Teorier om alt

Hva er en `teori om alt'?

Fysikken har som mål (som jeg sa i avsnitt 3.4) å gi en enhetlig forklaring og beskrivelse av naturen, dvs. en teori som prinsipielt skal kunne forklare alle fenomener i verden. Dette står som et mål man streber mot (et regulativt mål for fysikken), uansett om det kan nås eller ikke. Det er denne ambisjonen om en altomfattende teori, eller en teori som ikke forutsetter noen bakenforliggende teori eller noe bakenforliggende nivå, som skiller fysikken fra alle andre vitenskaper, med unntak av (kanskje) psykologien. En `endelig' teori, som omfatter alle (fysiske) fenomener, kalles en teori om alt (Theory of Everything eller TOE). Den vil naturligvis være underlagt de begrensningene som jeg beskrev i avsnitt 3.4 (teorier på ulike nivåer er komplementære), og vil således på ingen måte erstatte tidligere teorier eller de øvrige vitenskapene. Den vil imidlertid danne en slags `ontologisk basis' for i hvert fall alle vitenskaper om den livløse delen av verden.

Å postulere noe som en TOE krever en meget god porsjon selvtillit, og er naturligvis ikke noe man gjør uten videre. Det er ikke nok at teorien omfatter alle fenomener som er kjent på det tidspunktet den lanseres. Grunnprinsippene i teorien må være enkle og naturlige og ikke gi opphav til nye spørsmål -- teorien må være filosofisk tilfredsstillende (eller den må kunne bli det). Dessuten må man ha meget gode grunner for å hevde at det ikke vil bli oppdaget kvalitativt nye fenomener.² Å tro at en TOE kan finnes (og enda mer å påstå at man allerede har funnet den) er i grunnen uttrykk for et rasjonalistisk natursyn og vitenskapsideal: Naturen (tingene i seg selv) følger et sett med rasjonelle prinsipper, som vi har mulighet for å erkjenne, og kanskje resonnere oss frem til. Dette synet går et godt stykke utover det som ligger i det regulative prinsippet om å søke etter en TOE, og jeg vil senere argumentere for at det er svært tvilsomt om et slikt syn i utgangspunktet kan forsvares.

Nå har man enkelte grunner for å forvente at en TOE kan finnes, og at det er mulig å gjette hvordan den skal kunne se ut. Man står i dag med to teorier som til sammen beskriver (prinsipielt) alle kjente fysiske fenomener: standardmodellen i kvantefeltteorien og den generelle relativitetsteorien (gravitasjonsteorien). Det føles derfor ikke urimelig å anta at dersom man greide å konstruere en teori som forener disse to, ville dette være en TOE. Man har dessuten en skala som man har gode grunner til å anta er en fundamental skala i naturen, slik at alle naturfenomener kan tilbakeføres til fenomener på denne skalaen. Dersom man kombinerer de tre naturkonstantene Plancks konstant $\hbar$ (fra kvantemekanikken), lyshastigheten c (fra relativitetsteorien) og Newtons gravitasjonskonstant G (fra den generelle relativitetsteorien), får man Planck-enhetene:

Planck-lengden	$$\ell_{Pl}^{}$$	= $$\sqrt{G\hbar/c^3}$$	= 4, 05 . 10-35m
Planck-tida	tPl	= $$\sqrt{G\hbar/c^5}$$	$$\sim$$ 10-43s
Planck-massen	MPl	= $$\sqrt{\hbar/Gc}$$	$$\sim$$ 10-5g $$\sim$$ 1019GeV/c2

Det som måtte foregå `bak' denne skalaen kan en tenke seg er irrelevant, eller det kan være prinsipielt umulig å få noe kunnskap om det -- eller det kan tenkes at det rett og slett ikke finnes noe `bak' Planck-skalaen: Den konstituerer verdens `absolutte' dimensjoner -- akkurat som at det ikke finnes hastigheter større enn lysets eller temperaturer lavere enn det absolutte nullpunkt.

Forslag til teorier

1. Kvantegravitasjon.

Som nevnt i avsnitt 5.1, begynte man ganske tidlig etter at kvantefeltteorien var kommet til heder og verdighet igjen, å beskjeftige seg med teorier for kvantegravitasjon, som muligens kunne være kandidater til teorier om alt. En rekke modeller ble foreslått utover 70- og 80-tallet. En kort oppsummering:

Først kom idéen om supersymmetri -- omtrent samtidig med at standardteorien ble utarbeidet. Her innfører man symmetri mellom fermioner og bosoner, slik at disse kan gå over i hverandre. Da skulle det til hver partikkel svare en `spartikkel' med motsatt statistikk, altså en fordobling av antall partikler -- noe som ikke behøver å være så ille, dersom man har en god grunn og kan `bortforklare' de uobserverte partiklene. Gjør man en gauge-teori ut av supersymmetrien, får en supergravitasjon -- et gravitasjonslignende felt dukker naturlig opp. Uavhengig av disse teoriene kom en ny interesse for Kaluza-Klein-teorier. Disse var foreslått av Kaluza og Klein på 1920-tallet, som en måte å forene elektromagnetisme og gravitasjon. Dette lot seg gjøre ved å gi rommet 5 dimensjoner og identifisere geometrien i den 5. dimensjon med det elektromagnetiske feltet. Ved å innføre enda flere romdimensjoner tenkte man nå det skulle la seg gjøre å få plass til de `nye' gauge-feltene, samtidig som et spontant symmetribrudd på Planck-skalaen kunne `krølle opp' eller `gjemme bort' de ekstra dimensjonene ved våre energier. Når en så kombinerte supergravitasjon og Kaluza-Klein-teori, fikk en utvidet supergravitasjon, hvor en fant igjen og kunne dra nytte av preon-idéer. Alt dette var og er et paradis for den med sans for abstrakt matematikk -- men den eksperimentelle evidensen er ganske fraværende.

2. Superstrenger.

I følge superstrengteorien er de fundamentale fysiske greier ikke partikler, men strenger, dvs. 1-dimensjonale objekter. Strengteorien ble opprinnelig lansert rundt 1970 som et forsøk på å beskrive hadroner (som vibrasjonstilstander av strengene), men ble forlatt bl.a. fordi de forutsa noen uønskede masseløse partikler. Langt senere oppdaget Green og Schwarz at disse masseløse partiklene lignet svært på fotoner og gravitoner (gravitasjonskvanter), og at dersom man brukte strengmodeller til å beskrive alle elementærpartikler, fikk man naturlig en teori for kvantegravitasjon.

Hadde dette vært teoriens eneste fordel, hadde den kanskje ikke blitt så populær -- kvantegravitasjonsteorier fantes allerede. Man det viste seg også at teorien var nesten inkonsistent -- dvs. at man hadde svært få valg i utformingen av teorien. Blant annet forutsa den vilke gauge-grupper man måtte ha -- de aller fleste gauge-gruppene ville gi en inkonsistent teori. Generelt håpet man at det kunne finnes bare én konsistent strengteori -- bare man krevde at teorien for alt skulle være en strengteori, ga resten av seg selv. Dette ligger nær opp til Einsteins forhåpninger med arbeidet sitt de siste 30 årene av sitt liv: En forent teori for alle vekselvirkninger, basert utelukkende på konsistensprinsipper.

Strengteorien kan ikke være konsistent i et 4-dimensjonalt rom. Den enkleste superstrengmodellen forutsatte at vi hadde 25 romdimensjoner og 1 tidsdimensjon; dersom man også tok med vekselvirkninger ble kravet at vi hadde 10 dimensjoner. Man måtte da håpe at de 6 ukjente dimensjonene var `krøllet opp' som i Kaluza-Klein-teoriene, uten at man hadde noen eksplisitt mekanisme for dette. Det har også vist seg vanskelig å få noen resultater ut av teorien som har noen tilknytning til de energinivåer vi har nådd eksperimentelt -- for å forsøke å avlede vår kjente fysikk (standardmodellen) fra strengteorien blir en nødt til å putte inn ganske mange vilkårlige parametre. Det viser seg også at det finnes flere mulige strengmodeller, noe som ødelegger håpet om å finne en TOE ved kun å stille konsistenskrav. Men fremdeles er superstrenger et aktivt forskningsfelt -- det er i hvert fall en mulig modell for virkeligheten på Planck-skalaen, og den eneste konsistente måten å kvantisere gravitasjon på som til nå er kjent.³

3. Tilfeldig dynamikk.

Tilfeldig dynamikk-programmet, som er lansert av Holger Bech Nielsen, har et vidt forskjellig utgangspunkt i forhold til strengteorien. Der strengteoretikerne påsto at Gud ikke hadde noe valg med hensyn til den fundamentale teorien, går tilfeldig dynamikk ut på at Gud kunne velge hva Han ville -- bare det var komplisert nok. Den fundamentale fysikken kan være helt vilkårlig eller kaotisk, eller det kan rett og slett ikke finnes noen fundamental teori. Fra dette vil man så vise at vår kjente fysikk følger som en naturlig konsekvens -- dvs. at nesten uansett hva slags komplisert modell vi velger for den `grunnleggende' fysikken, vil standardmodellen og den generelle relativitetsteorien komme ut som resultat ved lave energier. Den fysikken vi kjenner, er altså svært lite følsom for forandringer på Planck-skalaen. Slikt forekommer på mange andre felt: Jeg har påpekt at de makroskopiske krefter (med to-tre unntak) har svært lite med de mikroskopiske å gjøre. Kjemien avhenger ikke av detaljer i kjernefysikken (bare av at det finnes kjerner), og svært mye i biologien kan forklares bare ved å bruke evolusjonsprinsippet. På tilsvarende måte: Av alle de effekter som opptrer på Planck-skalaen, vil bare noen få `overleve' til våre energier.

I praksis kan man naturligvis ikke operere med tilfeldige teorier. Det som gjøres, er derfor at man tar forskjellige tilstrekkelig kompliserte modeller og lar parametrene variere stokastisk. Det som kan vises å gjelde i alle disse modellene, kan sies å være et rimelig utfall av tilfeldig dynamikk. For eksempel kan det vises at gauge-teorier naturlig kan oppstå fra teorier uten gauge-symmetri -- og bare gauge-teorier vil `overleve' til lavere energier. Av alle gauge-teorier som er mulige, er det de enkleste som vil overleve lengst, og det er dem vi ser i standardmodellen. Man har derfor `forklart' både hvorfor naturen har en forkjærlighet for gauge-symmetrier og man har en dynamisk forklaring på standardmodellens gauge-grupper. Om man vil kalle tilfeldig dynamikk for en TOE eller en anti-TOE, kan jo være en smakssak ...

Kritikk av teorier om alt

Det er flere grunner til å være svært skeptisk til alle forslag til `teorier om alt'. Som regel kan en på forhånd si at forslaget er prematurt: Det innebærer et forsøk på å formulere generelle prinsipper for et område vi vet svært lite om ennå. For eksempel lider strengteorien og alle andre forsøk på å lansere prinsipper for fysikken på Planck-skalaen av en alvorlig mangel på empirisk evidens -- en har enda mindre å hekte det på enn Einstein hadde da han lanserte den generelle relativitetsteorien i 1915.⁴ Det viser seg stadig at naturens fantasi langt overgår vår -- det finnes langt flere muligheter for hvordan materien kan oppføre seg enn de vi har tenkt på. Enten nekter naturen å rette seg etter våre prinsipper, eller den følger disse prinsippene, men de er langt fra tilstrekkelige til å dekke alt som skjer i naturen.

Det kan også argumenteres mot at en TOE overhodet kan finnes. Tar en utgangspunkt i at vi mennesker er endelige vesener, er det ikke naturlig å anta at det skulle være oss gitt å fatte oppførselen til hele (den uendelige) naturen. For det første har vi ingen grunn til å tro at naturens oppførsel kan sammenfattes i et endelig antall prinsipper. For det andre, selv om den kunne det, følger det ikke at disse prinsippene er av en slik karakter at vi kan fatte dem -- det ville bety at vår bevissthet har en veldig spesiell status, eller at naturen er veldig `snill'.

Det er et par ting man må merke seg når det gjelder de teorier vi former: Vi kan ikke plukke begreper helt fritt i konstruksjonen av teoriene -- begrepene må nødvendigvis være slike som vi har kjennskap til fra før -- begreper som vi har konstruert, og som opprinnelig har utgangspunkt i noe kjent. Alle våre begreper om verden vil altså ha et visst preg av antropomorfisme -- vi er bundet av våre forstandsformer.⁵ For å tilpasse verden til våre (tilgjengelige) begreper, må vi foreta en viss idealisering.⁶ Når vi beskriver fenomener på dypere nivåer av naturen, forsøker vi å kvitte oss mest mulig med disse antropomorfe idealiseringene og rette oss etter de `rene' observasjonene. Men, siden våre begreper aldri kan fris helt for antropomorfismer, og siden bare det å skille mellom observerende og observert system er en (nødvendig) idealisering -- og (ikke minst) på grunn av de `omvendte forutsetningene' i vår erfaring som er omtalt i avsnitt 3.4, vil dette målet aldri bli fullstendig oppnådd. En kan også si at vi i fysikken søker etter tingene i seg selv⁷ -- men de vil alltid unnvike våre forstandsformer.

En tredje grunn til å være skeptisk til alle forslag til TOE, er av mer ideologisk karakter. Dersom en TOE skulle bli funnet, ville det (etter hvert) bety en slutt på fysisk grunnforskning. Innen i hvert fall ett område av menneskelig åndsliv ville vi altså nå et endelig stadium, hvor intet lenger skjedde. For meg virker bare dette -- at historien (på ett område) skulle ha en ende -- lite plausibelt. En kan også spørre om menneskene for evig og alltid⁸ vil si seg fornøyd med det som hevdes å være den endelige teorien, eller om en ikke vil spekulere på hvorfor akkurat denne teorien gjelder -- er det noe mer som ligger bak? Et siste spørsmål kan være om det overhodet er ønskelig at en TOE blir funnet? Disse spørsmålene bringer oss over i neste og siste avsnitt, hvor en god del av innholdet er basert på de tanker som er uttrykt i Wigners artikkel [29].