Teorin om allt

Är universum oändligt? Finns det bara vår värld eller ett helt multiversum, en hel samling andra världar i princip oåtkomliga för vårt vetande? Varför finns det något alls? Fysikens dröm har länge varit att hitta ett svar som är så enkelt att det ska kunna tryckas på en T-shirt. Men i sin iver att hitta en teori för allting har fysiken kommit dithän att den enligt vissa kritiker har lämnat vetenskapen och ägnar sig åt fiktiva berättelser, ren metafysik, i stället.

”Fysiken tyngs av en massa vilda spekulationer, som inte går att testa experimentellt och därför underminerar vetenskapen”, skrev två världsledande kosmologer, George Ellis och Joe Silk, i en artikel i Nature för ett par år sedan. I stället för att slå vakt om teoriernas koppling till empirin tilltalas många fysiker i dag, främst förespråkare för strängteori och multiversum, av att teorin är logiskt övertygande och elegant, menar artikelförfattarna. Slaget handlar om inget mindre än att rädda fysikens själ och hjärta.

– Vetenskapen har faktiskt bytt karaktär, vilket en del inte vill erkänna, och det finns flera anledningar att lita på en teori än bara genom den experimentella bekräftelsen, säger Richard Dawid, som är nytillträdd professor i filosofi vid Stockholms universitet. Med sina kontroversiella idéer om strängteorins vara eller icke-vara är han en av måltavlorna för kritiken.

Strängteorin har i tre decennier gett hopp om att det skulle bli möjligt att lösa den teoretiska fysikens största utmaning och hitta en kvantteori för gravitation. Den skulle då bli en slutgiltig teori som förenar de två mest framgångsrika fysikteorierna från 1900-talet: Einsteins relativitetsteori och kvantmekaniken. Den första ger en matematisk beskrivning av hela universum, den andra av dess minsta byggstenar. De två teorierna måste vara i samklang, om frågor som universums uppkomst i big bang och hur det ser ut i de svarta hålens innersta ska kunna lösas.

Strängteorins knep är att beskriva världens minsta beståndsdelar som små strängar i stället för som punktliknande elementarpartiklar utan någon utsträckning alls, som i de tidigare teorierna. Olika vibrationer hos strängarna motsvarar de olika partiklarna. En av dessa, som ingen ännu har sett, är gravitonen, gravitationens kvantpartikel. Med den blir gravitationen införlivad med resten av partikelfysiken, som i dag beskrivs av den så kallade standardmodellen.

En gång i tiden skulle en teori för allting kunna ge en exakt beskrivning av hela vår värld. Men strängteorin har utvecklats till att innefatta ett svindlande antal av uppåt 10⁵⁰⁰ olika världar med olika egenskaper, ett multiversum. Stämmer detta så förser oss teorin med svar på den kanske svåraste frågan av alla – hur det kommer sig att naturen är så finurligt beskaffad att vi kan bo och leva här, i vårt universum. Naturkonstanterna är så finstämda att det räcker med minimala avsteg för att liv ska bli en omöjlighet. Ändå finns vi här.

Svaret ges av den antropiska principen: Naturen just här är just sådan att den passar oss. Det var en mycket omdebatterad idé, med teologiska förtecken, tyckte många när den utvecklades av några fysiker för nästan ett halvt sekel sedan. Nu har den antropiska principen införlivats i strängteorin: I ett multiversum bland oändligt många andra är det inte lika konstigt att det råkar finnas ett universum som passar oss.

Det är bara rena spekulationer. Förespråkarna för den antropiska principen och multiversum har inte ens fel; de ägnar sig åt metafysik, menar George Ellis och Joe Silk. Även Bengt Gustafsson, professor i teoretisk astrofysik vid Uppsala universitet, är kritisk.

– Det är få hypoteser i vetenskapen som har fått så lite direkt stöd och så stor spridning. Strängkosmologerna försöker skapa denna allomfattande teori, och när de inte kan hitta en entydig lösning, då säger de: Ja, alla dessa lösningar finns samtidigt. Det kanske är sant, men det sänker den vetenskapliga ambitionsnivån, särskilt när man liksom i efterhand hänger upp universums speciella drag på vår egen existens. Jag tycker att man ger upp för tidigt; man har inte tålamod att vänta. Det kanske kan ta 500 år eller så, men då finns möjligheten att vi vet, i stället för att drömma.

Det finns knappast något hopp om att med experiment kunna bekräfta teorin inom överskådlig tid. Ännu mindre att se de andra världarna, som av princip är skilda från vår. Ändå är det många fysiker som litar på strängteorin. Varför det är så, har upptagit Richard Dawid ända sedan han övergav fysiken för att bli filosof för 20 år sedan.

Sitt svar kallar han för non-experimental confirmation, icke-experimentell bekräftelse, med i huvudsak tre kriterier som tillsammans ger tilltro till en teori, med strängteorin som exempel. För det första verkar strängteorin vara ensam om att kunna bli en teori för allting genom att lyckas förena alla naturens fundamentala krafter och partiklar. För det andra växte strängteorin fram ur sin föregångare, standardmodellen, som numera är väl belagd och allmänt accepterad. Och det tredje icke-empiriska argumentet är att strängteorin oväntat har lyckats förklara flera teoretiska problem som kosmologer och fysiker har brottats med, till exempel frågan om de svarta hålens entropi. 

– Det är klart rimliga kriterier för att vi ska fortsätta med teorin, säger Ulf Danielsson, professor i teoretisk fysik och strängteoriexpert vid Uppsala universitet. Men problemet och faran med att kalla dem non-experimental confirmation är att vi plötsligt börjar tro att vi befinner oss i ett annat och bättre läge, att vi faktiskt håller på med en teori som är riktig och sann. Det kan ju bara bli vilseledande och självförstärkande.

Strängteorin är rätt så spretig än så länge, och trots Richard Dawids argument har försöken att härleda standardmodellen ur strängteorin hittills misslyckats. Även optimismen från 1990-talet när det gällde att ha löst de svarta hålens entropigåta, är nu som bortblåst, berättar Ulf Danielsson.

Att ens kalla non-experimental confirmation för en bekräftelse tycker kritikerna är övermaga. Å andra sidan beror det ju på vad som menas med ordet bekräftelse. Richard Dawid understryker att experiment självklart är något att sträva efter. Men de lär ju dröja.

– Han försöker ge oss filosofiska argument, med hjälp av statistiska beräkningar, för att teorin är riktig. Men i själva verket stöder argumenten bäst tanken att det är rätt att arbeta med strängteorin, oavsett utfallet, för vi kan inte säga så mycket om det ännu, säger Sabine Hossenfelder, teoretisk fysiker i Tyskland.

– Om man frågar folk varför de håller på, får man en massa andra svar än bara de som Richard Dawid räknar fram – sociala skäl, pengar, kanske gillar de matte, vad vet jag. Forskare är inte några rationella robotar som kalkylerar med teorins chanser att fortleva, utan de påverkas i hög grad av sin omgivning. Dessutom har Dawid fel om att strängteorin är ensam på fältet. Helt klart finns det även andra teorier om kvantgravitation. Vilken är den bästa? Det vet vi inte än, och i brist på testmöjligheter skulle vi faktiskt behöva hjälp från filosofin. Så egentligen skrapar Richard Dawid bara på toppen av isberget.

En del fysiker vill dock inte lämna ifrån sig kunskapens fackla till filosoferna. Fysiker behöver filosofer som fåglar behöver ornitologer, lär Nobelpristagaren Richard Feynman ha sagt. Medan kosmologen Stephen Hawking helt sonika förkunnar att filosofin är död. Filosoferna hänger inte med, menar han, och jämför dem med gästen som kommer alldeles för sent till festen.

Men när Hawking försöker lösa problemet med dualiteter – två olika teorier som beskriver samma fenomen – landar han i något han själv kallar modellberoende realism.

– Det han presenterar som en ny idé är en gammal uppfattning inom vetenskapsfilosofin där det enbart är de empiriska konsekvenserna av en teori som spelar någon roll, säger Keizo Matsubara, som är postdok i filosofi vid University of Illinois i Chicago efter att först ha disputerat i teoretisk fysik och sedan i filosofi vid Uppsala universitet.

– Det är synd att skapa motsättningar mellan fysik och filosofi. Det är snarare nu – med en situation av intern schism inom fysiken – som filosofisk reflektion är extra viktig.

I debatten om strängteori och multiversum efterlyser även fysikerna George Ellis och Joe Silk stöd från filosofin för att kunna skilja vetenskap från icke-vetenskap. En populär tumregel bland fysiker är falsifikation – den österrikisk-brittiske filosofen Karl Poppers princip om att en vetenskaplig teori måste kunna falsifieras för att vara värd namnet. Om teorin till exempel förutsäger att alla svanar är vita, räcker det inte som belägg för teorin att hitta ytterligare en svan som är vit. Men det räcker att hitta en enda svart svan för att kullkasta teorin.

– Falsifikation är en vettig grundidé. Det är bara det att samspelet mellan teori och empiri är så mycket mer komplicerat och subtilt än vad många föreställer sig, säger Keizo Matsubara. På vilket stadium ska vi kräva att en teori ska vara falsifierbar? Blir kraven för höga för tidigt så dödas en kanske lovande teori.

Med idén om falsifikation vände Popper på empiristernas krav att bara experimentella bekräftelser kan avgöra om en teori ska gälla, medan vad som finns bakom – tolkningarna och teorierna – var oväsentligt. Fast inte ens han själv var en så naiv popperist att han trodde att en enkel falsifikation kunde avgöra teorins vara eller icke-vara. Visserligen kallade han spekulationer som inte ledde till testbara förutsägelser för metafysik, men han såg också nyttan av att hålla på med dem, eftersom de kunde bli testbara i framtiden.

Falsifikation som en allenarådande princip blev snart ifrågasatt, och vetenskapsfilosofin har reviderats om och om igen sedan Poppers dagar på 1930-talet. I själva verket utvecklas och omformas en modern fysikalisk teori i många steg med ren matematik i växelverkan mellan verifikation och falsifikation. Men observationer och experiment är ytterst sällan svarta eller vita, så processen leder till ett provisoriskt teoribygge, som aldrig är riktigt färdigt, aldrig slutgiltigt bevisat. Så föreställer sig också många forskare i dag sin gärning, en ståndpunkt som filosoferna kallar vetenskaplig realism och som innebär att forskningen, genom vetenskapliga teorier och experiment, kommer allt närmare den sanna verkligheten, som finns där ute helt oberoende av våra försök att avslöja den.

Så var det inte i naturfilosofins vagga, då den utvecklades under antiken i Platons anda. För honom och hans efterföljare var idéernas värld den verkliga, och bara genom att tänka rationellt uppnådde människan sann kunskap om verkligheten.

När den moderna vetenskapen utvecklades på 1600-talet, bröt den med denna tilltro till människans förnuft och förde fram behovet av experiment och observationella belägg. En teori måste kunna bevisas empiriskt för att kallas vetenskap.

Vad är det då man egentligen bekräftar genom att göra experiment? Så länge saker och ting kunde observeras direkt – som Galileo Galileis legendariska bollar släppta från lutande tornet i Pisa eller Isaac Newtons äpplen som föll från träden – var frågan mindre problematisk. Men med atomer, och så småningom kvantmekaniska partiklar, blev den mer komplicerad. Fysiker observerar inte längre själva objektet; de ser bara spår som det lämnar. Ändå talar de om en upptäckt. Som för fyra år sedan när Higgspartikeln upptäcktes med stöd av avancerade beräkningar och två forskarlag med tretusen fysiker i vardera.

För hundra år sedan var frågorna om vetenskapliga upptäckter uttalat filosofiska: Vad betyder det att se atomer, eller att tala om rum och tid i relativitetsteorin? Vad innebär det att tala om objekt i kvantmekaniken där sannolikheter beskriver objektens egenskaper? Filosofer, matematiker och fysiker – Ernst Mach, Henri Poincaré, Albert Einstein, Niels Bohr, Pierre Duhem och många fler – var djupt oeniga om hur man skulle tolka den moderna fysiken och vad de nya insikterna innebar för vår kunskap om världen.

I dag dyker nya frågor upp om hur vårt tänkande förhåller sig till verkligheten. Mest uppenbart är detta kanske inom kosmologin, där det inte går att göra experiment och där vi dessutom bara har ett enda exemplar, en enda värld, att studera. För att över huvud taget kunna göra observationer måste kosmologerna stödja sig på mycket radikala och förenklande resonemang och hypoteser som den om den kosmologiska principen – att universum i stort är likadant vart man än tittar. Den slätar ut universum i rummet och faktiskt också i tiden.

– Utan den kosmologiska principen skulle vi inte kunna bedriva kosmologi, säger Bengt Gustafsson. Bakom den ligger dock en kolossal extrapolering; hade det funnits drakar av guld som simmade runt Vintergatan en miljon år innan solsystemet bildades, varefter de försvann, så skulle vi självklart missa dem.

Det är en oerhört sofistikerad väv av teorier, hypoteser och beräkningar som ligger bakom modern kosmologisk forskning, menar Richard Dawid.

– Forskarna beter sig som om empiriska bevis fortfarande var avgörande för en teori. Men så är det inte. Det finns skäl till varför folk framhärdar: De vill inte bli anklagade för att ha lämnat vetenskapen och hålla på med metafysik i stället. De har ju en poäng med det, annars öppnas ju fältet för alla möjliga tokigheter som skulle kallas vetenskap. Men det vore nog bättre att lämna det jag skulle kalla för fiktion och börja diskutera mer öppet vad modern vetenskap håller på med, i stället för att hålla fast vid sådana gamla och för länge sedan vederlagda idéer som Poppers falsifikation, säger Richard Dawid.

Även han är fullt medveten om farorna med obekräftade teorier. Vetenskapshistorien är full av vackra byggen som har fallit som korthus. Som Lord Kelvins virvelteori om atomer, eller idén om att en osynlig substans, etern, fyllde hela rymden. Båda visade sig vara villfarelser.

Flera andra idéer blev däremot vedertagna, även om det tog sin tid att få dem bekräftade genom experiment. Neutrinon föreslogs 1931 på helt teoretiska grunder och bevisades experimentellt först 1956. Higgspartikeln dök upp i teorin i slutet av 1960-talet men upptäcktes 2012. För gravitationsvågor tog det hundra år till upptäckten i september förra året.

Kan det vara så att naturen sätter en gräns för vad som går att testa – hur djupt in i materien fysiker kan tränga och hur långt ut i rymden kosmologerna kan se? Att vetenskapen träder in i en ny era, där teorin springer långt före det som empirin tillåter?

– Vi kan inte veta. Jag är inte så säker på att experimentens tid är förbi. Det kan gå lång tid då det inte händer något, och så plötsligt kastas allt över ända, säger Ulf Danielsson. Kanske har vi redan sett tecken på något nytt, men är för dumma för att förstå.

Frågan är vilken förklaring som godkänns, och där är vi tillbaka i multiversum. Det kanske mest extrema exemplet på vad som måste förklaras är den kosmologiska konstanten, som har att göra med universums accelererande expansion. Beräknad utifrån big bang-teorin är den 10¹²⁰ gånger större än den observerade. Slump eller nödvändighet?

– Tidigare ville vi finna ett svar på varför världen är som den är, som inte var alltför mycket kopplat till vår egen existens. Visa av erfarenheten försökte vi följa det spåret, som ofta kallas den kopernikanska principen, säger Bengt Gustafsson. Nu hittar man i stället en antropisk förklaring, så att världen kan vara nästan hur som helst bara den har blivit bra för oss. Men om allt kan hända så blir det svårt att försöka förstå. Jag tycker att det är en trosföreställning. Och metafysik. I mina ögon kom en tilltro till de antropiska förklaringarna med multiversum främst som en reaktion mot intelligent design, och som en sådan reaktion är de legitima. Men kanske är det ändå bättre att vara agnostisk när det gäller detta. Vi vet faktiskt inte varför världen verkar vara så pass gynnsam för uppkomsten av komplexa strukturer, och ytterst liv, som den faktiskt tycks vara. 

Multiversum kan ses som ytterligare ett steg längs en väg som började med att jorden flyttades bort från världens centrum och fortsatte med att solen blev en av många andra solar i vår galax, och vidare med att vår galax blev en bland miljarder andra galaxer i vårt universum. Med multiversum blir hela vårt synliga universum bara en liten plätt i den oändligt stora världen av alla världar. Till multiversums försvar kan man kanske säga att varje gång som människan har lyckats se bortom horisonten har det gett näring åt nya omvälvande vetenskapliga insikter. Men finns multiversum?

– Visst är multiversum fortfarande väldigt spekulativt, det måste jag erkänna, säger Ulf Danielsson. Men det visar faktiskt på att det kan finnas alternativ till tanken på intelligent design, att existensen kan förklaras med fysikens lagar som leder till att vi finns.

Men var kommer i så fall fysikens lagar ifrån? Och vad är det som gör dem verkliga, vad är det som blåser liv i naturlagarna?

– Vilket till sist berör kropp–själproblemet, säger Richard Dawid. Ingenting i fysiken kan förklara det faktum att vi faktiskt är medvetna observatörer. Allt vi kan göra är att erkänna att vi betraktar vår värld. Men det finns inget som helst tecken på att medvetandet någonsin kan förklaras, varken av fysiken eller av filosofin.