next up previous contents
Next: Reduksjon, korrespondanse og komplementaritet Up: Fysikk og filosofi Previous: Materie og krefter, fysikk

Subsections

Fundamentalfysikkens forskningsprogram

Som sagt ovenfor, ser fundamentalfysikken det som sin oppgave å forklare alle fenomener i verden ut fra (helst) ett passivt prinsipp (materien) og ett aktivt prinsipp (urkraften), som foreligger og virker i verden. Som regel vil man, for å være realistisk, begrense seg til å forsøke å forklare skikkelig én type fenomener eller hendinger på ett bestemt plan i verden. Denne typen fenomener eller dette planet anser man da for å være det fundamentale, som alt annet avhenger av, selv om man i øyeblikket ikke kan beskrive denne avhengigheten skikkelig. (Å se det annerledes ville være å gi opp kravet på å bli ansett som fundamentalfysiker, og be om overføring til en annen vitenskap.) Denne fremgangsmåten er helt konsistent med det jeg skisserte i forrige avsnitt -- å postulere en egenskap eller et sett med egenskaper som materiens essens, og deretter utforske materiens opptreden sett i dette lyset: Materiens essens knyttes til de egenskaper eller størrelser (greier) som oppfattes som mest grunnleggende på det området man beskjeftiger seg med. Slik blir f.eks. materiens essens i Newtonsk fysikk å ha masse, som igjen knyttes til treghet og gravitasjon. Anser man elektromagnetismen som den fundamentale teorien, blir ladningen materiens essens, og de grunnleggende størrelser eller greier blir ladete partikler og felt.

Siden fysikken er konkret, kan den ikke beskjeftige seg utelukkende med generelle egenskaper, essenser og prinsipper, selv om den må ta slike med i betraktningen (bl.a. i form av symmetribetraktninger). Alt dette må (som jeg har sagt før) knyttes til noe som forekommer i verden; som noe konkret som har disse egenskapene eller essensene eller er bærer av disse prinsippene. Disse konkrete, primære størrelsene i fysikken kaller jeg fundamentalfysikkens greier. Jeg vil nå si noe om hvordan disse greiene er definert og bestemt i fysikken, og videre om hvordan teorier bygges opp rundt disse greiene.

Det som skjer når en teori omhandler plan av virkeligheten som ligger fjernt fra vårt daglige plan, er ofte at disse tre elementene (essensielt, konstruktivt og operasjonelt) blir mer og mer forskjellige, og det operasjonelle blir gjerne svært komplisert -- selv om alle tre delene er uløselig sammenknyttet og støtter hverandre opp gjensidig. (Det er f.eks. vanskelig å kunne rettferdiggjøre en måling om en ikke har en teori for hvordan måleapparatet virker, og hvordan det står i forbindelse med den verden en studerer.) Det essensielle elementet blir også for en legmann gjerne svært abstrakt, men det som kjennetegner vitenskapsmannen med et godt grep på sin teori, er at han behersker alle disse tre elementene og ser (mer eller mindre) umiddelbart sammenhengene både mellom de forskjellige elementene og innad i hver del av teorien.

En siste del av en fysisk teori må naturligvis nevnes: Når en har etablert den operasjonelle delen av teorien, har en også tilgang på empiriske data som en kan bruke til å etablere mer empiriske lover for greienes oppførsel (og naturligvis til å teste gyldigheten av de lover en allerede har etablert). Hva slags empiriske lover en kan etablere, er imidlertid ikke helt vilkårlig -- det er klart begrenset av greienes eller teoriens essens. F.eks. kan ikke et legeme i relativitetsteorien vekslevirke instantant med et annet som ikke er i kontakt med det.

Vi kan finne ut (og finner raskt ut) at et vilket som helst utvalg av de egenskaper vi i alminnelighet har direkte kjennskap til (de daglige intuitive begrepene), ikke har potensiale til å være grunnbestanddeler i vår teori, ettersom de lovene vi kan formulere ved hjelp av disse egenskapene, ikke er tilstrekkelige til å beskrive eller forklare de fenomener vi observerer på grunnlag av to fundamentale og helt generelle prinsipper (materie og kraft). Da må vi forsøke å hente grunnegenskapene fra andre deler av vårt begrepsapparat -- og følgen blir at de i en forstand blir uerfarbare. En kan se det slik at ettersom vi ønsker å lage en teori om naturen, og ikke kan forutsette at denne har noen menneskelignende karakter, må vi forsøke å fjerne de `antropomorfe' elementene som ligger i vårt alminnelige begrepsapparat. Vi kan f.eks. ta en matematisk struktur og gi den et navn (uten at jeg påstår at det er akkurat slik begrepsdannelse foregår). Det kan også tenkes at vi finner empiriske sammenhenger mellom greier som er operasjonelt definert i analogi med (i denne sammenheng) velkjente greier, men at disse sammenhengene ikke svarer til våre essensielle definisjoner. Da vet vi ikke hva det er vi snakker om, før vi har etablert et nytt essens-begrep om de greiene teorien er om. Dette var situasjonen i kvantemekanikkens første år.

En teoris positive heuristikk, dvs. mulighetene for videre fremgangsrik forskning, ligger blant annet i hvor rikt det grunnleggende begrepsapparatet er på muligheter til å formulere nye lover eller sammenhenger. Her ligger også (tror jeg) noe av grunnen til matematiske formuleringers suksess: Spesielt etter at funksjonsteorien ble utviklet, inneholder matematikken et nærmest ubegrenset antall muligheter til å formulere både essenser og relasjoner på en presis måte, som man vanskelig kan finne i noen andre `språk'.

Dersom en teori kan formuleres på flere logisk eller matematisk ekvivalente, men begrepsmessig forskjellige måter, er dette snarere en styrke enn en svakhet ved teorien -- selv om det innebærer en flertydighet i fortolkningen. Det gir nemlig flere muligheter for å utvikle teorien videre, ved å innpasse nye begreper i den eller skifte ut noen av elementene (greiene) med nye, analoge -- altså flere mulige utviklingsretninger. Det som i den ene formuleringen kan være en forholdsvis liten og enkel forandring, kan være en stor og komplisert revisjon i den andre formuleringen. I denne sammenhengen er det viktig å legge merke til at vi aldri benytter oss av begreper som ligger helt utenfor den ramme av begreper vi opererer med og kjenner til fra før -- vi må på et vis velge blant våre kjente begreper, evt. i analogi til disse.

Til slutt kan jeg illustrere disse betraktningene med to eksempler på fundamentalfysiske teorier, på ganske forskjellig plan: Den første er Anaximenes' teori om luft som urstoffet; den andre er kvantefeltteorien.

.

Anaximenes mente at alt i verden er former av luft. De essensielle, konstruktive og operasjonelle trekkene ved urstoffet ligger her meget klart opp i dagen: Materiens essens er den samme som de vesentlige egenskapene til luft: usynlig, flyktig, nøytral -- og livgivende. Dette forekommer konkret i verden som nettopp luft, som er det vi puster i (dette kan tjene som operasjonell definisjon); det som vanligvis befinner seg over jordoverflaten og vannflaten. Dessuten er jord, vann og ild fortettede eller fortynnede former av luft. Trass i denne teoriens enkle oppbygning inneholder den altså alt som kreves av en fundamentalfysisk teori.

Forskningsprogrammet kunne bestå i en videre undersøkelse av fortetnings- og fortynningsprosessene. Er det fortetting og fortynning i seg selv som er urkraften, eller er det tyngdekraft eller varme? (Anaximenes mente varme var identisk med fortynning av luft.) Forsøk på f.eks. å omdanne luft til vann og jord eller omvendt kunne stå sentralt. Et problem for programmet kunne være å forklare forskjellen på f.eks. jern og stein -- stoffer som ser ut til å ha samme hardhet og tetthet. Et forsøk på forklaring kunne være at stoffene har små, men ulike variasjoner i tettheten -- variasjoner som er så små at vi ikke ser dem direkte. Her ville imidlertid programmet stoppe opp, så lenge en ikke hadde midler til å undersøke disse variasjonene. Å forklare farger ville også bli vanskelig.

Tar vi et tilbakeblikk på denne teorien fra vårt ståsted i dag, kan vi si at den til tross for sin naivitet inneholder flere erkjennelser som er blitt stående. Dersom vi oversetter teorien til utsagn om de fire aggregattilstandene (fast stoff, væske, gass og plasma), samt om fenomenene varme og tetthet, finner vi at den harmonerer godt med moderne statistisk fysikk og termodynamikk: Gass regnes som den primære aggregattilstanden (dvs.: den er i hvert fall lettest å regne med -- det er ikke nødvendigvis det samme). Ved avkjøling eller fortetting (minket volum, økt trykk) vil gass gå over til væskeform og videre til fast form, mens den ved oppvarming eller fortynning vil ioniseres (gå over til plasma). Faktisk kan varme ses som identisk med tendensen til å gå over i høyere aggregattilstander, mens aggregattilstandene på sin side er uttrykk for bindingene i systemet, og dermed for tettheten. Imidlertid krevdes det en lang omvei før disse innsiktene kunne formuleres i et mer presist språk.

.

Uten å foregripe diskusjonen i avsn. 4.2 for mye, kan det slås fast at kvantefeltteorien sentrerer seg om begrepet partikkeltyper. Partikkeltypene kan deles inn i to hovedgrupper: fermioner og bosoner. Fermionene kjennetegnes bl.a. ved en `naturlig frastøtning': To fermioner av samme type kan, dersom de finnes, ikke være i samme tilstand samtidig, og har dermed en naturlig aversjon mot å være på samme sted. Dette skyldes vel å merke ikke noen vekselvirkning (kraft) mellom dem, men er en del av hva det vil si å være fermion. På samme måte har bosonene en `naturlig tiltrekning': De kan være på samme sted samtidig over et endelig tidsintervall.

Hver partikkeltype kjennetegnes av en rekke kvantetall, som bestemmer dens oppførsel og vekselvirkninger. De viktigste kvantetallene er masse og spinn, som bestemmer partiklenes propagering (eller utviklingen av et system bestående av én partikkeltype) når de er overlatt til seg selv, samt ladning, farge, svakt isospinn og svak hyperladning, som bestemmer hvordan de vekselvirker (formen på vekselvirkningene). I tillegg kommer invarianskrav og kravet om mikrokausalitet. Dette kan sies å være den essensielle delen av teorien.

Den konstruktive delen av teorien (som jeg skal se mer på i avsn. 4.4) er sentrert rundt begrepet om bundne tilstander. Opp-kvarker, ned-kvarker og gluoner kan inngå i stabile, romlig avgrensede konfigurasjoner som er fargeløse og har elektrisk ladning 0 eller +1, masse ca. 1GeV og spinn 1/2: nøytroner og protoner. Via residualvekselvirkninger kan disse igjen inngå i stabile konfigurasjoner med heltallig ladning: atomkjerner. En atomkjerne kan sammen med fotoner og elektroner inngå i stabile konfigurasjoner som er elektrisk nøytrale: atomer. (Det ensemblet av bundne, elektrisk nøytrale tilstander som dannes fra den samme atomkjernen betegnes som forskjellige tilstander av samme atom.) Atomer kan igjen bindes med elektromagnetiske residualkrefter -- til molekyler, krystaller, væsker osv.

Den operasjonelle delen av teorien baserer seg først og fremst på at enkeltpartikler kan observeres i partikkeldetektorer av ulike slag. De fleste av disse benytter seg av ioniseringsevnen til ladete partikler og fotoner. En benytter seg altså av kjent teori for ionisering, samt teori for faseoverganger eller drift av ladete partikler (elektroner) i gasser med elektrisk felt. Ut fra et stort arbeid med konstruksjon og kalibrering fra kjente teorier og egenskaper til f.eks. kosmisk stråling, kommer kriteriet for å si at en partikkel er observert: Et korrelert `spor' av f.eks. små strømpulser på tråder. Videre informasjon om partikkelen -- impuls, ladning, masse (dvs. partikkeltype) -- kan en få ved å se på avbøyning i magnetfelt, tida som brukes på å tilbakelegge en viss avstand m.m. -- mens energien måles ved å stoppe partikkelen fullstendig (og dermed kanskje ødelegge den).

Er en oppsatt på å kverulere, kan en innvende at det snarere er vekselvirkninger enn partikkelen selv en observerer -- og at en derfor bare slutter seg til partikkelens eksistens på et mer eller mindre usikkert grunnlag. Partikkelen kan ses bare som en konstruert størrelse. Til dette kan det sies at korrelasjonen av data på måleinstrumentene under visse eksperimentbetingelser er kriteriet for at det er en partikkel der; det er dette som gjør det mulig å snakke om observerbare partikler. Enkeltpartiklene, observert på denne måten, danner det (primære) empiriske grunnlaget for teorien, som resten av teorien må vurderes i lys av.

De enkelte partikkeltypenes masse, koblingskonstantenes størrelse og enkelte andre data utgjør rent empiriske deler av teorien. Det er også rom for innføring av enkelte nye vekselvirkninger og partikler og revisjon av formen på de kjente vekselvirkningene innenfor visse grenser. Blant annet er Higgs-mekanismen meget fleksibel, det kan tenkes flere måter å gruppere flere partikkeltyper sammen på og en kan `finne opp' nye former for vekselvirkninger eller symmetrier med tilhørende nye partikkeltyper. Jeg skal se litt på flere mulige forskningsfelt i kap. 5.

Visse anomalier er også kjent (også om en ser bort fra spørsmålet om hvorvidt renormalisering er gyldig). Disse har først og fremst å gjøre med forholdet til gravitasjonskraften: Det er akseptert at kvantefeltteorien er gyldig for alle fenomener unntatt gravitasjon, som beherskes av Einsteins generelle relativitetsteori. Disse to teoriene er innbyrdes inkonsistente, og det er et åpent spørsmål hvor dypt denne inkonsistensen stikker. En del av problemet består i at kvantefeltteorien forutsetter rom og tid som gitt, mens den generelle relativitetsteorien omhandler modifikasjoner av rommets og tidas struktur. Dette kan tyde på at inkonsistensen er grunnleggende. I hvert fall har de forsøkene på forening som hittil har vært foretatt, ikke vist seg fruktbare. Man skal derfor ikke utelukke at dette problemet vil måtte medføre en grunnleggende revisjon av teorien i framtida, akkurat som nye oppdagelser naturligvis kan gjøre det.


next up previous contents
Next: Reduksjon, korrespondanse og komplementaritet Up: Fysikk og filosofi Previous: Materie og krefter, fysikk
Jon Ivar Skullerud
1999-02-12