Tre fundamentala begränsningar i den moderna vetenskapen (Del 1)
Albert Einstein på Princeton University i februari 1938. Einstein fick nobelpriset i fysik 1921. Hans fyra artiklar om relativitetsteorin anses ha förändrat vår syn på universum. (Foto: AFP/Getty Images )


Det finns för tillfället en uppfattning om att den moderna vetenskapen kommer att fortsätta göra obegränsade framsteg och slutligen finna en fullständig och konsekvent teori om universum. Hur stora framsteg den moderna vetenskapen än gjort har man emellertid också upptäckt dess begränsning. Några av de största upptäckterna i modern vetenskap är upptäckterna av dess egna begränsningar.

På olika områden i den västerländska kulturen, som är djupt relaterad till utvecklingen av modern vetenskap, har det gång på gång, vid olika tidpunkter och av olika människor, upptäckts fundamentala begränsningar. Dessa begränsningar reducerar området på vilket den moderna vetenskapen kan verka.

Inom tre huvudsakliga områden delar de grundläggande problemen en gemensam paradox. Osäkerhetsprincipen finns mitt i den moderna fysiken också i mer avancerade teorier bortom kvantmekaniken. Inom logiken faller det bäst kända redskapet för modellering av mänskliga tankegångar snabbt in i paradoxer. Också inom filosofin, som fortfarande spelar en väsentlig roll i framstegen för moderna vetenskaper som till exempel fysik, är dualism och paradoxer oundvikliga vid rationella slutsatser om universums natur.

Den moderna vetenskapen kommer förstås att fortsätta göra framsteg inom fysik och mindre strikta vetenskaper som till exempel biologi. Vissa fundamentala frågor kan emellertid inte lösas med mer tid och forskning. De här begränsningarna kan betyda att utgångspunkten för den moderna vetenskapen, som tvingar in universum i en box, kan ha allvarliga brister.

I denna artikelserie börjar vi med fysiken.

Början till slutet för klassisk mekanik

När en bit materia värms upp börjar den glöda, blir röd, och vid högre temperaturer blir den vit. Under lång tid misslyckades kända lagar för strålning och värme med att förklara detta vanliga fenomen. Den tyske fysikern Max Planck, som anses vara grundare till kvantteorin, kämpade med att göra en fysisk tolkning av fenomenet på atomnivå.

Efter intensivt arbete under år 1900 drog till slut Planck motvilligt slutsatsen att en utstrålande atom bara kan avge diskreta energimängder. Han tvekade över denna slutsats eftersom det går emot de etablerade lagarna inom klassisk fysik, där man inte sätter en konstant för energinivåerna.

Framsteg för kvantmekaniken

Med bestående oregelbundenheter och en ökande mängd experimentell data, som motsäger den klassiska mekaniken, tvingades fysikerna göra ett radikalt uppbrott från Newtons klassiska fysik och våga sig ut på en lång och slingrande väg mot kvantmekaniken.

En annan tysk fysiker, Dr Werner Heisenberg, som upptäckte osäkerhetsprincipen, sade i sin bok ”Physics and Philosophy: The Revolution in Modern Science”: ”Jag kommer ihåg diskussioner med Bohr som pågick i flera timmar till väldigt sent på natten och som avslutades nästan i förtvivlan; och att jag när diskussionen avslutats tog en promenad i den intilliggande parken och för mig själv om och om igen upprepade frågan: ’Kan naturen verkligen vara så absurd som det framstod för oss i de här atomexperimenten?’”

Icke desto mindre har kvantmekaniken blivit en av de mest framgångsrika formalismerna i den moderna vetenskapen, trots begreppsmässiga svårigheter. I princip kan kvantmekaniken beskriva den enorma mängden fysiska fenomen och kemiska egenskaper hos materia med en ofattbar precision. Och dess tillämpningar har i stor utsträckning påverkat utvecklingen av vårt moderna teknologiska samhälle.

Dr Michio Kaku, professor i teoretisk fysik vid City College of New York, skrev i sin bok ”Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe”: ”Konsekvenserna av kvantfysik finns överallt omkring oss. Utan kvantmekanik skulle en mängd vanliga föremål, som TV, lasrar, datorer och radioapparater inte vara möjliga. Schrödingers vågekvation förklarar till exempel många tidigare kända men förbryllande fakta, såsom konduktivitet. Detta resultat ledde till slut till att transistorn uppfanns. Modern elektronik och datorteknologi skulle vara omöjlig utan transistorn, som i sin tur helt och hållet är ett resultat av kvantmekaniken.”

Den enorma framgången för kvantmekaniken kommer från dess formalism som exakt beskriver en mängd fenomen hos mikroskopiska saker, men det är också i detta mikrokosmos som kvantmekaniken har fundamentala begränsningar.

Osäkerhetsprincipen

Heisenbergs osäkerhetsprincip har en central roll i kvantmekaniken. Enligt den här principen är det omöjligt att mäta både positionen och rörelsemängden för en partikel på atomnivå eller mindre vid en given tidpunkt. När positionen mäts mer exakt kommer rörelsemängden att mätas mindre exakt, och vice versa. Om positionen mäts helt exakt blir rörelsemängden helt okänd, och vice versa.

Trots att Heisenberg introducerade osäkerhetsprincipen redan 1927 är den lika relevant idag. Oförmågan att exakt mäta både positionen och rörelsemängden för mikroskopiska objekt beror inte på någon begränsning i den nuvarande teknologin. Enligt många fysiker är det en naturlig begränsning, som inte kan lösas genom framtida framsteg inom teknologin.

Och enligt Dr Brian Greene på Columbia University, en av de ledande teoretikerna i världen avseende strängteorin, kommer framtida framsteg för strängteorin att behöva integrera osäkerhetsprincipen för att bli en komplett teori som kan svara för observerbara kvantfenomen. Greene förklarar i sin bok ” The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory” att osäkerhetsprincipen inte bara är en fråga om avbrott orsakade av mättekniken.

”Även utan ’direkta träffar’ från en forskares splittrande foton förändras elektronens hastighet allvarligt och oförutsägbart från ett ögonblick till nästa. […] Till och med i den allra mest stilla omgivning, som i ett tomt område i rymden, säger osäkerhetsprincipen oss att det från ett mikroskopiskt perspektiv finns en enorm mängd aktivitet.”

Heisenberg trodde att osäkerhetsprincipen kommer från dualismen för atomers och subatomära partiklars egenskaper mellan vågor och partiklar. Den här dualismen finns inte bara genomsyrad i det matematiska systemet för kvantmekaniken. Man kan också dra slutsatsen om dualismen från enkla experiment. Experiment tycks visa att atomära och subatomära objekt har egenskaper hos både partiklar och vågor.

En partikel upptar ett litet område i rymden och kan kollidera med andra partiklar, såsom solida föremål. En våg å andra sidan sprids ut i universum och kan passera genom andra vågor. Dessa beskrivningar av partiklar och vågor tycks vara motsatta och motstridiga begrepp.

Hur kan någonting vara en partikel och en våg på samma gång? När en enskild atom betraktas som antingen en partikel eller en våg och inte både och, så blir resultatet att man får en ofullständig förklaring av det observerade fenomenet. Å andra sidan, när aspekterna för en partikel och en våg kombineras till att forma en fullständig teori utifrån ett observerat fenomen, blir resultatet en motsägelse.

Enligt Heisenberg leder försöken att beskriva atomära händelser i termer av klassisk fysik till motsägelser eftersom de här mikroskopiska objekten inte liknar de vanliga objekt vi normalt stöter på.

I Newtons mekanik har varje objekt en absolut position och rörelsemängd vid en given tidpunkt, och objekten följer endast en enda väg i sin rörelse. Med andra ord är materians rörelse helt förutbestämd, där det bara finns ett enda framtida resultat.

När positionen och rörelsemängden hos ett föremål är kända kan dess rörelse förutsägas genom exakta matematiska beräkningar. Newtons mekanik har på ett mycket framgångsrikt sätt lyckats beskriva och förutsäga planeters rörelser på himlen, liksom händelser på jorden. Emellertid misslyckas man med att förklara fenomen på atomär och subatomär nivå.

I motsats till Newtons klassiska fysik är enligt Heisenberg händelser på atomnivå, likt tankarna om potentialitet i Aristoteles filosofi, ”en underlig slags fysisk verklighet mitt emellan möjlighet och verklighet”. I kvantmekanik beskrivs atomära och subatomära händelser i sannolikhet eller benägenhet.

Kvantmekaniken introducerade begreppet obestämbarhet in i den grundläggande moderna fysiken. Detta var ett enormt språng från Newtons klassiska mekanik som dominerat fysiken i århundraden. Det var också ett radikalt avsteg från relativitetsteorin. Einstein förkastade denna förklaring av kvantmekaniken just beträffande frågan om obestämbarhet, och menade i ett brev till fysikern Max Born att gud inte spelar tärning.

I ” Physics and Philosophy: The Revolution in Modern Science” skrev Heisenberg: ”Förändringen av begreppet verklighet som manifesteras i kvantteorin är inte enbart en fortsättning på det förgångna; det tycks vara en verklig brytning med strukturen i modern vetenskap.”

Förklaringar av den nya fysiken

Även om kvantmekaniken har varit väldigt framgångsrik måste vi komma ihåg att den bara beskriver och förutsäger observerbara fysiska fenomen. Den beskriver inte den inre verkligheten hos fysisk materia. Alltmedan kvantmekaniken gått framåt har faktiskt olika motstridiga förklaringar utvecklats, också bland framstående fysiker.

En av de tidigaste förklaringarna av kvantmekaniken är Köpenhamnstolkningen, som leddes av den danske fysikern Niels Bohr. Den här förklaringen konstaterar att ”det finns ingen djupare verklighet”, och atomer, elektroner och fotoner existerar inte på samma sätt som objekt i vår omgivning. Enligt den här förklaringen börjar ett fenomen existera till fullo först när det har observerats. Bohr beskrev det på detta sätt: ”Det finns ingen kvantvärld. Det finns bara en abstrakt kvanttolkning.”

Å andra sidan var Einstein en ”realist”, och han trodde att kvantmekaniken helt enkelt var inkomplett och att det finns en dold deterministisk verklighet bakom kvantfenomenen som kanske upptäcks i framtiden. Även om Einstein tillhörde en väldigt liten minoritet av fysiker som hade detta synsätt så finns det framstående fysiker som också gjorde stora bidrag till utvecklingen av kvantmekaniken och som också var realister.

Planck trodde på en objektiv värld som är oberoende av observatören och motsatte sig orubbligt Heisenbergs, Bohrs och Borns synsätt. Dr Louis de Broglie, som är mest känd för sin upptäckt av elektroners vågenskaper, följde den statistiska tolkningen, men efter att ha kämpat med den i många år antog han till slut den realistiska inställningen. Dr Erwin Schrödinger, som utvecklade vågmekaniken, var också realist, och han ägnade mycket av sin tid under senare delen av livet till att opponera sig mot den statistiska tolkningen av kvantteorin som han hade arbetat så mycket med att skapa.

Ungefär ett decennium efter att Einstein gått bort demonstrerade den irländske fysikern Dr John Stewart Bell att den realistiska hållningen kräver att vissa krafter måste kunna färdas fortare än ljusets hastighet för att kunna svara för observerbara kvantfenomen. Och eftersom detta står i strid med grunden för den väletablerade relativitetsteorin förkastar många fysiker den realistiska hållningen.

1957 introducerade Dr Hugh Everett III tolkningen om många världar, som tycks lösa problemet med mätningar på kvantnivå. I teorin om många världar skapas parallella universa för olika möjliga resultat vid varje mätning. Till exempel, när ett mynt kastas, trots att vi då observerar endast ett resultat så inträffar andra resultat i parallella universa som omedelbart skapas. Den här tolkningen betraktas som absurd av framstående fysiker och filosofer.

Detta är endast ett fåtal exempel på försök att ge en komplett förklaring av kvantmekaniken. Det finns många tolkningar. Dr Nick Herbert jämförde åtta av dem (däribland de ovan nämnda) och skrev i sin bok ”Quantum Reality: Beyond The New Physics”: Ett hänadsväckande drag hos alla dessa åtta kvantverkligheter är emellertid att de är omöjliga att skilja åt experimentellt. För alla just nu tänkbara experiment förutsäger var och en av dessa verkligheter samma observerbara fenomen […] De är samtliga utan undantag befängda.”

Översatt från engelska: http://www.theepochtimes.com/n2/content/view/36070/