Kötü felsefe neden fizikteki ilerlemeyi engelliyor
Doğa, son birkaç on yıldır bizi aptal yerine koymuş gibi görünüyor. Bu süre zarfındaki temel fizik alanındaki kuramsal araştırmaların çoğu, en iyi kuramlarımızın “ötesini” aramaya odaklanmıştır: parçacık fiziğinin standart modelinin ötesinde, genel görelilik kuramının ötesinde, kuantum kuramının ötesinde. Ancak, deneysel sonuçların destansı bir dizisi, bu tür spekülasyonların çoğunun temelsiz olduğunu kanıtlamış ve yarım asır önce okulda öğrendiğim fiziği doğrulamıştır. Fizikçilerin dersleri dikkate almamakta başarısız olduğunu düşünüyorum ve bu da fizikte ilerlemenin önünü kesiyor.
Cenevre yakınlarındaki Avrupa parçacık fiziği laboratuvarı CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) kullanılarak 2012'deki Higgs bozonunun keşfini ele alalım. Temel teoriyi yaklaşık 50 yıl önce ortaya koyan teorisyenlerden ikisi olan Peter Higgs ve François Englert, bu başarılarından dolayı 2013 Fizik Nobel Ödülü'nü paylaştılar. Higgs bozonu, parçacık fiziğinin standart modelinin keşfedilecek son parçacığıydı ve onun ötesindeki düzinelerce teori yerine bu modeli muhteşem bir şekilde doğruladı. Bu arada, LHC verilerinde “süpersimetrik” parçacıklar için kanıt eksikliği, spekülasyon teorisinin de dahil olduğu spekülasyonlarla motive edilmiş, bu tür parçacıkların varlığına bahis oynayan bir nesil kuramsal fizikçiyi hayal kırıklığına uğrattı.
Genişleyen Evren – devam eden gerilimler yeni bir fizik için yer bırakıyor mu?
Ya da 2015'te yerçekimi dalgalarının ilk doğrudan tespitini ele alalım. Bu, Albert Einstein'ın yüzyıllık yerçekimi kuramı olan genel göreliliğin muhteşem bir teyidiydi. 2017 Fizik Nobel Ödülü, keşfe belirleyici kuramsal ve deneysel katkılarda bulunan üç fizikçiye verildi.
Aynı yıl, iki nötron yıldızının birleşmesinden (GW170817 olayı) gelen yerçekimi ve elektromanyetik sinyallerin neredeyse eş zamanlı tespiti, bilim insanlarının yerçekimi ve elektromanyetik dalgaların hızları arasındaki orana (genel göreliliğin aynı olması gerektiğini ima ettiği) ilişkin bilgilerini yaklaşık 14 mertebe iyileştirdi. Tek hamlede bu, genel göreliliğin ötesindeki kuramların çok büyük bir alanını dışladı. Benzer şekilde, 2020 Fizik Nobel Ödülü, kara deliklerin varlığının ve fenomenolojisinin genel görelilik ile tamamen uyumlu olduğunu gösteren çalışmalar için verildi.
Ve son olarak, 2022 Fizik Nobel Ödülü'nü, kuantum dolanması gibi olayları uzun mesafelerde doğrulayan ve kuantum mekaniğinin ötesindeki kuramlarla ilgili spekülasyonları çürüten on yıllar boyunca yapılan deneyler için verildi. Bu sonuçlar genellikle şaşırtıcı olarak sunuluyor, ancak aslında bana okulda öğretilenleri doğruladılar.
Ve yine de, on yıllar boyunca, parçacık fiziği veya astronomisindeki kurulu fikirlerle biraz gerilim halinde görünen her yeni veri noktası, mevcut kuramların “ötesinde” bir fiziğin ipucu olarak duyurulmuştur. Çok sayıda fizikçi bu ipuçlarını spekülasyonlar için bir sıçrama tahtası olarak kullanmış ve bu süreçte bir orman kadar makale üretmiştir. Ancak bu yeni veriler her zaman kurulu fizik, istatistiksel dalgalanmalar veya hatta deneysel hata ile açıklanabilir olmuştur.
En iyi kuramlarımızın ötesindeki vahşi spekülasyonlara bu tekrarlanan “hayır” cevabının, metodolojik tutumumuzda belli bir alçakgönüllülüğü teşvik edeceğini düşünebilirsiniz. Ancak meslektaşlarımın çoğunda, günümüzdekilerin “ötesinde”ki bir sonraki büyük teoriyi takip etmeye kararlı olanlarda bunun için çok az kanıt görüyorum. Neden?
Kötü sindirim
Sezgim, bunun en azından kısmen fizikçilerin kötü filozoflar olmasından kaynaklandığıdır. Bilim insanlarının görüşleri, farkında olsunlar veya olmasınlar (ve isterlerse isterlerse) felsefeyle yoğrulmuştur. Ve meslektaşlarımın çoğu – özellikle felsefenin alakasız olduğunu savunanlar – bilimin ne yapması gerektiği konusunda, yirminci yüzyıl filozoflarının çalışmalarının kötü sindirilmiş sürümlerinden kaynaklanan bir fikre sahiptir: Karl Popper ve Thomas Kuhn.
Kuhn'dan, yeni bilimsel kuramların önceki kuramlara dayanmadığı fikri gelir: ilerleme bunun yerine “paradigma değişimleri”, devrimlerin bilimsel eşdeğerleri yoluyla gerçekleşir. Popper ise, bir kuramın ancak “yanlışlanabilir”se, yani ampirik kanıtlarla yanlışlanması mümkünse bilimsel olduğunu öne sürer. Popper ve Kuhn'un yüzeysel okumalarının, birçok araştırmayı yanıltan birkaç varsayımı teşvik ettiğini düşünüyorum: birincisi, geçmiş bilginin gelecek için iyi bir kılavuz olmadığı ve yeni kuramların gökyüzünden avlanması gerektiği; ve ikincisi, henüz yanlışlanmamış tüm kuramların eşit derecede olası ve eşit derecede test edilmeye ihtiyaç duyulması gerektiği.
Bilim tarihi, bu tutumların yanlış yönlendirildiğini göstermektedir. Temel fizikte keyfi hipotezlerden ortaya çıkan büyük bir ilerlemenin düşünülmesi zor, hatta imkansızdır. Bunun yerine, her ikisi de ampirik olmak üzere iki kaynaktan gelmişlerdir.
Birincisi yeni verilerdir. Johannes Kepler'in 17. yüzyılın başlarındaki, gezegenlerin Güneş çevresinde dairesel değil eliptik yörüngelerde hareket ettiği fikri, Mars'ın hareketindeki anomalilerin gözlemlerinden geldi. James Clerk Maxwell'in 19. yüzyıldaki klasik elektromanyetizma denklemleri, daha önce Michael Faraday ve diğerlerinin yaptığı deneylerden kaynaklanmıştır. Kuantum mekaniğinin kurucu fikri, 1900 civarında atom spektroskopisi çalışmalarından ortaya çıktı. Parçacık fiziğinin standart modelinin temel taşlarından biri olan güçlü nükleer kuvvet kuramı olan kuantum kromodinamiği, 1950'ler ve 1960'larda yeni keşfedilen “hadron” parçacıklarının bir hayvanat bahçesine düzen getirme girişimlerinden ortaya çıktı. Ve böyle devam ediyor.
İlerlemenin ikinci kaynağı, yerleşik bilgilerdeki belirgin tutarsızlıkların veya tutarsızlıkların incelenmesidir: bu bilgiyi ciddiye almak ve tutarlı hale getirmeye çalışmak. Ünlü bir örnek, Einstein'ın 1905'teki özel görelilik kuramıdır. Özel görelilik, Maxwell denklemlerinin elektromanyetik olayları çok iyi açıkladığı, ancak bunların mutlak bir hızda hareket ettiğini söylediğinden doğmuştur. Bu, 17. yüzyılda Galileo Galilei'nin araştırmalarından bu yana anlaşılan bir gerçekle uyumsuz görünüyordu: hızın göreceli bir nicelik olması.
Neden fizikçiler bile kuantum teorisini 100 yıl sonra bile %100 anlamıyor?
Popper ve Kuhn'un saf okumasını izleyerek, Einstein, Maxwell denklemlerinde değişiklikler keşfetmeli veya hızın göreliliğini bırakmalıydı. Tam tersini yaptı. Geçmiş bilimsel bilgilere güvendi, hem Maxwell denklemlerini hem de hızın göreliliğini korudu ve ikisi arasındaki görünür çelişkiyi ikisinin de doğru olduğunu varsayarak ve başka bir şeyi değiştirerek ortadan kaldırdı: zaman ve eşzamanlılığın mutlak olduğu fikri. Einstein, eşzamanlılığın bir gözlemcinin nasıl hareket ettiğine bağlı olduğu fikrini yeni bir görelilik kuramının temeli yaptı.
Einstein'ın 1915'te tanıttığı genel görelilik, benzer bir stratejinin ürünüdür. Zaten edinilmiş temel bilgilere olan güvene dayanmaktadır: özel görelilik; nispeten zayıf alanlardaki testlerde şimdiye kadar çok iyi çalışmış olan Newton yerçekimi; ve Newton yerçekimiyle ilgili bir sorunu çözmek için bir model olarak Maxwell kuramı, anında mesafelere etki ettiği görülüyordu. Yerçekimi, elektromanyetizma gibi, mutlak bir hıza sahip olabilirdi: ışık hızı.
Bu ve benzer durumlarda, ilerleme çoğunlukla yeni veriler olmadan sağlandı. On altıncı yüzyılda Nicolaus Copernicus, Dünya'nın döndüğü ve Güneş etrafında hareket ettiği, Güneş'in Dünya etrafında değil, olasılığını araştırdığında, önceki binyılda astronomide başkalarının sahip olduğundan daha fazla bir şeye yaslanacak neredeyse hiçbir şeyi yoktu. Einstein, ışığın hızının gözlemci kim olursa olsun mutlak olduğunu gösteren 1887 Michelson-Morley deneyinin sonucunun, özel göreliliği türetmede kendisi için önemli olmadığını söyledi. Bu iddia güvenilirdir, çünkü Michelson-Morley sonucu aslında özel göreliliği türetmek için alakasızdır (her ne kadar kuramın doğrulanması olsa da). Benzer şekilde, genel göreliliğin, Newton yerçekiminin açıklayamadığı Merkür'ün perihelyumunun (Güneş'e en yakın noktası) anormal hareketini açıklayabilmesi, yeni kuramın doğrulanması olarak çalıştı, ancak kaynak olarak değil.
Klasik elektromanyetizmanın muhteşem durumu biraz farklı. Faraday ve diğerlerinden gelen yeni veriler şarttı, ancak Maxwell, daha önce keşfedilen yasalarla tutarlılık arayarak nihai sentezini yaptı. Yeni fizik yine önceki bilgilerden, onu gerçeklik hakkında güvenilir bilgi olarak ciddiye almaktan doğmuştur.