Hogyan vitte félre a fizikát a szépség eszméje?

Nincsen jövőnk tudomány nélkül, nincsen Qubit nélkületek. Támogasd a munkánkat!

Bárkit kérdeznénk meg arról, hogy melyik tudományterület volt a legsikeresebb a huszadik században, feltehetően nem érne bennünket nagy meglepetés a válasz hallatán. Ha az olvasó a szívére teszi a kezét, és megpróbál egyetlen tudóst és vele az ő tudományterületét megnevezni, akkor – hacsak nem Sigmund Freud nevét mondja – feltehetően a fizikát nevezné meg a huszadik századi tudomány vezérhajójának, és Albert Einsteint a kapitánynak.

Ahogy Sabine Hossenfelder német fizikus és tudománynépszerűsítő szerző írja: „úgy tűnik, a fizika volt az elmúlt évszázad sikertörténete”. Atomok, relativitás, kvantumok, fekete lyukak, téridő, hullámfüggvények, macskák, van itt miről beszélni, és akkor még nem szóltunk arról az irdatlan mennyiségű technológiai innovációról, ami mögött a legtöbbször a modern fizika eredményei állnak. „Minden mikrochipet, LED-et, digitális kamerát és lézert azoknak az egyenleteknek köszönhetünk, amelyek [akkor] születtek, amikor Heisenberg és Schrödinger összeült Bohrral, és fizikáról beszélgettek” –  írja Hossenfelder a Fizikusok útvesztőben: Hogyan csábít tévutakra a matematikai szépség című 2018-as könyvében, ami magyarul tavaly jelent meg a Park Könyvkiadónál, Kepes János fordításában. (A szerzővel készült interjút itt mutattuk be, Wolf György fizikus kritikája itt olvasható.)

De miért volt ilyen sikeres a fizika az elmúlt században? Ez összetett kérdés, aminek megválaszolásához elsősorban a fizikusokat kellene megkérdeznünk. Sokan azt mondanák közülük, hogy azért, mert a fizika írja le a valóságot úgy, ahogy az van. Minden más vagy tetszetős mellébeszélés, vagy végső soron elmondható a fizika által is. Sokáig élt az az elképzelés, miszerint valami akkor és csak akkor tekinthető valódi tudománynak, ha – némileg pongyolán fogalmazva – a fizikus is el tudja mondani a saját szavaival. Ez persze ebben a formában nagyon szélsőségesen hangzik, de sokan feltehetően az amerikai CBS 2007-ben indított sorozatához. a Big Bang Theory (magyarul Agymenők) sorozat főhőséhez, Sheldon Cooper karakteréhez kötik azt az elképzelést, hogy minden, ami nem fizika, azon belül is elméleti fizika, az csak pelenkás gyerekek játéka. Ám ne feledjük, Sheldon karaktere sem légből kapott.

Hogy miért is írja le a fizika a valóságot úgy, ahogy van? Azért, mondanák a fizikusok, mert az elméleti fizikusok remek elméletekkel állnak elő, amiket utána a kísérleti fizikusok (akik nem tévesztendők össze a technikusokkal) letesztelnek, és olyan adatokkal állnak elő, amik egyértelműen alátámasztják az elméletet, és megy tovább a világ; vagy pedig egyértelműen megcáfolják az elméletet, és másképp megy tovább a világ. Akárhogy is, tudományosság felsőfokon. A fizikában olyan erősen jelen van a tapasztalati, empirikus, kísérleti kontroll, hogy a fizikusok kéz a kézben haladnak előre a természettel a világ parányi titkainak feltárásában. Ahogy Sheldon mondja az Agymenők egyik epizódjában: „oly boldoggá tesz a kvantumfizika . . . meglesem a pucér univerzumot”.

Persze mások azt mondanák a fizika sikeréről, hogy azért nem elhanyagolhatók a társadalmi tényezők, a kedvező világnézet, az intézményes kultúra, a jó marketing, Einstein személyes varázsa, a kvantumvilágot övező titkok és misztériumok, vagyis számos egyéb olyan tényező, ami nem feltétlenül a fizika belső, tudományos rendszeréből adódik. Akárhogy is van, maradjunk egyelőre a tapasztalati világnál, a kísérleteknél, és a fizikusoknál, akik kitalálják, hogy egyáltalán mit és hogyan kell tesztelni. 

Hossenfelder könyvében nem nagyon kritizálja ezt az általános képet, pontosabban szólva a fizikát kárhoztatja, ám éppen azért, amiért nem tud megfelelni ennek a némileg leegyszerűsített képnek. Miről is van szó? Az ő története egy szemléletes képpel indul, ahol több évtizednyi kemény munka után, rengeteg tapasztalattal és félelemmel alászáll a tudomány pincéjébe, ahol „már ritkábbá válnak a tények, és olyan elméleti fizikusok állják utunkat, akik egyfolytában azon vitatkoznak, hogy melyiküknek van szemrevalóbb elmélete”. A fizikai alapjainak kutatása során a tudósok olyan elméleteket alkotnak, amiket már nem lehet tovább magyarázni, hanem maguk az elméletek szolgálnak a többi elmélet és tény magyarázatául. Az alapok kutatása mindig is grandiózus vállalkozás volt, a 20. században pedig nagyon megszaladt a szekér a fizikusok alatt: szinte minden évtizedben átfogó és empirikusan is jól alátámasztott elméletekkel álltak elő a világ végső működéséről. Kevesen vitatnák (főleg így utólag), hogy a 20. századi fizika tényleg ritka gyümölcsöző vállalkozás volt. Azonban „a fizika alapjairól”, kesereg Hossenfelder, „több mint harminc éve semmi újat nem sikerült megtudnunk”. Az utolsó igazán nagyszabású és előremutató felfedezés bőven az 1970-es évek végére datálható. Azóta mindössze olyan felfedezésekről, pontosabban empirikus igazolásokról beszélhetünk, amik a már meglévő elképzeléseinkhez igazodtak. Úgy is mondhatnánk, hogy toldozták-foltozták azt, ami már eleve megvolt (a Higgs-bozon empirikus igazolása is ebbe a kategóriába tartozik, hisz létezését évtizedekkel korábban megjósolták, így kevésbé volt sokkoló, amikor megtalálták ott, ahol keresték). Ez pedig gond – nemcsak azért, mert a fizikusok számára egyre kevésbé csábító a gondolat, hogy vérüket és életüket a fizikának szenteljék (nagyon nehéz kitűnni a tömegből), hanem maga a fizika is szenved saját súlyától, társadalmi jelentőségétől és legfőképp az elvárásoktól. Kicsit olyan ez, mint amikor egy gyerek egyik évben kitűnő bizonyítvánnyal állít haza, majd minden évben azt várják el tőle, amihez képest a 4,7-es átlag már nyilvánvaló romlás.

Mi a baj a fizikával?

A fizikával nem az a baj, hogy nehéz benne újat mondani. Valójában nagyon is könnyű – csak ki kell találni egy elméletet, egy elképzelést. Hossenfelder szerint persze nem árt, ha az megfelel a korábbi elképzelések egy (nem meghatározott) részéhez, illetve ha passzol az empirikus, kísérleti adatokhoz, de végső soron semmi sincs kőbe vésve. A probléma ott van, hogy miképp fogjuk tesztelni a vadabbnál vadabb elképzeléseket. A fizikának csak egy részét képezi az a mentális szabadjáték, amit elméleti fizikának neveznek. Ha a dolog itt megállna, akkor akár filozófiáról is beszélhetnénk (nem véletlenül nevezték a fizikát nagyon sokáig – egyébként büszkén – természetfilozófiának), így ahhoz, hogy valóban fizikáról essen szó, elméleti elképzeléseinknek valamiképp igazodni kell tapasztalatinkhoz.  Ehhez pedig adatok kellenek: adatok, adatok, adatok.

A közkeletű elképzelés szerint amikor előállnak egy elmélettel, azt lehetőleg záros határidőn belül empirikusan alá kell támasztani, és ha ez nem lehetséges, az elmélet mehet a szemetesbe. Igen ám, mondja Hossenfelder, de „ma már egy új alapvető természeti törvény igazolásához szükséges idő esetleg meg is haladja egy tudós teljes pályafutásának hosszát”. Évekbe tart megtervezni egy jó, empirikusan vizsgálható modellt; olykor évtizedekbe telik összerakni egy kísérleti apparátust, és a sikert persze ez sem garantálja. Így egyre nehezebb új és releváns adatokhoz jutni, és a mai világban, ahol az elméletek versenye is egyre kiélezettebb (hiszen ösztöndíjak, ezáltal egzisztenciák múlnak rajta), „nem engedhetjük meg magunknak, hogy mindenütt keresgéljünk”. Végső soron az elméletalkotás olcsó és hatékony, míg a kísérletezés drága és bonyolult. Gondoljunk csak a CERN-re, az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet részecskefizikai laboratóriumára. Itt található a Nagy Hadronütköztető. A CERN-t az 1950-es években alapították, manapság több ezer alkalmazottja van; az ütköztető több mint 4,5 milliárd dollárba került, éves fenntartása pedig 1 milliárd körüli összegre rúg. Nyilván nem mindegy, hogy mit tesztelnek, mire fordítják ezt az elképzelhetetlenül nagy összeget.

Mint látjuk, a kísérletek lassúak, nehézkesek és drágák. A fizikusok így folyamatosan azon dolgoznak, hogy valamiképp egyszerűsítsék az elméleteiket, hogy olyan következményekre mutassanak rá, amiket egyrészt talán könnyebb igazolni, ám még mindig olyan szorosan kapcsolódnak az eredeti elképzeléshez, hogy az ő igazolásuk az elméletet magát is alátámasztja. Az elméletek piaca pedig bővelkedik az alternatívákban, versengő elméletekben, ugyanazon elméletek ellentétes értelmezésében. Mit lehet tenni? Jobb esetben azt az elméletet kell előnyben részesíteni, amelyik egyrészt megfelel a tapasztalatnak, másrészt új tapasztalatokat tud előre jelezni, azaz egyáltalán tesztelhető. Sajnos manapság számos elmélet egyáltalán nem tesztelhető (lásd a multiverzum-elméletek), amelyik pedig elméletben tesztelhető, azt is nagyon nehéz és költséges tesztelni. „Minél távolabb áll egy kérdéskör a kísérleti ellenőrzéstől – vonja le a tanulságot Hossenfelder – annál fontosabb lesz elméleteink esztétikai vonzereje.” Azaz, ha már nem tudjuk, hogy „közvetlenül” (jelentsen ez bármit is) melyik elmélet felel meg a valóságnak, akkor válasszuk a legszebbet, és ragaszkodjunk hozzá körmünk szakadtáig – a fizikusok jó része legalábbis ezt csinálja.

A szépség eszméje

A legszigorúbbnak, legpontosabbnak és legtudományosabbnak tartott sikertudomány vesszőparipája és egyben mércéje a „szépség” eszméje. Számos interjú, olvasmányélmény és évtizedes szakmai tapasztalat alapján Hossenfelder azt állítja, hogy minél szebb egy elmélet, annál valószínűbb, hogy többen is felkarolják, és hosszú távon megtapad a szakmai közegben, mi több, valaki még pénzt is hajlandó áldozni rá. Furcsának tűnhet, de a szerző rengeteg idézettel támasztja alá, hogy a fizikusok közösségének túlnyomó többsége szó szerint és explicit módon a szépségre hivatkozik, amikor a versengő elméletek közül kell választania: „muszáj igaznak lennie, olyan szép”; „ez nem lehet igaz, ocsmány, visszataszítóak az egyenletek ebben az elméletben”. De mitől lesz szép, elegáns, csinos, megkapó, tetszetős egy elmélet? Ahogy a kötet példái mutatják, erről már eltérnek a vélemények. Noha sokan emlegetik a „természetességet” („akkor nevezünk természetesnek egy elméletet, ha nincsenek benne nagyon nagy vagy nagyon kicsi számok”), ha elkezdjük részleteiben is boncolgatni a dolgot, gyorsan kiderül, hogy végül mindig valamilyen személyesen hit, preferencia befolyásolja azt, hogy milyen kritérium alapján nevezünk valamit „szépnek”. Noha ez nem feltétlen meglepő így kimondva, ám „azáltal, hogy az esztétikai kritériumot matematikai előírássá léptették elő, a természetesség tudománytalan eredete jórészt feledésbe merült”, ez pedig újfent baj, hiszen hajlamosak lehetünk többre értékelni azt, amink van, mint amennyit ér. 

Az egyik Agymenők-epizódban Leonard Hofstadter (Sheldon szobatársa, kísérleti fizikus) és Leslie Winkle (egyetemi kollégájuk, elméleti fizikus) randevúja végén Sheldon komoly vitát vált ki, amikor a húrelméletet méltatja a hurokgravitációval szemben. 


Leonard: Voltaképpen mindkét elméletnek van igazságalapja.
Leslie: Csak hurokgravitációval számíthatjuk ki a fekte lyukak entrópiáját. . . Ugye egyetértesz, hogy a hurok kvantumgravitáció a fizika jövője?
Leonard: Nem Leslie, én inkább húrosan szeretem a teret, nem hurkosan.
Leslie: Jó, hogy kibújt a szög a zsákból, és még nem mentünk tovább.
Leonard: Miről beszélsz? Bizonyítatlan hipotézisekről beszélünk, ez nem nagy dolog.
Leslie: Áh, valóban, tényleg? És akkor mit mondunk a gyerekeknek?
Leonard: Megvárhatnánk, amíg megnőnek, hogy maguk válasszanak az elméletek közül.
Leslie: Nem bízhatod rájuk, gyerekek!

A jelenet persze ebben a formában túlzás, de két dologra rámutat. Egyrészt ki így, ki úgy szereti a teret; számos fizikai ítélet végső soron személyes, esztétikai preferencia alapján dől el. Noha idővel felmerülhetnek olyan tapasztalati bizonyítékok, amelyek inkább az egyik, mint a másik elméletet támogatják, ahogy láttuk, valószínűtlen, hogy ez az adott fizikus életében megtörténne. Addig marad az esztétikai érzékünk és a remény, hogy a párunk is osztja az elméletünkbe vetett bizalmunk.

Másrészt, éppen ehhez kötődően, Leslie-nek is igaza van annyiban, hogy komoly kérdésekről van szó. A fizika, már nagyon régóta a világnézetünk egyik tartópillére. Az, hogy miképp gondolkodunk a világról, a világban elfoglalt helyünkről, nagyban függ a fizikáról vallott elképzelésünktől is. Persze a gyerekek nem rögtön a tér hurkos vagy húros dilemmájával szembesülnek, de idővel a bonyolult fizikai elméletek is beépülnek a köztudatba, hétköznapivá válnak. Úgy is mondhatnánk, hogy megkövesülnek: ami egykoron forradalmi, kontraintuitív, nehezen befogadható, a tapasztalattal ellentétes elmélet volt, manapság már a tankönyvek első fejezetében szerepel mint közkincs.

Vonzó tudomány 2500 éves testben

Kinek a húr, kinek a hurok. Hossenfeldernek ez nem tetszik, szerinte ugyanis az egyszerűség, természetesség, elegancia, vagyis a „szépség” velejárói mindig valamilyen emberi értékeket csempésztek vissza. „Attól tartok - írja a szerző, hogy - „ezeknek a kritériumoknak az alkalmazásával túllépünk a tudomány határain.” A fizika ebből a szempontból hasonlít Melisandre-ra, a Vörös papnőre, a Trónok harca központi női karakterére, aki nehezen kiismerhető, kétségkívül vonzó, fiatalos, szép, erős, valódi főszereplő. Ám a sorozat végén kiderül, hogy a külcsín csak varázslat volt, a fiatalos megjelenés mögül egy 2-300 éves papnő meggyötört teste bújik elő. Ilyesmi a helyzet a fizikával és annak külső szépségével is, ha lerántjuk a leplet a szubjektív, kevésbé tudományosnak tűnő tényezőkről, azzal a különbséggel, hogy a fizika nem 200-300 éves, mint Melisandre, hanem 2500. 

És itt jönnek elő a problémák a könyvvel. Hossenfelder nagyon jól ír (noha a fordítás olykor-olykor talán túlzottan is szabadszájúra sikeredett), világos, érthető, követhető. Persze néha elakad az ember, de ez inkább a fizikának köszönhető. Amikor viszont a szerző  tudományfilozófiai, módszertani és általánosabb megfontolásokra tér rá, akkor azért recseg-ropog a nagy mű.

Hossenfelder rendkívül izgalmasan mutatja be, ahogy kollégáinak jelentős része kimondva-kimondatlanul a szépség ideálját követi saját fizikai kutatásában és amikor mások eredményeit kell megítélnie. A kérdések hatására sokan beismerik, hogy a szépség nem feltétlenül a legjobb vezetőnk, de hát, mint mondják, nincs jobb. Ha nincsenek tesztelhető állításaink, az elméletek közötti választás szükségképpen szubjektív szempontokon alapul, és  személyes preferenciáink csataterévé válik. Vajon az következik ebből, hogy a tudományt el kell vetnünk azzal, hogy az egy csődtömeg, egyfajta irracionális társadalmi konstrukció, nem pedig a megismerés ékköve? Hossenfelder szerint itt van hatása a társadalomnak, de „ha egy elmélet működik, akkor működik, értelmetlen dolog arra panaszkodni, hogy társadalmi termék”. Mindenképp furcsa, ha valaki több száz oldalt ír arról, hogy milyen nehezen működnek az elméletek, mennyi esetleges dolog, választás, szubjektív faktor, bizonytalanság van a tudományban, majd játszi könnyedséggel annyit mond, hogy ha működik, akkor működik, nincs itt semmi látnivaló.

Hossenfelder persze óvatosságra inti kollégáit: „mi a fizika alapjainak kutatói, kanárik vagyunk a bányában. És jobb, ha nem ülünk tétlenül a fenekünkön, mert a társadalmi konstruktivisták éberen figyelnek, és markukat dörzsölve várják a felboncolásunkat”. Szerezzünk adatokat, bármi áron, hiszen nélkülük vérszomjas konstruktivisták martalékává válhatunk az elméletalkotás játszóterén. Még szerencse, hogy a CERN hosszútávon segíthet – legalább a gyerekeink biztonságban lesznek. (Arról persze ne beszéljünk, hogy az utóbbi tíz évben a nagy ütköztető egyelőre semmit nem talált, amivel alátámaszthatta volna a fizikusok kedvenc elképzeléseit.) A konstruktivisták nyilván gyakran és könnyen tolódnak a szélsőségek felé, azonban azok a filozófiai és szociológiai megközelítések, amik a tudomány emberi arcát próbálták kiemelni és megvilágítani, komoly szolgáltatot tettek. Valójában részletesen alátámasztva és adatolva mutatták be, hogy a tudomány mindig is emberi értékek és személyes preferenciák mentén működött. Hossenfelder azt mondja, hogy ez rossz, hiszen a fizika azért toporog harminc éve egy helyben, mert irracionális módon ragaszkodik egy „tudománytalan” értékhez, nevezetesen a szépséghez. Ha elfogadnánk, de legalábbis bátrabban próbálnánk ki nem szép elméleteket, akkor talán előre léphetnénk, állítja a szerző. Kérdés, hogy a bátorság, kíváncsiság vagy a rútság izgalma mennyiben emberi és mennyiben tudományos érték.

A konstruktivisták egy része szerint persze nem baj, hogy a tudomány szubjektív értékeken alapul, mi több, még jó is. A tudománynak az embert kell szolgálnia, az pedig, hogy ez miképp történik, gyakorlati, mondhatnánk társadalmi-politikai kérdés. Első körben talán az is elég lenne, ha azt tudatosítanánk mindenkiben, hogy ez van, így működik a tudomány, és akkor kevésbé érné az embert meglepetésként, ha hibázó tudósokkal, furcsa elméletekkel és ellentmondásos beszámolókkal találja magát szembe, mondjuk egy járvány során. „A törvény, akár a kolbász, annál kevésbé ébreszt tiszteletet, minél inkább tudjuk, hogyan készül” – idézi Hossenfelder a kötet végén az amerikai költő, John Godfrey Saxe szavait a természettörvényekre kiterjesztve. De ha kolbászt, sőt még párizsit is eszünk, miért épp a tudományról mondanánk le?

A szerző az MTA Lendület Értékek és Tudomány Kutatócsoport vezetője, illetve a PTE ÁOK Transzdiszciplináris Kutatások Intézetének munkatársa.

Járvány, klímaváltozás, forradalmak – mindez csak három dermesztő arca annak a felbolydult világnak, ami ránk vár. Lesz még neki jó pár. Ha teheted, segítsd a munkánkat, mi megháláljuk a bizalmadat, és ebben a nagy zavarodottságban hitelesen, alaposan és közérthetően magyarázzuk el, hogy a legégetőbb kérdésekre milyen válaszokat adnak a sárgolyó legnagyobb elméi. Maradj velünk. Támogatom a Qubit szerkesztőségét!

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: