de snaartheorie wil een consistente beschrijving geven van de vier fundamentele wisselwerkingen in de natuur – gravitatiekracht, elektromagnetische kracht en zwakke en sterke kernkrachten. tot nu toe kon de theorie echter nog niet experimenteel worden getest en geverifieerd. critici richten zich dan ook tegen de onderliggende onderzoeksmethode en het feit dat er zoveel wordt geïnvesteerd in een ‘ontestbare’ theorie. snaartheorie hanteert echter ook andere maatstaven dan experimentele verificatie.
Wetenschap in evolutie. Onderzoeksmethode in snaartheorie
Alle krachten in de natuur worden verklaard vanuit vier fundamentele wisselwerkingen: gravitatiekracht, elektromagnetische kracht en zwakke en sterke kernkrachten. Het algemene doel van de fundamentele fysica is om zoveel mogelijk verschijnselen met zo weinig mogelijk elementaire bouwstenen te beschrijven in één consistente theorie. Dit proces, dat door fysici unificatie wordt genoemd, is begonnen met de mechanica van Newton, die de aardse en de hemelse mechanica verenigde. Het is verder gegaan met het elektromagnetisme, dat elektriciteit en magnetisme samenbracht, en heeft geleid tot het standaardmodel van elementaire deeltjes, waarin elektromagnetische kracht en zwakke en sterke kernkrachten in één theorie beschreven worden. De snaartheorie gaat verder op dit pad en beoogt de unificatie van de laatste fundamentele wisselwerking – de gravitatie – met de andere drie.
Naar aanleiding van deze discussie en van de publicatie van het filosofieboek String Theory and the Scientific Method van Richard Dawid, willen we even stilstaan bij één van deze aspecten, namelijk de betekenis van het testen van een wetenschappelijke theorie, en in het bijzonder (maar niet alleen) de snaartheorie. De keuze om zich te verdiepen en tijd te besteden aan de snaartheorie heeft niet alleen te maken met interesse, maar ook met een vorm van vertrouwen. Snaartheoretici denken immers dat deze theorie niet alleen wiskundig betekenisvol is, maar ook een fundamentele en zelfs ultieme beschrijving kan geven van de werkelijkheid. Maar hoe komt het dat snaartheoretici vertrouwen hebben in ‘hun’ theorie?
Het standaardmodel vormt de basis van de hedendaagse deeltjesfysica, die met succes getest werd in CERN in Genève, onder meer door de recente resultaten van de deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC). De experimenten van LHC konden ook een ‘laatste’ belangrijke schakel verifiëren: het bestaan van het Higgsdeeltje, verbonden met het Brout-Englert-Higgs-mechanisme dat al in 1964 werd voorgesteld en essentieel is voor de samenhang van het standaardmodel. De unificatie van gravitatie met de beschrijving van de andere drie fundamentele wisselwerkingen – het standaardmodel van elementaire deeltjes – bleek in het begin problematisch te zijn. In het kader van het standaardmodel, waar de bewegende objecten puntvormige voorwerpen zijn, leidde de incorporatie van gravitatiekracht tot wiskundige oneindigheden. Die konden niet worden verwijderd en ondermijnden de voorspellingskracht van de theorie. De snaartheorie is ontstaan vanuit dit theoretische probleem. De puntvormige aard van de interacties werd immers geïdentificeerd als de oorzaak van de oneindigheden en als gevolg probeerden theoretici te werken met niet-puntvormige voorwerpen, waarvan de snaar het eenvoudigste voorbeeld is.
Het vertrekpunt van de snaartheorie is de hypothese dat elementaire deeltjes trillingen zijn van een fundamentele snaar
Snaartheorie is een wiskundig kader waarin een geheel van concepten logisch samenhangt. Het vertrekpunt is de hypothese dat elementaire deeltjes trillingen zijn van een fundamentele snaar. In combinatie met de eisen van een consistente theorie in de kwantummechanica heeft deze hypothese onverwachte en verregaande gevolgen. Zo weten we bijvoorbeeld dat er ook gravitatie is als fundamentele wisselwerking, maar in de deeltjestheorieën vóór de snaartheorie hoefde deze kracht niet te bestaan. Sterker nog, gravitatie moet worden genegeerd opdat het standaardmodel consistent zou zijn. Het is verrassend dat ‘het bestaan’ van gravitatie op natuurlijke wijze volgt uit de structuur van snaartheorie. Bovendien nemen we vier ruimtetijddimensies waar: drie ruimtelijke dimensies plus de tijd. De fysische theorieën die we kennen en gebruiken, zijn bijgevolg geschreven in vier dimensies, maar zouden met enkele aanpassingen in principe ook geschreven kunnen worden met meer dimensies. In de snaartheorie is de situatie anders: daar eist de wiskundige consistentie dat het aantal ruimtetijddimensies een bepaalde waarde moet hebben. Op deze manier voorspelt de snaartheorie het aantal dimensies van de ruimtetijd en – verrassend genoeg – is het resultaat niet vier maar tien. Volgens de snaartheorie moeten er dus zes extra dimensies bestaan die we op dit moment nog niet waarnemen. Snaartheorie voorspelt ook het bestaan van een nieuwe symmetrie, die supersymmetrie heet, waardoor bestaande deeltjes superpartnerdeeltjes moeten hebben die op dit moment evenmin waargenomen zijn. De experimenten van de LHC in CERN zoeken echter wel naar deze fenomenen. Recent werd er voor de eerste keer gerapporteerd over een signaal dat afwijkt ten opzichte van het standaardmodel in verband met supersymmetrie (ATLAS collaboratie, 11 maart 2015).
Snaartheorie kan op verschillende manieren worden voorgesteld via de zogenoemde ‘dualiteiten’. Dit zijn wiskundige relaties die theorieën met elkaar verbinden. Duale theorieën blijken dezelfde werkelijkheid te beschrijven hoewel ze oppervlakkig andere objecten en interacties ‘bevatten’. Dualiteiten zijn niet alleen aanwezig, maar ook nodig voor de interne consistentie van snaartheorie. De basisconcepten hangen immers zodanig samen dat er geen deel weggelaten kan worden zonder het geheel ook te verliezen. Zoals Richard Dawid aangeeft, zou het haast een mirakel zijn indien al die gevallen van delicate coherentie zouden ontstaan in het kader van een volledig misleidend principe. De lange lijst van onverwachte en verregaande gevolgen verhoogt het vertrouwen in de snaartheorie.
Momenteel wordt nog onderzocht hoe deze samenhangende ideeën gerealiseerd kunnen worden in één concreet model dat alle aspecten van het standaardmodel bevat. Dat onderzoek bestaat erin dat wiskundige mogelijkheden worden voorgesteld en getest op hun consistentie met de algemene ideeën van kwantumtheorie, relativiteit en snaartheorie zelf. Natuurlijk zouden snaartheoretici ook graag experimentele indicaties willen zien in verband met hun theorie, zoals de waarneming van superpartnerdeeltjes of de indirecte observatie van extra dimensies – via missende deeltjes die in een extra dimensie zijn ontsnapt. Deze waarnemingen zouden het vertrouwen in snaartheorie verder verhogen aangezien het bestaan van deze verschijnselen in deze theorie wordt voorspeld, hoewel ze ook in het kader van andere theorieën zouden kunnen bestaan.
Vertrouwen is niet alleen relevant in verband met de snaartheorie. Ook in andere domeinen hebben fysici als Brout, Englert en Higgs prestigieuze prijzen ontvangen voordat hun theorie experimenteel geverifieerd werd. Deze prijzen symboliseren het vertrouwen dat de wetenschappelijke gemeenschap al lang had in het achterliggende theoretische mechanisme. Dit is gebaseerd op beschouwingen die, zoals we straks zullen zien, van een andere orde zijn dan de directe experimentele verificatie, maar die toch deel uitmaken van de wetenschappelijke onderzoekspraktijk.
Het vertrouwen dat wetenschappers op een bepaald moment in een theorie hebben, is onlosmakelijk verbonden met de evaluatie die de onderzoeksgemeenschap steeds uitvoert van deze theorie, het ‘theorie-assessment’. Theorie-assessment in wetenschappen is gericht op het verhogen van het vertrouwen totdat een consensus is bereikt over de validiteit van de theorie. Die consensus kan in principe alleen maar tijdelijk zijn, want een theorie in wetenschappen is nooit volledig bepaald en kan ook nooit volledig worden bevestigd, zelfs niet door het experiment. Dawid noemt dit de ‘wetenschappelijke onderbepaaldheid’ (scientific underdetermination). Stel bijvoorbeeld dat we over een theorie beschikken die geverifieerd wordt door al de reeds uitgevoerde experimenten, dan sluit dit nog niet uit dat er nieuwe experimenten zouden kunnen worden uitgevoerd waarvan de resultaten in strijd zijn met die theorie. Ook kunnen er twee verschillende theorieën zijn die identieke voorspellingen leveren voor verschijnselen van een bepaalde, reeds geteste orde van grootte, maar andere voorspellingen opleveren op bijvoorbeeld een veel kleinere schaal. Dit laatste was het geval voor de klassieke en kwantummechanica, waar het verschil tussen beide pas zichtbaar werd op atomaire schaal.
Het gebruik van niet-empirische vormen van theorie-assessment wordt erg onderbelicht in het klassieke paradigma van ‘de wetenschappelijke methode’
Wetenschappers streven er in hun dagelijkse onderzoekspraktijk naar om de wetenschappelijke onderbepaaldheid te verminderen, en om zo het vertrouwen in een theorie te verhogen. Experimentele verificatie is daarbij één manier, maar zij kan de onderbepaaldheid nooit helemaal tot nul brengen. Daarnaast komen ook niet-empirische vormen van theorie-assessment voor in de geschiedenis van de wetenschap. Het gebruik van deze niet-empirische vormen wordt volgens Dawid erg onderbelicht in het klassieke paradigma van ‘de wetenschappelijke methode’. Al te vaak – ook in het onderwijs – wordt wetenschappelijk onderzoek gepresenteerd volgens een vast stramien waarbij het ultieme doel bestaat uit de ‘bevestiging’ van een – meestal niet theoretisch onderbouwde – ‘hypothese’ door één experiment. Op een gelijkaardige manier wordt tegenwoordig in het kader van de financiering van projecten verwacht dat het verloop van een onderzoek reeds van tevoren in een tijdspad gepland wordt. Voor fundamenteel theoretisch onderzoek is deze planning intrinsiek ongeschikt. Hier worden immers andere vormen van theorie-assessment gebruikt, die bijvoorbeeld gebaseerd zijn op consistentie, continuïteit met vorige theorieën en elegantie. De voorgespiegelde tijdspaden kunnen bijgevolg alleen maar fictief zijn. Het zoeken en bewust willen volgen van onverwachte verklarende gevolgen maakt in fundamenteel theoretisch onderzoek immers deel uit van de methode, waardoor onderzoekers na enkele maanden vaak op een compleet ander pad terechtkomen dan ze hadden (kunnen) voorzien. In de geschiedenis van snaartheorie is het dikwijls gebeurd dat nieuwe ideeën, ontstaan in het kader van deze theorie, toegepast werden in een onverwachte context, bijvoorbeeld in de studie van zwarte gaten, kosmologie, gravitatiegolven, en recent zelfs in vastestoffysica.
In zijn boek identificeert Dawid de belangrijkste argumenten die in de snaartheorie –vaak impliciet –gebruikt worden om de wetenschappelijke onderbepaaldheid te beperken. Deze argumenten kunnen worden verdeeld in drie categorieën. Een eerste categorie is de afwezigheid van een alternatief argument: snaartheorie is op dit moment de enige geünificeerde beschrijving van de vier fundamentele wisselwerkingen die vanuit de onderliggende structuur van het succesvolle standaardmodel en van de relativiteitstheorie vertrekt. Alternatieve kandidaten voor kwantumgravitatie kunnen niet voortbouwen op de centrale concepten in de traditie van relativiteits- en deeltjestheorie waarop het standaardmodel is gebouwd. Dit argument zou uiteraard worden verzwakt als er andere kandidaat-theorieën zouden worden gevonden die deze basistheorieën ook omvatten.
Een tweede categorie omhelst het argument van de ‘onverwachte verklarende coherentie’: de snaartheorie werd opgebouwd vanuit het eenvoudige principe dat deeltjes trillingen van snaren zijn. Zoals reeds beschreven volgden uit dit basisconcept tal van onverwachte diepere verklaringen van ogenschijnlijk onafhankelijke feiten en theoretische concepten, zoals gravitatie, supersymmetrie, entropie van zwarte gaten, enzovoort. Al die ‘schoonheden’ komen samen, wat onmogelijk voorzien kon worden toen het principe voor het eerst werd voorgesteld.
Als laatste categorie onderscheidt hij het ‘meta-inductief’ argument: de snaartheorie kan worden gezien als de natuurlijke voortzetting van het standaardmodel en van de algemene relativiteitstheorie. Zo werden in het kader van het standaardmodel meerdere verschijnselen theoretisch voorspeld die initieel geen empirische verificatie vonden. Een beroemd voorbeeld hiervan is de theoretische voorspelling van het Higgsdeeltje. Toen de theorie van Yang en Mills, die nu de basis vormt van het standaardmodel, werd opgebouwd, was die in tegenspraak met het experiment. De theorie voorspelde immers dat de vectorbosonen die zwakke interacties voortbrengen massaloos zouden zijn, wat niet in overeenstemming was met de waarnemingen. Het onderliggende principe was echter te mooi om weg te gooien. Brout, Englert, Higgs en anderen vonden later de manier om, vertrekkend vanuit de theorie van Yang en Mills, massieve vectorbosonen een plaats te geven. Voor de consistentie van de theorie moest er een ander, nieuw deeltje bestaan: het Higgsboson. Hoewel een experimentele verificatie van het bestaan van dit nieuwe deeltje gedurende vijftig jaar ontbrak, heeft de onderzoeksgemeenschap haar vertrouwen in het mechanisme van Brout, Englert en Higgs niet verloren. Het succesverhaal van het standaardmodel en van de algemene relativiteitstheorie, waar andere vormen van theorie-assessment een cruciale rol hebben gespeeld, versterkt het vertrouwen in de methode die gebaseerd is op gelijkaardige theoretische redeneringen in de snaartheorie.
Ook historici, paleontologen en archeologen gebruiken vaak het ‘geen alternatief’ argument om hun theorieën te staven bij zeldzame en onvoldoende data
Samenvattend kunnen we zeggen dat de wetenschappelijke onderbepaaldheid in de snaartheorie voorlopig niet verminderd wordt door experimentele verificatie, maar door andere maatstaven. Het ‘uniek’ zijn, het samenbrengen van feiten in één concept, de wiskundige schoonheid en de consistentie tonen de weg. Deze methode bouwt op continuïteit in onderzoek en werd feitelijk eerder toegepast in de deeltjesfysica, maar ook in andere gebieden van de wetenschap. Bijvoorbeeld, toen atomen werden voorgesteld, was er geen empirische indicatie van hun bestaan. Desondanks werd het concept van atomen in 1910 al ruim aanvaard in de onderzoeksgemeenschap. Deze consensus was gebaseerd op de argumenten van ‘geen alternatief’ en ‘onverwachte verklarende coherentie’. Zoals Dawid benadrukt, gebruiken bijvoorbeeld historici, paleontologen en archeologen ook vaak het ‘geen alternatief’ argument om hun theorieën te staven bij zeldzame en onvoldoende data.
Wetenschap – of beter gezegd wetenschappelijk onderzoek als een menselijke activiteit of praktijk – evolueert met de tijd. Deze evolutie hoeft zich niet te beperken tot de objecten van wetenschappelijk onderzoek en dus tot het verbreden van de wetenschappelijke kennis. Evolutie in wetenschap mag (en zal) ook op het niveau van de methode plaatsvinden.
Snaartheorie is een vorm van wetenschappelijk onderzoek die zich op de extreme grens van de huidige kennis afspeelt. Als gevolg heeft de snaartheorie in de laatste dertig jaar geëxperimenteerd met aanpassingen in de methode, waarbij het probleem van de wetenschappelijke onderbepaaldheid niet alleen vanuit een puur empirische invalshoek werd benaderd. Dit was noodzakelijk omdat de objecten van onderzoek in snaartheorie met de huidige stand van zaken te ver liggen van mogelijk empirisch assessment. De snaartheorie heeft bijgevolg meer belang gehecht aan andere, reeds bestaande vormen van theorie-assessment, die in feite altijd al gebruikt werden in wetenschap, vóór en in combinatie met experiment.
Als wetenschappelijke theorie is de snaartheorie de laatste jaren ook veranderd en geëvolueerd. Onderzoekers zien tegenwoordig bijvoorbeeld kansen in het uitbreiden van hun methode naar het raakvlak met andere gebieden, zoals de kosmologie, de fysica van het quark-gluonplasma en de vastestoffysica. Dawid behandelt deze recente inhoudelijke evolutie niet in zijn boek. Toch willen we ze hier kort vermelden. In vastestoffysica bijvoorbeeld wordt recent een duale beschrijving met een gravitatietheorie en één extra ruimte-dimensie gebruikt. Er is voorlopig geen wiskundig bewijs van deze dualiteit, maar haar onverwachte interne consistentie is zo indrukwekkend dat het vertrouwen in die dualiteit steeds stijgt, ook buiten de snaartheoriegemeenschap.
String Theory and the Scientific Method van Richard Dawid is een relevant werk voor geïnteresseerden in het debat rond snaartheorie, maar ook voor wie interesse heeft in de werking en in de evolutie van wetenschap. Het boek bevat krachtige samenvattingen van recente onderdelen van de fysica die niet alleen onderbelichte aspecten van de methode in de wetenschap zichtbaar maken, maar ook onderdelen van hedendaagse fysica op een beknopte en toegankelijke manier presenteren.
Richard Dawid, String Theory and the Scientific Method. (Cambridge: Cambridge University Press, 2013).
Laura Tamassia is als fysicus en vakdidacticus verbonden aan de UC Leuven-Limburg.
Antoine van Proeyen is als fysicus verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License