Naturlagar – finns de?

I en folksaga förklaras hur björnen blev av med sin långa svans. Han blev lurad att stoppa ner svansen i en isvak där den frös fast, och sedan dess har björnar haft en kort stump där bak. Ibland när jag läser vetenskapsnyheter, kanske de jag själv skrivit, känns de som historien om björnens svans. De är aptitligt förpackade små berättelser med en tydlig förklaring – gärna om något som känns lite häftigt och kittlande. Fysiken bakom svarta hål, mystiska kvantfenomen och mörk materia verkar så enkel och tydlig, men vad säger att det inte bara är hittepå och tillrättalagda fabler?

En som har funderat mycket på vetenskapens natur är Ulf Danielsson, professor i teoretisk fysik vid Uppsala universitet. Han driver tesen att matematiken och de vetenskapliga ekvationerna inte har någon egen existens, utan är mänskliga uppfinningar. Sedan jag läste hans bok Världen själv (Fri tanke, 2020) har det här gnagt i bakhuvudet. Jag vill tala mer om detta – om vad vi kan veta och hur vi vet det och var naturlagarna passar in.

Jag kontaktar Ulf Danielsson, och han bjuder generöst på sin tid. Vi börjar rakt på sak.

– Jag är inte ens säker på att det är ett bra begrepp, säger han.

Som forskare, människor, och vetande organismer, konstruerar vi modeller som efterliknar världen, förklarar han. Modellerna använder vi för att göra förutsägelser.

– På det här sättet skiljer sig egentligen inte en forskares verksamhet från ett djur, eller ens en växt som försöker överleva i omgivningen.

De modeller vi ställer upp är våra bästa försök att beskriva en objektiv värld. Att kalla dem för lagar ger dem lite för stor tyngd.

– Jag menar att begreppet naturlag innebär ett ställningstagande om hur världen är inrättad. Det antyder en dualism, en uppdelning mellan en materia som är förslavad i någon mening och följer de här naturlagarna som dikterar vad som ska ske, säger Ulf Danielsson.

Hur kommer det sig att vi ändå använder ordet ”naturlag” i klassrum och föreläsningssalar? Jag vill inte släppa detta, och hör av mig till filosofen Lars-Göran Johansson, professor emeritus vid Uppsala universitet.

Han skickar mig en lång artikel han skrivit om naturlagar för den filosofiska publikationen Theoria år 2019, full med tunga facktermer. Jag är osäker på om jag blir mer upplyst. Några saker snappar jag ändå upp. Lars-Göran Johansson riktar in sig på att analysera vad det är som människor talar om när de använder begreppet naturlag och beskriver vad det i så fall innebär, snarare än att föreskriva ett recept för vad en lag borde vara.

Han skriver också att många fysiker låter bli att använda ordet ”lag”. De använder ord som ekvation, princip eller postulat. Å andra sidan finns det fysiker som använder ordet ”lag” som en sorts samlingsetikett för alla de här sakerna – Lars-Göran Johansson nämner Nobelpristagaren Roger Penrose som exempel. Kan alltså inte ens folk som lever mitt uppe i vetenskapen samsas om hur ordet ”lag” ska användas?

Lars-Göran Johansson börjar med att förklara att uttrycket naturlag är en sorts analogi med hur lagar fungerar i mänskliga samhällen. En furste kan få människor att följa hans lagar. Naturlagar är på samma sätt något som står över naturen och reglerar den. Vissa filosofiska inriktningar beskriver världen på det sättet.

– Det finns alltså nu aktiva filosofer som tror att det finns egenskaper och relationer ovanför eller utanför den konkreta fysiska verkligheten. Det är fel tänkt anser jag, säger Lars-Göran Johansson.

Ändå känns det intuitivt riktigt. I alla fall tillräckligt för att väldigt få ska ifrågasätta att det finns lagar som styr naturen.

– Det ligger nog djupt i vårt psyke. Vi är sociala varelser. Det måste vara någon agent, något människoliknande med avsikter, som ligger bakom allt som händer. Det ligger väldigt djupt i människan och tillhör vår mentala konstitution.

Lars-Göran Johansson tycker ändå att han har hittat några exempel som de flesta är överens om att kalla för fundamentala lagar i fysiken. Bland dem finns energiprincipen – att energi inte kan skapas eller förstöras, bara omvandlas.

Här kanske vi har något fast att hålla oss i. Energin är alltid bevarad. Den och liknande bevarandelagar har jag alltid hållit lite högre än andra. De följer så fint ur ett elegant matematiskt samband som kallas Noethers sats.

Noethers sats går ut på att symmetrier i universum leder till att det finns storheter som alltid är konstanta. Det låter kryptiskt, men sambandet kan användas för att visa att energins bevarande följer direkt av att fysiken är likadan nu som om två timmar eller hundra år. Symmetrin att fysiken ska vara oförändrad genom tiden leder alltså till att energi inte kan skapas eller förstöras.

På samma sätt gäller att om fysikens ekvationer ska vara likadana i Uppsala, i Jönköping och på månen – det vill säga vid en förflyttning i rummet – då måste rörelsemängden vara bevarad (från skolfysiken minns du kanske rörelsemängd som massa gånger hastighet). Och inte nog med det, ska fysiken vara oberoende av riktning, alltså åt vilket håll du vänder dig, då måste det totala snurret, rörelsemängdsmomentet, också vara bevarat.

Vi får alltså tre bevarade storheter direkt från en matematisk sats. Det kan väl inte vara ett rent sammanträffande i alla fall? Är detta inte något som liknar lagar, som följer direkt från rummets och tidens natur?

– I det här specifika exemplet finns det någon form av entydighet i den matematiska modellvärlden. Sedan är frågan: Är det här något som är användbart eller inte? säger Ulf Danielsson.

Han påpekar att alla samband måste testas i experiment, även bevarandelagarna. Så småningom får man räkna med att varje modell leder till avvikelser, oavsett hur elegant den är.

– Det betyder inte att det är verkligheten det är fel på, utan det är den matematiska modellen som är ofullständig.

Det här känner jag igen från Ulf Danielssons bok – matematiken är inte detsamma som världen den beskriver.

– Jag ser ingen skillnad med Noethers sats – den behöver inte vara tillämpbar på vår värld, säger Ulf Danielsson.

Hur menar han nu? Kan det visa sig vara fel att energin eller rörelsemängden är bevarad? Det är väl ändå en del av fysikens själva grunder? Nej, säger Ulf Danielsson, symmetrier kan vara brutna och då gäller inte sambandet. Verkligheten är inte så enkel och ren.

– Alla modeller, oavsett vad det gäller, är alltid approximationer. Man kan aldrig egentligen vara säker. Jag menar, om plötsligt något helt enormt konstigt skulle inträffa, om månen skulle börja göra loopar på himlen – ja vad ska vi göra åt det? Ska vi säga att ”det där är omöjligt” och så inträffar det ändå. Hela tiden uppträder nya mystiska fenomen, och vi har bara att anpassa oss efter det, säger Ulf Danielsson.

Ingen har sett månen göra loopar, men månen gör faktiskt något annat skumt. Den rör sig inte exakt på samma sätt varje varv. Gravitationen håller inte bara månen på plats i sin bana, utan deformerar samtidigt både jorden och månen. Det orsakar tidvatten, och knycker samtidigt energi från rörelsen. Det får månen att långsamt röra sig längre och längre bort från jorden. Den avvikelsen finns inte med i Isaac Newtons beskrivning av gravitationen, och inte ens i Albert Einsteins – tidvattenkrafterna är helt enkelt inte en del av gravitationsteorin.

För att hitta till fysikens grunder och regelbundenheter behövs uttänkta experiment, där vi kan renodla och undersöka ett fenomen i taget. Och hur ska vi ens komma fram till vad som ska tas bort? Värmeförluster, friktion, strålning. Inte undra på att somliga blir frustrerade över fysiken i skolan. Vi måste ta bort allt som gör experimentet till en realistisk situation.

Gör vi ändå det, då får vi en berusande klarhet. Allt faller på plats, matematiken visar hur det är och måste vara, och vi kan förutsäga vad som ska hända härnäst. Det är nog därför somliga betraktar matematiken som det mest grundläggande, det mest verkliga. Det gäller till exempel fysikern Max Tegmark, som skrev boken Vårt matematiska universum (Volante, 2014). Där argumenterar han för att matematiken inte bara beskriver världen, den är i någon mening själva världen. I förlängningen, anser han, måste allt som kan uttryckas matematiskt också vara verkligt – om inte här så i något annat universum utanför vårt eget. Ulf Danielsson har argumenterat mycket mot Max Tegmarks syn på matematiken. Jag frågar Lars-Göran Johansson.

– Man inte ska inte blanda ihop matematik och fysik. Fysikern sysslar med naturen och inte med logiken. Det är något som somliga glömmer bort.

Ingen teori kan i sig själv berätta vad det är den beskriver, säger Lars-Göran Johansson. För att koppla teorin till fenomenen i världen behövs människan och de språkliga verktygen. Det är genom språket vi kopplar det abstrakta till det konkreta, säger han, och jämför med vad han observerar nu när hans fyra barnbarn lär sig prata.

– Det görs i konkret användning, i konkreta situationer. Även ord för känslor. Det är ju inte så att vi tittar in i barnets själ och säger ”nu är du arg” och ”nu är du ledsen”. Det är likadant i kvantmekaniken, hur vi lär oss använda ord som ”vågfunktion” och ”kvantmekaniskt system”. Sist och slutligen måste vi peka på några grejer.

När jag gick i skolan älskade jag att fysiken hade rena och tydliga svar. Även om jag inte lyckades lösa ett problem själv kunde jag se på svaret i facit och inse att det var rent och entydigt och ovedersägligt rätt.

Med tiden lärde jag mig så mycket fysik att det inte längre var lika elegant. Experimenten var behäftade med osäkerheter, modellerna innehöll approximationer och specialfall, och alla realistiska situationer var krångliga att hantera. Jag vet att de där rena och tydliga svaren inte finns, men ändå suktar jag efter dem. Jag tycker mig märka på andra också, att de vill ha fakta och facit på hur världen är. Hur ska man hantera det här?

Ulf Danielsson säger att den som kräver absolut kunskap nog bara har fundamentalism att vända sig till – religiös fundamentalism eller en sorts orealistisk vetenskapsfundamentalism. Hans recept är att släppa taget:

– Det jag skulle vilja rekommendera, och som jag menar är vetenskapens innersta väsen, är att söka sig till det okända. Inte för att man vill nå den absoluta vissheten, utan för att man vill lära sig mer om en värld som mycket väl kan vara helt obegränsad i sin komplexitet och om hur underbar och fantastisk den är.

– Det innebär inte att man inte ska försöka nå kunskap, tvärtom, det kopplar till en nyfikenhet där det är vägen som är mödan värd. Det roliga är att lära sig nya saker. Och det allra mest förskräckliga som kan inträffa, det är ju att man har nått ända fram, för det är liksom döden. Jag tror att man inte har förstått vad vetenskapen är om man tror att den ska leda till den här totala vissheten och kunskapen.

Bland det bästa jag själv vet med naturvetenskapen, och särskilt fysiken, är hur det går att få reda på något om saker vi inte kan se, känna eller smaka. Forskaren är en Sherlock Holmes, som samlar in ledtrådar och lägger pussel för att få fram en bild som annars inte skulle gå att se. Det gäller allt från atomer till avlägsna svarta hål.

Samtidigt blir det svårt att hålla reda på resonemangen i många led, och ibland blir jag misstänksam. Kvarkarna är inuti atomkärnan, som är inuti molekylen, som är så liten att den bara gå att se med mycket speciella mikroskop. Eller vad det nu egentligen innebär att ”se” när mikroskopbilden inte är tagen med ljus, utan gjord med någon mycket mer avancerad teknik.

Är det rimligt? Jag frågar Ulf Danielsson vad jag egentligen kan anse mig veta om materiens innersta smådelar som jag aldrig kan få direkt erfarenhet av med mina sinnen, och han vänder genast på frågan:

– Ja, men det här som vi kallar den direkta sinneserfarenheten, den är inte särskilt direkt heller. Det är väldigt mycket som händer innan jag uppfattar den här stolen. Sinnesintrycken går genom nervtrådar, bearbetas på något sätt och så presenteras en bild av världen inuti mitt huvud. Eller hur det nu fungerar. Hade jag varit något annat slags djur så hade mina sinneserfarenheter varit helt andra, och sättet jag skulle bearbeta dem på skulle vara helt annorlunda.

– I den meningen kan man väl se en partikelaccelerator som att man har förlängt, förstärkt sitt sinne genom att lägga på fler materiella komponenter än bara ögat, eller känseln. Det är klart att det finns en skillnad, men det är mer en skillnad i grad än någonting absolut. Det vill säga allting är i den meningen en konstruktion. Allting bygger på antaganden och modellerande. Det är en ovisshet man får leva med, men det betyder inte att världen inte existerar och faktiskt är verklig, säger Ulf Danielsson.

Så lägger ändå forskningen ihop ett sammantaget kunskapsbygge, där vissa delar ligger fast i själva fundamenten men där de översta byggstenarna är lagda på prov och kanske kan bytas ut.

Nu kommer vi till en av de svåraste sakerna med att berätta om vetenskap. En enskild studie kan visa lite vad som helst. Det beror på hur den är gjord. Ibland spelar tillfälligheter in, och ibland mätapparaturen. Sedan är det ganska avancerade beräkningar som görs innan slutsatsen kommer fram. Döm om min frustration när även mina egna barn kommer till mig och säger om något de läst att ”det är vetenskapligt bevisat”. Vad ska jag säga till dem när de uttrycker sig så?

Lars-Göran Johansson har övat på att förklara detta, det märks.

– Man kan använda lite svagare ord: ”vi har övertygande visat”, eller ”vi har stark evidens”. Man kan välja ord, och då ser man att det är något annat än bevis. Det ger utrymme för att detta är en provisorisk sanning. Alltså, alla empiriska sanningar är provisoriska i den meningen att det inte är logiskt uteslutet att det visar sig vara fel.

– Det brukar jag säga till de studenter jag undervisar: Den första regeln för den som vill vara vetenskaplig i sitt tänkande, det är att du måste vara beredd att inse att du kan ha fel, säger Lars-Göran Johansson.

Många gånger är det också felen, det som inte stämmer, som leder till nya upptäckter. Det gör många fysiker väldigt ivriga att hitta luckor och misstag i teorierna, som kan låta dem fylla på med något helt nytt.

Det finns mycket oenighet om vad som är det rätta sättet att se på vad vetenskapen och fysiken i grunden är. Men intressant nog fungerar vetenskapsbygget ändå, och kommer fram till saker som går att testa och tillämpa. Någonstans här hittar vi nyckeln till hur vetenskapen skiljer sig från sagan om björnens svans. Det påpekade Ulf Danielsson också när jag frågade, att det i slutänden är satelliterna och mobiltelefonerna och all annan avancerad vardagsteknik som visar att vi människor har förstått något om hur världen fungerar.

Att lyckas berätta om nya rön så att de hänger ihop med resten av vetenskapspusslet och inte framstår som lösryckta fabler, det är tyvärr fortfarande lika svårt.