τρόπο εμπειρικού ελέγχου που θα επιβεβαίωνε ή έστω θα διέψευδε οριστικά κάποιες προβλέψεις της θεωρίας των χορδών. Το γεγονός αυτό από μόνο του θα αποτελούσε πριν από μερικές δεκαετίες επαρκή λόγο για την οριστική απόρριψη αυτής της θεωρίας!

Κατά το παρελθόν, όπως σχολιάζει ειρωνικά ο διάσημος θεωρητικός φυσικός Μίκιο Κακού στο βιβλίο του «Παράλληλοι κόσμοι» (ελλ. εκδ. «Τραυλος»), «η Φυσική βασιζόταν στη διεξοδική παρατήρηση της Φύσης, τη διατύπωση μιας επιμέρους υπόθεσης, τον προσεκτικό έλεγχο της υπόθεσης αυτής βάσει των διαθέσιμων δεδομένων και την επίμονη επανάληψη αυτής της διαδικασίας ξανά και ξανά. Η θεωρία των χορδών ήταν μια ξεκούραστη μέθοδος, που βασιζόταν στο να μαντέψεις τη σωστή απάντηση».

Αυτή η επιστημονική-μεθοδολογική αυθαιρεσία της θεωρίας ενοχλεί έντονα και τρομάζει πλέον πολλούς σοβαρούς θεωρητικούς φυσικούς (βλ. πλαίσιο). Για παράδειγμα, πριν από τρεις μήνες, στην Ιταλία, ο επιφανής θεωρητικός φυσικός Λόρενς Κράους δήλωσε ότι όχι μόνο δεν πιστεύει καθόλου στην ύπαρξη των επιπλέων διαστάσεων του υπερχώρου, καθώς και ότι στην πραγματικότητα «η θεωρία των χορδών είναι μια θρησκευτική ιδεοληψία». Και το γεγονός ότι μια θεωρία προβάλλεται ως μια παντοδύναμη θεωρία των πάντων δεν αποτελεί καθόλου επιχείρημα υπέρ της «επιστημικότητάς» της.

Αν δεχτούμε, όπως λέγαμε στην αρχή, πως ο τελικός σκοπός της επιστήμης είναι η επίτευξη μιας «θεωρίας των πάντων», τότε θα πρέπει να ομολογήσουμε ότι μέχρι σήμερα η Φυσική, που θεωρείται η «βασίλισσα των επιστημών», έχει αποτύχει παταγωδώς!

Ταυτόχρονα όμως, κάθε επιμέρους αποτυχία της, όσο οδυνηρή κι αν είναι για την επιστημονική μας «ματαιοδοξία», ανοίγει νέους, ανεξερεύνητους δρόμους, που οδηγούν τη Φυσική σε απροσδόκητες και συχνά επαναστατικές κατακτήσεις. Η συγκεκριμένη διάψευση μιας θεωρητικής ελπίδας μας δεν συνεπάγεται, ευτυχώς, καθόλου και την οριστική διάψευση του ονείρου μας.

Του Σπύρου Μανουσέλη. Από την ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ του Σαββάτου, 12 Ιουλίου 2008

Η θεωρία των χορδών είναι μια Χίμαιρα!

Ο Λι Σμόλιν είναι ένας λαμπρός θεωρητικός φυσικός, θεωρείται δε ένας από τους μεγαλύτερους ειδικούς στον τομέα της κβαντικής βαρύτητας. Στο θέμα αυτό επικεντρώνεται το προηγούμενο βιβλίο του, «Τρεις δρόμοι προς την κβαντική βαρύτητα» (ελλ. έκδοση «Κάτοπτρο», 2002). Ενώ το τελευταίο βιβλίο του, που κυκλοφόρησε στα αγγλικά πριν από δύο χρόνια και μεταφράστηκε πρόσφατα και στα ελληνικά από τις εκδόσεις «Τραυλός», έχει ως θέμα του τη θεωρία των υπερχορδών και τις καταστρεπτικές συνέπειές της στην ανάπτυξη της επιστημονικής γνώσης.

Πράγματι, στο βιβλίο αυτό ο Σμόλιν, παρουσιάζοντας όλες τις εξελίξεις της θεωρητικής Φυσικής τον τελευταίο αιώνα, καταλήγει στο απογοητευτικό συμπέρασμα ότι τα τελευταία 30 χρόνια καμία απολύτως σημαντική πρόοδος δεν έχει επιτευχθεί στον τομέα της θεμελιώδους Φυσικής! Και γι' αυτό ευθύνεται, κατά τη γνώμη του, η σχεδόν πλήρης επικράτηση της θεωρίας των υπερχορδών.

Η επικράτηση αυτή δεν οφείλεται καθόλου στα αμιγώς επιστημονικά προτερήματα της θεωρίας, αλλά, αντιθέτως, σε μια πρωτόγνωρη πραγματιστική και καθαρά χρησιμοθηρική προσέγγιση της επιστημονικής γνώσης. Όπως καταγγέλλει και ο ίδιος ρητά, «Λίγοι ανάμεσά μας συνειδητοποίησαν ότι ζούσαμε τις τελευταίες ημέρες της Φυσικής - τουλάχιστον της Φυσικής έτσι όπως, ανέκαθεν, τη γνωρίζαμε»!

Το κύριο πρόβλημα της θεωρίας των χορδών και του αυθαίρετου πολλαπλασιασμού των διαστάσεων του χωροχρόνου που αυτή συνεπάγεται, είναι η εξόφθαλμη ανικανότητά της να παράσχει την οποιαδήποτε πρόβλεψη για οποιοδήποτε εμπειρικά παρατηρήσιμο φαινόμενο. Αυτή η αδυναμία της θεωρίας των χορδών την καθιστά αυτομάτως μια μη επιστημονική προσέγγιση της Φύσης.

Οπως μας υπενθυμίζει ο Σμόλιν, για να θεωρήσουμε μια θεωρία επιστημονική, θα πρέπει, εξ ορισμού, να υπάρχει κάποιος τρόπος για να διαπιστώσουμε την αλήθεια της. Με άλλα λόγια, θα πρέπει να υπάρχει ένας ή περισσότεροι τρόποι για να αποδείξουμε ότι μπορεί να επαληθευτεί ή, όταν αυτό είναι αδύνατο, τουλάχιστον να διαψευστεί! Εντούτοις, αυτήν ακριβώς την προφανή μεθοδολογική αρχή φαίνεται ότι την καταστρατηγούν συστηματικά και εσκεμμένα οι «χορδιστές».

Στα 30 χρόνια της ύπαρξής της η θεωρία των χορδών, μολονότι αποτελεί ένα αξιοθαύμαστο μαθηματικό κατασκεύασμα, ένα ελεύθερο, σχεδόν δημιουργικό, διανοητικό παιχνίδι, δεν μας έχει προσφέρει ούτε μία απόδειξη ή έστω κάποια ένδειξη ότι περιγράφει πραγματικά αντικείμενα.

Θα ήταν ωστόσο αφελές αν επιχειρούσαμε να δικαιολογήσουμε αυτό το νέο φαινόμενο επιστημονικής αυθαιρεσίας μόνο στη βάση της βαθύτερης επιθυμίας όλων των ερευνητών να επινοήσουν τελικά τη μεγάλη ενοποιητική θεωρία των πάντων. Αντιθέτως, ο Σμόλιν μάς εξηγεί ότι η θεωρία αυτή επικράτησε σχεδόν εκβιαστικά στην αμερικανική επιστημονική κοινότητα. Γράφει: «Στις ΗΠΑ όσοι θεωρητικοί ακολούθησαν διαφορετικές από τη θεωρία χορδών προσεγγίσεις της θεμελιακής Φυσικής δεν θα έχουν σχεδόν καμιά ευκαιρία για σταδιοδρομία ... Αυτό που πιστεύω πως έχει χρεοκοπήσει δεν είναι τόσο μια συγκεκριμένη θεωρία όσο μια επιστημονική νοοτροπία ... Αυτή η νοοτροπία βασίζεται στον ψυχρό πραγματισμό, και ευνοεί τους δεξιοτέχνες των υπολογισμών έναντι όσων εμβαθύνουν στα δύσκολα εννοιολογικά προβλήματα».

Του Σπύρου Μανουσέλη. Από την ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ του Σαββάτου, 12 Ιουλίου 2008