Proč si myslím, že teorie všeho neexistuje
Souhrn
Sabine Hossenfelder zpochybňuje dlouho zastávanou víru ve fyzice, že jsme na pokraji objevení “teorie všeho”. Ačkoli v 90. letech sama věřila v možnost takové teorie, dnes je přesvědčena o opaku. Vysvětluje, že základem víry v teorii všeho je představa o fundamentálním limitu rozlišení ve vesmíru známém jako Planckova délka (10^-35 metrů), který vzniká kombinací kvantové mechaniky a gravitace. Když spojíme Einsteinův pohled na gravitaci jako zakřivení časoprostoru s kvantovou neurčitostí, dostaneme neurčitost samotného prostoru - což naznačuje fundamentální “rozmazanost” vesmíru na nejmenších škálách.
Hossenfelder však argumentuje, že důvody pro hledání teorie všeho jsou často spíše estetické než vědecké, což historicky nebývá spolehlivé. Hlavní problém vidí v kruhovém uvažování: teorie všeho by měla být konečnou teorií, protože má limit rozlišení, ale tento limit nacházíme v přístupech ke kvantové gravitaci jen proto, že předpokládáme, že je to konečná teorie. Místo hledání teorie všeho navrhuje, abychom se nejprve soustředili na vyřešení základního problému měření v kvantové mechanice. Podle Hossenfelder většina fyziků považuje její postoj za šílený, stejně jako ona považuje za šílené jejich lpění na teorii všeho.
Přepis
Proměna pohledu na teorii všeho
Když jsem v 90. letech vstoupila do fyziky, všichni si mysleli, že jsme na pokraji objevení teorie všeho. I já jsem tomu věřila. Ale dnes nejenže nevěřím, že takovou teorii brzy objevíme, myslím si, že taková teorie vůbec neexistuje.
Existuje jednoduchý důvod, proč si fyzici mysleli, že jsme blízko k dosažení teorie všeho. Je to proto, že příroda zřejmě má fundamentální limit toho, jak dobře můžeme rozlišit malé struktury. Za tímto limitem je vesmír nevyhnutelně rozmazaný, nebo to tak alespoň vypadá. Tato nejkratší délková škála je přibližně 10^-35 metrů. Říká se jí Planckova škála, pojmenovaná po Maxi Planckovi. Zdá se, že určuje limit toho, jak přesně můžeme zkoumat struktury. A vše, co je před tím, už známe.
Kvantová gravitace jako základ teorie všeho
Proto si fyzici mysleli, že další teorie, kterou ve fyzice objevíme, bude tou poslední. Měla by to být teorie, která vysvětlí tuto rozmazanost. Ta pochází ze způsobu, jakým se kvantová fyzika kombinuje s gravitací, nebo tomu alespoň věří.
Pamatujte, že podle Einsteina je gravitace způsobena zakřivením prostoru a času. Naučil nás, že prostor a čas jsou dynamické a reagují na hmotu a energii v nich. Také si vzpomeňte, že podle kvantové mechaniky hmoty a energie nemají přesnou polohu kvůli principu neurčitosti.
Když zkombinujete tyto dvě vlastnosti, vyplývá z toho, že kvantová neurčitost hmoty vede k neurčitosti v prostoru. A to znamená, že samotné lokace se stávají neurčitými. Nejen poloha částice, ale i to, co to vůbec znamená, když něco má polohu. To je ten fundamentální limit rozlišovací schopnosti.
Obecný argument pochází od Matvěje Bronsteina z 30. let. Pokud jste o něm nikdy neslyšeli, je to pravděpodobně proto, že jeho kariéra byla velmi krátká. V roce 1938, když mu bylo pouhých 31 let, byl popraven v leningradském vězení.
Vývoj teorie kvantové gravitace
Po dalších 40 let nikdo nevěnoval jeho myšlenkám velkou pozornost. Nebo se možná příliš báli. Ale pak se v 70. letech otázka vrátila. Vrátila se, protože v té době fyzici dokončili zbytek základů fyziky kromě gravitace. Shromáždili všechny částice ve standardním modelu a zjistili, že drží pohromadě pouze díky třem interakcím: elektromagnetické a silné a slabé jaderné interakci.
Tyto tři interakce mají kvantové vlastnosti, ale stále se nepodařilo je zkombinovat s gravitací. Dali však název teorii, kterou se snažili najít – kvantová gravitace.
Stále nevíme, jaká je správná teorie kvantové gravitace, ale máme několik přístupů. A víte co? Tento limit rozlišení, o kterém už Braunstein mluvil, se objevuje téměř ve všech z nich. Ať už jde o teorii strun, smyčkovou kvantovou gravitaci nebo asymptoticky bezpečnou gravitaci. Všechny jako by říkaly, že vesmír omezuje, kolik se o něm můžeme dozvědět.
Problém singularit
Na druhou stranu by nás to možná nemělo překvapovat. Protože hlavním problémem, který by tyto teorie kvantové gravitace měly vyřešit, jsou singularity. Body v prostoru, kde se zakřivení může stát nekonečně velkým. V Einsteinových teoriích k tomu dochází uvnitř černých děr nebo při Velkém třesku.
V těchto singularitách matematika selhává. Nemůžeme vypočítat, co se stalo před Velkým třeskem nebo po singularitě černé díry. A jednoduchý způsob, jak se zbavit těchto singularit, je rozmazat je. To je to, co kvantová gravitace dělá. Rozmazává to, co se děje na krátkých vzdálenostních škálách.
Co znamená “teorie všeho”
Když fyzici mluví o teorii všeho, myslí tím víc než jen kvantizaci gravitace, která by spojila Einsteinovy teorie se standardním modelem. Chtějí také, aby z ní vyplynuly všechny detaily standardního modelu, jako jsou hmotnosti a typy interakcí a síly těchto interakcí. Vše by mělo vycházet z jedné sjednocené myšlenky, jako jsou například struny, Gerrittova E8, geometrická jednota Erica Weinsteina nebo Wolframovy hypergrafy. To je to, co myslí teorií všeho.
Argumenty pro a proti teorii všeho
Existují dobré důvody věřit v takovou teorii všeho a některé ne tak dobré důvody. Ty ne tak dobré jsou estetické. Bylo by hezčí, kdybychom měli jednu teorii pro všechno než několik různých. A jistě příroda musí být krásná. To je stejný argument, který astronomové použili, když tvrdili, že planetární dráhy jsou určitě kružnice. A to také nefungovalo tak dobře.
Obecně vzato, estetické argumenty historicky fungovaly špatně, což znamená, že neexistují důkazy, že fungují lépe než náhodná pravděpodobnost.
Po argumentech z krásy existují jisté podezření, které má každý ohledně standardního modelu. Když se podíváte na hmotnosti částic, nevypadají náhodně. Zdá se, že mají vzor, ve kterém částice ve třech generacích mají hmotnosti, které jsou přibližně o řád velikosti odlišné. A jediné částice, které používají pouze slabou interakci - neutrina - mají nejmenší hmotnosti. Je tam něco, čemu nerozumíme. Nezdá se pravděpodobné, že by to byla náhoda.
Na druhou stranu, o pravděpodobnosti výskytu něčeho lze hovořit pouze tehdy, když máme rozdělení pravděpodobnosti. Pozorujeme pouze tento jeden vesmír, jak tedy máme vědět, zda je pravděpodobné nebo nepravděpodobné to, co pozorujeme. Tento argument jsem uvedla ve své knize “Lost in Math”, ale nemyslím si, že mu fyzici porozuměli.
Podobnosti gravitace a standardního modelu
O něco lepším důvodem pro víru v teorii všeho je, že gravitace a standardní model, navzdory všem svým rozdílům, mají hodně společného. Obě jsou to neúplné teorie. Obě silně spoléhají na symetrie. Obě lze popsat pomocí zakřivení. Mnoho lidí inteligentnějších než já se pokusilo použít tyto podobnosti k formulaci teorie všeho. A zatím nebyli úspěšní.
Kruhová logika v teorii všeho
A v průběhu let jsem začala přemýšlet, že důvodem, proč žádný z těchto přístupů k teorii všeho nikam nevedl, je to, že taková teorie neexistuje. Neexistuje, protože argument pro její existenci je kruhový. Je to logicky špatně.
Víte, argument je, že tato teorie by byla konečnou teorií, protože má tento limit rozlišení. Ale jediná podpora pro to je limit rozlišení, který nacházíme v přístupech ke kvantové gravitaci, což předpokládá, že tato teorie je konečnou teorií. Takže pokud předpokládáte, že je to konečná teorie, pak je to konečná teorie.
Abych použila technický termín, všechny tyto přístupy předpokládají, že teorie všeho je UV konečná. Pokud tento předpoklad neuděláte, nemáte tušení, co se děje na krátkých vzdálenostech. Takže nevíte, zda je to teorie všeho.
Proč fyzici stále hledají teorii všeho
A bez tohoto argumentu je jediným důvodem, proč si myslíme, že jsme blízko konečné teorii všeho, to, že nám toho nezbylo moc k vysvětlení. Kvantizujte gravitaci, přihoďte několik extra částic pro temnou hmotu. Hotovo.
Také byste si mohli myslet, že pokud ignorujete, jako téměř všichni fyzici, že ve skutečnosti nerozumíme kvantové fyzice v první řadě. To je důvod, proč věřím, že práce na teorii všeho je ztrátou času. Nejprve musíme pochopit, co se děje při měření v kvantové mechanice.
Samozřejmě, většina fyziků si myslí, že jsem stejně bláznivá, jako já si myslím, že jsou oni. A je v tom hezká symetrie. Skoro byste mohli říct, že je to krásné.
Závěrečná poznámka
Pokud vás toto video inspirovalo k tomu, abyste se pustili do své vlastní teorie všeho, nebo skromněji, abyste si osvěžili znalosti fyziky, doporučuji vám podívat se na Brilliant. Mají vysoce kvalitní kurzy, které vám mohou pomoci začít na jakékoliv úrovni.
Brilliant.org nabízí kurzy na širokou škálu témat ve vědě, informatice a matematice. Všechny jejich kurzy mají interaktivní vizualizace a přicházejí s doplňujícími otázkami. Některé mají dokonce spustitelné skripty v Pythonu nebo videa s malými demonstračními experimenty.
Kritické zhodnocení
Sabine Hossenfelder ve svém videu představuje kontroverzní pohled na jeden z nejvýznamnějších cílů moderní teoretické fyziky - teorii všeho. Její argument proti existenci takové teorie je založen především na kritice kruhové logiky, kterou identifikuje v současných přístupech ke kvantové gravitaci.
Hossenfelderová je respektovaná teoretická fyzička, která se v posledních letech stala známou svou kritikou některých trendů v teoretické fyzice. Její kniha “Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray” (2018) systematicky argumentuje proti estetickým kritériím jako vodítku pro fyzikální teorie, což je konzistentní s její kritikou v tomto videu.
Její skepticismus vůči teorii všeho není ojedinělý. Například fyzik Philip Anderson ve svém známém článku “More Is Different” (1972) argumentoval proti redukcionistickému programu ve fyzice, tvrdíc že na každé úrovni organizace hmoty se objevují nové zákonitosti, které nelze odvodit z nižších úrovní. To nepřímo podporuje Hossenfelderové tvrzení, že nemusí existovat jediná fundamentální teorie, která by vysvětlila všechny fyzikální fenomény.
Na druhé straně, mnoho předních teoretických fyziků zůstává přesvědčeno o možnosti teorie všeho. Například fyzik Steven Weinberg, jeden z architektů sjednocení elektromagnetické a slabé interakce, byl celoživotním zastáncem redukcionistického programu a víry v konečnou teorii. Ve své knize “Dreams of a Final Theory” (1992) argumentuje, že konvergence známých fyzikálních konstant při vysokých energiích naznačuje možnost sjednocené teorie.
Zajímavým aspektem je Hossenfelderové důraz na potřebu lépe pochopit základy kvantové mechaniky před hledáním teorie všeho. Tento pohled je v souladu s prací skupiny fyziků zabývajících se kvantovými základy, jako jsou například Anton Zeilinger nebo Časlav Brukner, kteří argumentují, že problém měření v kvantové mechanice zůstává nevyřešen a má fundamentální důležitost.
Je také důležité poznamenat, že experimentální ověření jakékoli teorie kvantové gravitace zůstává mimo současné technologické možnosti. Planckova délka, o které Hossenfelder mluví, je o mnoho řádů menší než škály, které můžeme zkoumat i těmi nejsilnějšími částicovými urychlovači. To znamená, že debata o teorii všeho zůstává z velké části teoretická a filozofická, s omezenými možnostmi empirického rozhodnutí.
Hossenfelderové výtka o kruhovém argumentu v kvantové gravitaci je silným bodem, který by zasloužil větší pozornost ve vědecké komunitě. Přesto je třeba poznamenat, že mnoho předních odborníků na kvantovou gravitaci by pravděpodobně nesouhlasilo s jejím tvrzením, že jejich přístupy nutně předpokládají konečnost teorie.
Z historického hlediska víme, že fyzika často postupovala k větší unifikaci - od elektřiny a magnetismu k elektromagnetismu, dále k elektroslabé síle, až k pokusům o Velkou sjednocenou teorii. Tento historický trend by mohl naznačovat, že hledání teorie všeho není zcela nepodložené, i když Hossenfelderová správně zdůrazňuje, že estetické preference nemusí být spolehlivým průvodcem.
Závěrem lze říci, že Hossenfelder nabízí důležitou protiváhu k dominantnímu optimismu ohledně teorie všeho, a její kritika by měla být brána vážně jako součást širší filozofické diskuse o cílech a metodách teoretické fyziky.
Zdroje pro další studium:
- Hossenfelder, S. (2018). Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray. Basic Books.
- Weinberg, S. (1992). Dreams of a Final Theory. Pantheon Books.
- Anderson, P. W. (1972). More Is Different. Science, 177(4047), 393-396.
- Smolin, L. (2006). The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next. Houghton Mifflin.
- Maudlin, T. (2019). Philosophy of Physics: Quantum Theory. Princeton University Press.
