Spáir byltingu í eðlisfræði

„Ef við stöndum okkur jafnvel á þessari öld og á þeirri síðustu mun hverri einustu spurningu sem við spyrjum í dag, þar með talið spurningunni um upphaf alheimsins, hafa verið svarað,“ segir David Gross, nóbelsverðlaunahafi í eðlisfræði, um væntingar sínar til vísindanna.

Gross, sem er prófessor í eðlisfræði við Kavli-stofnunina í Kaliforníuháskóla í Santa Barbara og handhafi Nóbelsverðlaunanna í eðlisfræði árið 2004, flutti erindi í Hátíðasal Háskóla Íslands fyrir skemmstu.

Hann fékk Nóbelsverðlauninn fyrir framlag sitt til skilnings á sterku víxlverkuninni meðal kjarna og öreinda og hefur því djúpa innsýn í kenningar eðlisfræðinnar. Nánar má lesa um Gross á íslensku hér.

Fyrirlesturinn átti að hefjast klukkan 15.30 og var gefinn kostur á viðtali klukkan 15.00. Uppsetning tækjabúnaðar í salnum tók lengri tíma en ráðgert var og voru því aðeins 15 mínútur til skiptanna fyrir stutt viðtal við meistarann. Báru spurningarnar þess merki.

Gross er efahyggjumaður og nær það einnig til vísindakenninga. Hann hafnar kenningunni um fjölheim, þeirri kenningu að við lifum í einum af nær óteljandi fjölda alheima.

Gross er maður yfirvegaður og kurteis í framkomu. Hann fór hratt yfir sögu og voru sumar setningar hans hálfkláraðar. Kallaði það á beiðni um yfirlestur á viðtalinu á ensku sem hann varð fúslega við. Íslenskir kollegar Gross lögðu einnig hönd á plóginn, eðlisfræðingarnir Lárus Thorlacius og Sveinn Ólafsson. Annir töfðu svör og birtist viðtalið því með seinni skipum.

Gross telur eðlisfræðina standa á þröskuldi byltingar.

Fundur Higgs-eindarinnar mikil sigurstund

- Spennan var mikil 4. júlí í fyrra þegar greint var frá fundi Higgs-eindarinnar í CERN. Hvert stefnir kennileg eðlisfræði í dag?

„Þetta var stórkostleg stund og stór áfangi fyrir bæði kennilega eðlisfræði og tilraunaeðlisfræði. Þetta staðfesti staðallíkan öreindafræðinnar og var frábær árangur fyrir Evrópsku rannsóknamiðstöðina í öreindafræði CERN og hið ótrúlega vísndatæki, Stóra sterkeindahraðalinn, og ekki síður fyrir tilraunafólkið sem hannaði búnaðinn til að greina agnirnar og framkvæmdi tilraunina. Þetta var því sigurstund.

Við lærðum margt af því að fá staðfestingu á síðasta hornsteini staðallíkansins – Higgs-hrifunum. Higgs-eindin, sem greind hefur verið, virðist hafa alla þá eiginleika sem spáð var fyrir um í staðallíkaninu. Það er gott svo langt sem það nær. Mælingarnar útiloka margar langsóttar hugmyndir [um hvernig massi öreinda er tilkominn] sem komu fram á þeim langa tíma sem það tók að uppgötva þessa ögn.

Auðvitað er það svo að ef komið hefði í ljós að eindin væri ekki til hefði það sýnt okkur að hugmyndir okkar um undirstöðu öreindafræðinnar væru rangar og ef til vill hefðum við þá þurft að innleiða nýja eðlisfræði. Við bíðum því enn eftir óvæntum uppgötvunum og vonandi verða þær gerðar í næstu lotu tilrauna í Stóra sterkeindahraðlinum í lok næsta árs.“

Ný eðlisfræði á næsta leiti

- Ég hef séð eftir þér haft að fáfræðin sé mikilvæg afurð þekkingarinnar?

„Þessi uppgötvun dró kannski aðeins úr fáfræði okkar,“ segir Gross og brosir. Hugsar sig svo um. „Auðvitað vekur uppgötvunin einnig nýjar spurningar af ýmsu tagi. Til dæmis hvað varðar massa Higgs-eindarinnar. Nú þegar við þekkjum massa hennar vitum við mikið um eðli kraftanna sem gefa öreindum massa.

Við getum notað þá þekkingu til að geta okkur til um öreindafræði framtíðarinnar, og velta fyrir okkur hvað gerist við styttri fjarlægðir og hærri orkustig öreinda en við höfum náð að kanna í tilraunum. Ég tel sjálfur að ný eðlisfræði sé á næsta leiti. Leiði athuganir með enn öflugri öreindahröðlum ekki til nýrra uppgötvana, þá getum við dregið þá ályktun, út frá kenningunni sem við höfum nú þegar, að alheimurinn sé í því sem nefnt er kvikt ástand.

Það þýðir að ef beðið er nógu lengi – sá tími sem bíða þarf ræðst af nákvæmu gildi massans, en það hefur enn ekki verið mælt svo nákvæmlega – myndi alheimurinn færast í annan fasa. Gildi ýmissa eðlisfræðilegra fasta myndu breytast og að sjálfsögðu myndum við mennirnir hverfa við slíkar hamfarir.

Það er býsna hrollvekjandi að ímynda sér óstöðugan alheim. Hversu óstöðugur hann er fer eftir nákvæmu gildi massans og öðrum stikum staðallíkansins sem á eftir að mæla betur. Hið tiltekna gildi sem massi Higgs-eindarinnar reyndist hafa hefur því velt upp nýjum áleitnum spurningum. Fáfræði af nýju tagi.“

Þurfum að efast um undirstöður kenninga

- Orðið bylting er stórt orð. Telurðu að ný umgjörð um eðlisfræði kunni að bíða okkar síðar á öldinni, eftir því sem orka öreindahraðla eykst og ný skeið tilrauna eftir CERN taka við?

„Já. Við stöndum frammi fyrir mörgum spurningum, mörgum hverjum augljósum, líkt og „Af hverju er massi Higgs-eindarinnar sá sem hann er?“ og öðrum slíkum. Þegar við reynum að svara þessum spurningum erum við hinsvegar að mínu áliti knúin til að efast um sumar undirstöður kenninga okkar um alheiminn. Þar bíður okkar einkum sú áskorun að samþætta svörin kenningu Einsteins um þyngaraflið, hreyfifræði rúms og tíma.

Ef við yfirfærum þekkingu okkar á kröftum öreindanna yfir á mjög stuttar fjarlægðir virðast ólíkir kraftar sameinast og að lokum verður að taka skammtaeðli þyngdarinnar með í reikninginn í sameinaðri kenningu. Þegar við byrjum að fást við skammtafræði þyngdar vakna áleitnar spurningar um undirstöðuhugtök eins og rúm og tíma.

Því tel ég að næsta bylting í eðlisfræðinni muni varða eðli rúms og tíma. Með byltingu á ég við róttækar breytingar á heimsmyndinni. Þá ekki aðeins að uppgötva nýja eind, eða nýjan kraft, heldur að umbylta því hvernig við skiljum eðli rúms og tíma.“

Spurningin um uppruna alheimsins

- Þekking okkar á uppruna alheimsins hefur aukist mikið á síðustu áratugum?

„Þekking okkar á sögu alheimsins hefur aukist. En þekking okkar á uppruna alheimsins hefur ekki þróast mikið.“

- Þetta er það sem ég vildi spyrja þig út í. Ertu bjartsýnn um að vísindin muni hafa þróast svo mikið á þessari öld að ...

„Nú, það er mikið eftir af þessari öld. Hún er rétt að byrja.

Ég vona að við náum einhverjum árangri á meðan ég er enn á lífi. Ég er þó ekki viss um það. Kannski verður það ekki fyrr en við aldarlok.

Uppruni alheimsins, hvernig alheimurinn varð til, er spurning af því tagi sem einungis heimspekingar og trúmenn spurðu til skamms tíma. Nú er hún hinsvegar orðin viðfangsefni vísinda.

Þegar ég var í námi fyrir fjörutíu árum hefði grein um uppruna alheimsins ekki fengið inni í vísindatímariti. Við vissum ekki nógu mikið til að geta sett slíkar spurningar á dagskrá vísindanna. Það er það sem ég á við með staðhæfingu minni um fáfræðina.

Það þarf að vita heilmikið til að geta spurt sumra spurninga á vitsmunalegan og vísindalegan hátt. Við vitum nú orðið nóg um frumkraftanna til að geta yfirfært þá aftur að uppruna tímans – hinum svonefnda miklahvelli. Við getum spurt „Af hverju var alheimurinn í tilteknu ástandi við miklahvell?“ Þetta er orðin spurning sem hægt er að tengja við athuganir. Ef við gefum okkur ákveðnar forsendur um upphafsástand alheimsins, þá er hægt að segja fyrir um fíngert mynstur í örbylgjukliðnum, sem dynur á jörðinni úr öllum áttum, og bera saman við niðurstöður mælinga. Spurningin um uppruna alheimsins er því orðin að vísindalegri spurningu. Þegar ég lít á sögu eðlisfræðinnar og sögu vísindanna, þá sé ég að svar við tiltekinni spurningu fæst oft á innan við mannsaldri frá því að fyrst var hægt að setja hana fram á þann hátt að nálgast megi svarið með athugunum, tilraunum, eða nýjum kenningum.

Kannski verður þessu svarað á meðan ég er á lífi. En það sem er sérstakt við spurningu eins og „Hver er uppruni alheimsins?“ er að eðlisfræðin hefur aldrei áður þurft að fást við slíkar spurningar. Við vitum ekki hvaða lögmál eiga við um spurningar af þessu tagi og getum lítið stuðst við sögu eðlisfræðinnar í því efni. Við vitum ekki einu sinni hvort eðlisfræðin geti svarað slíkri spurningu, enda hefur hún aldrei þurft að gera það áður.

Við vitum ekki hvernig svarið mun líta út. Við slíkar aðstæður duga núverandi kenningar okkar líklega ekki til. Af hverju ættu þær að ráða við nýjar spurningar, sem við höfum aldrei getað nálgast áður? Því grunar mig að við þurfum að þróa nýja kennilega umgjörð.“

Spurningar sem ekki er hægt að svara

- Hefurðu áhyggjur af árekstri vísinda og trúarbragða nú þegar vísindin eru byrjuð að fást við upphaf alheimsins?

„Ég hef ekki áhyggjur af því. Það er enginn árekstur, enda hafa trúarbrögð í raun ekkert fram að færa um þær spurningar sem vísindamenn vilja svara. Trúarbrögð einskorða sig venjulega við spurningar sem vísindin geta ekki tekist á við. Að sjálfsögðu eru til bókstafstrúarmenn sem trúa á skrifaðar goðsagnir sem þeir tengja við sannleika og gildi. Þær byggja hins vegar ekki á hinni vísindalegu aðferð.

Spurningarnar sem vísindin geta ekki fengist við – og þær eru margar – eins og um tilgang lífsins og af hverju heimurinn sé til, eru ekki vísindalegar og þær er ekki hægt að nálgast með hinni vísindalegu aðferð. Ég spyr þeirra líka. Ég er mannlegur. En mér þykja þær mun óáhugaverðari, enda eru mjög litlar líkur á að þeim verði svarað, að minnsta kosti á nokkurn þann hátt sem ég væri sáttur við, með svörum sem hægt er að sannreyna í tilraunum.

Vísindamenn eru þjálfaðir í að tortryggja viðtekin sannindi. Maður skyldi alltaf efast um eigin hugmyndir og kenningar. Þær eru oft rangar og maður þarf að sýna auðmýkt. Að ganga út frá því að maður viti svarið vegna þess að það var lagt fram í einhverri bók fyrir nokkur þúsund árum er ótrúlega hrokafullt að mínu mati, og iðulega rangt.“

Nýjar kenningar bíða okkar

- Stephen Hawking og Leonard Mlodinow skrifa í bók sinni Skipulag alheimsins að við kunnum að standa á þröskuldi kenningar um allt?

„Við stöndum ávallt á þröskuldi kenningar um allt. Yfirleitt uppgötvum við – og það hefur sannarlega verið mín reynsla – að eftir því sem við vitum meira áttum við okkur betur á því að við þekkjum ekki svarið til fulls og að nýjar spurningar bíða okkar.“

- Hver er skoðun þín á kenningunni um fjölheim og kenningunni um 10⁵⁰⁰ alheima? Þetta er, að sjálfsögðu, í senn rómantísk og heillandi hugmynd?

„Og hefur lítið með vísindin að gera.“

Hafnar kenningunni um fjölheim

- Geturðu útskýrt af hverju þú telur að þetta sé ekki góð hugmynd?

„Vegna þess að hún er óvísindaleg. Það eru margar tæknilegar ástæður fyrir því að ég hef ekki trú á tilteknum hugmyndum sem sumir áhugamenn um fjölheim telja sannfærandi. En fyrst og fremst andmæli ég þessari nálgun vegna þess að hún er ekki vísindaleg. Hún gerir ráð fyrir tilvist margra annara svonefndra alheima, sem eru ekki í orsakalegum tengslum við okkar eigin alheim. Þar af leiðandi er ekki hægt að gera neinar mælingar í þessum alheimum og sú staðreynd þýðir að ógerningur er að afsanna tilvist þeirra.

Ég er því ekki ýkja áhugasamur um hluti sem er ekki hægt að sannreyna vísindalega á nokkurn hugsanlegan hátt. Að mínu viti er í þessu fólgin uppgjöf gagnvart því metnaðarfulla – ef til vill of metnaðarfulla – markmiði smættarhyggjumanna, að reyna með tímanum að útskýra allt sem hægt er. Þessi aðferðafræði hefur reynst afar vel í árhundruð og það er svo sannarlega engin ástæða til þess – aðeins vegna þess að vandamálið reynist örðugt úrlausnar í nokkur ár – að gefast upp og segja „Gott og vel, allt er mögulegt, allt sem við getum ekki reiknað út er eins og það er eingöngu vegna þess að við lifum í þessum alheimi“.

Og af hverju búum við einmitt í þessum tiltekna alheimi? Það er vegna þess að við erum sérstök og ef alheimurinn væri öðruvísi – og samkvæmt fjölheimakenningunni eru margir aðrir alheimar sem við höfum hvorki tölu á né getum gert nákvæmar tilraunir með til að sannreyna þessar hugmyndir – þá værum við ekki hér til að spyrja þessarar spurningar. Mér finnst þetta kjánalegt og í raun ótímabær og ódýr undankomuleið.“

Öld ótrúlegra framfara

- Ég sá á glærum þínum að þú munt vísa til Solvay-ráðstefnunnar í fyrirlestrinum á eftir. Þú bendir á að lítið sé liðið af 21. öldinni. Ef farið er aftur um eina öld að uppgötvun róteindarinnar árið 1908...

„1908! Þeir höfðu ekki einu sinni róteind eða nifteind.“

- Þú þekkir söguna betur en ég... Þú minntist á að sýna þurfi auðmýkt við þekkingarleitina. Er raunhæft að við lok þessarar aldar muni kenningar okkar hafa þróast...

„Ef við stöndum okkur jafnvel á þessari öld og á þeirri síðustu mun hverri einustu spurningu sem við spyrjum í dag, þar með talið spurningunni um upphaf alheimsins, hafa verið svarað. Búið er að svara flestöllum spurningum, sem settar höfðu verið skýrt fram í upphafi síðustu aldar.

Framfarir í vísindum á síðustu hundrað árum hafa verið ótrúlegar. Fyrir hundrað árum var álitið að alheimurinn væri óbreytilegur, og bundinn við þetta litla ský af stjörnum sem við köllum Vetrarbrautina. Þá var ekkert vitað um af hverju stjörnur skína, né nokkuð um sögu alheimsins.

Nú vitum við um tilvist hundruð milljarða vetrarbrauta í alheimi í útþenslu, og við getum rakið söguna aftur að Miklahvelli fyrir 13,7 milljörðum ára.“

Allir fæðast forvitnir

- Hvað knýr þekkingarleit þína áfram?

„Forvitni.“

- Hvaðan kemur hún?

„Allir eru forvitnir. Börn fæðast forvitin. Ég trúi því að hún sé afurð náttúrlegrar þróunar. Ástæðan fyrir því að tegund okkar hefur orðið bærilega ágengt er að við höfum þróast til að kanna og stjórna umhverfi okkar.

Þannig hefur okkur orðið ágengt sem tegund. Það sem knýr okkur til að skilja og stjórna náttúrunni er hluti af þróun okkar, sérstakt einkenni Homo sapiens. Það er innbyggt í okkur og aðeins slæmir kennarar geta læknað mann af eðlislægri forvitni,“ segir nóbelsverðlaunahafinn David Gross.