Fysikkens slemme dreng

Leonard Susskind gjorde oprør som teenager og stoppede aldrig. Idag insisterer han på, at virkeligheden måske for evigt er hinsides vor forståelses rækkevidde

Peter Byrne*

Stanford University fysikeren Leonard Susskind boltrer sig i at opdage ideer, der omdanner den nuværende tilstand i fysikken. For fyrre år siden var han med til at grundlægge strengteorien, som i begyndelsen blev hånet men med tiden blev den førende kandidat til en forenet teori om naturen. I årevis bestred han Stephen Hawkins gæt på, at sorte huller ikke blot opsluger objekter men maler dem hinsides genopretning, i overtrædelse af kvantemekanikken. Med tiden opgav Hawking. Og han hjalp med at udvikle det moderne begreb om parallelle universer, baseret på det han kaldte strengteoriens "landskab." Det ødelagde fysikernes drøm om at forklare universet som det unikke resultat af grundlæggende principper.

Fysikere, der søger at forstå virkelighedens dybeste niveauer, arbejder nu indenfor rammer, som stort set er lavet af Susskind. Men der er sket en morsom ting henad vejen. Nu spekulerer Susskind på, om fysikere kan forstå virkeligheden.

Susskind bekymrer sig om, at virkeligheden måske kunne være hinsides vor begrænsede evne til at forestille os den. Han er ikke den første til at udtrykke en sådan bekymring. I 1920'erne og 1930'erne delte grundlæggerne af kvantemekanik sig i realist og antirealist lejre. Albert Einstein og andre realister hævdede at hele fysikkens mening er at fremkomme med et mentalt billede, ligemeget hvor uperfekt, af hvad den objektive virkelighed er. Antirealister som Niels Bohr sagde, at disse billeder er ladede med farer; forskere burde begrænse sig til at gøre og afprøve enpiriske forudsigelser. Susskind mener, at den moderne fysiks modsigelser og paradokser retfærdiggør Bohrs forsigtighed.

En ting, der førte Susskind til denne konklusion, er hans princip om sort hul komplementaritet, som hævder, at der er en iboende flertydighed i skæbnen for objekter, der falder ind i et sort hul. Fra synspunktet af selve det faldende objekt passerer det uden nogen hændelse gennem hullets perimeter, eller horisont, og det ødelægges, når det når hullets center, eller singularitet. Men fra udsigtspunktet af en ydre observatør forbrændes det faldende objekt ved horisonten. Så hvad sker der i virkeligheden? Spørgsmålet er ifølge princippet om sort hul komplementaritet meningsløst: begge tolkninger er gyldige.

En beslægtet ide til fordel for antirealisme er det holografiske princip som Susskind og Nobelpristageren Gerard 't Hooft fra Utrecht University formulerede i midten af 1990'erne. Det hævder, at det der sker i et rumfang af rummet kan forklares af, hvad der på dets grænse. Skønt vi sædvanligvis tænker på objekter som susende rundt i tredimensionalt rum, kan vi ligeså godt tænke på dem som udfladede dråber, der glider tværs over en todimensional overflade. Hvad er så den sande virkelighed: grænsen eller det indre? Teorien fortæller det ikke. Virkeligheden, i dette holografiske gæt, er perspektivagtig.

I håbet om bedre at forstå hvordan spændingen mellem hårde vidnesbyrd og ikke-bevist gætteri virker på fysikkens front bad vi Susskind forklare, hvordan hans teorier har udviklet sig.

Scientific American: Hvordan endte en blikkenslagers søn op med at stille spørgsmål om virkelighedens natur?

Leonard Susskind: Jeg var en slem gymnasiestuderende. Jeg var meget god til matematik, men jeg var en slem dreng og kom i en masse problemer. Virkningen var, at jeg ikke fik lov til at tage almindelig fysik. Jeg fik at vide, at jeg skulle tage automotiv fysik. Men så i college, som var en ingeniør skole, tog jeg mit første fysikkursus. Jeg var bare så meget bedre end alle de andre, professoren inkluderet. Og heldigvis var det ikke en kilde til strid mellem os, at jeg kunne gøre de ting, han ikke kunne. Men så fik jeg at vide af en af ingeniørprofessorerne, at han ikke syntes jeg var skåret ud til at blive ingeniør, hvilket var korrekt. Så spurgte jeg ham, "Hvad burde jeg gøre?" Han sagde, "Godt, du er ualmindelig kvik. Du burde blive forsker."

FOTO: TIMOTHY ARCHIBALD

Tog du nogen filosofikurser?

Ja, det gjorde jeg i college. Jeg blev temmelig faschineret af nogle af begreberne. Min interesse for det svandt, da jeg blev virkelig hængt op af fysik.

Er der nogen videnskabsfilosoffer du kan lide?

Jeg er en af de få fysikere, jeg kender, der kan lide Thomas Kuhn. Han var delvist videnskabshistoriker og delvist sociolog. Han fik rigtigt fat i den grundlæggende ide om, hvad der sker, når det videnskabelige paradigme ændres. Der sker pludselig en radikal ændring af perspektiv. Helt nye ideer, begreber, abstraktioner og billeder bliver relevante. Relativitet var et stort paradigmeskift. Kvantemekanik var et stort paradigmeskift. Så vi fortsætter med at skabe nye realismer. De erstatter aldrig komplet de gamle ideer, men de erstatter dem stort set med begreber, der virker bedre, som beskriver naturen bedre, som ofte er meget ubekendte, som får folk til at spørge, hvad der menes med "virkelighed." Så kommer den næste ting og vender det på hovedet. Og vi er altid forbavsede, at de gamle måder at tænke på, de forbindelser vi har eller de matematiske forbindelser, som vi måske har skabt, simpelthen svigter os.

I midten af al denne ommøblering er der så plads til en sådan ting som en objektiv virkelighed?

Enhver fysiker må have en slags fornemmelse af at der er objektive ting i verden og at det er vores job at gå igang med at finde ud af, hvad disse objektive ting er. Jeg tror ikke man kunne gøre det uden at have en fornemmelse af at der er en objektiv virkelighed. Vidnesbyrdene for objektivitet er, at eksperimenter er gentagelige. Hvis man sparker til en sten en gang, vil man skade sin tå. Hvis man sparker til stenen to gange, vil man skade sin tå to gange. Gør det samme eksperiment igen og igen med en sten og man vil gentage den samme virkning.

Når det er sagt, taler fysikere næsten aldrig om virkelighed. Problemet er, at det, som folk har tendens til at kalde "virkelighed," har mere at gøre med biologi og evolution og med vore faste forbindelser og vor neurale arkitektur end det har at gøre med selve fysikken. Vi er fanger af vor neurale arkitektur. Vi kan visualisere nogle ting. Vi kan ikke visualisere andre ting.

Einsteins abstrakte, firedimensionale geometri var vanskelig at visualisere konkret. Den blev visualiserbar gennem matematiske forhold. Da relativiteten pludselig dukkede op, må det være forekommet folk: Hvad skete der med "virkelig" tid? Hvad skete der med "virkeligt" rum? De blev blandet sammen til den her mærkelige ting, men der var regler. Pointen var, at der var klare og præcise matematiske regler, der var blevet abstraheret ud af den, og disse overlevede og de gamle ideer om virkelighed gik bort.

Så jeg siger, lad os blive fri for ordet "virkelighed." Lad os føre hele vor diskussion uden ordet "virkelighed." Det kommer i vejen. Det får os til at gætte på ting der sjældent er hjælpsomme. Ordet "gentagelig" er et mere nyttigt ord end "virkelig."

Hvad med kvantemekanik? Ifølge den teori kan det at sparke til stenen på samme måde faktisk give forskellige resultater.

Det er den store, ikke sandt? Der er to ting, som blev opdaget i kvantemekanik, der forstyrrede vor klassiske opfattelse af virkelighed. Den ene var entanglement. Hvad entanglement sagde var noget meget bizart: at man kan vide alt, hvad der er at vide om et sammensat system og dog ikke vide alt om de individuelle bestanddele. Det er et godt eksempel på hvordan vi simpelthen ikke er biologisk udstyrede for abstraktion og hvordan vor opfattelse af virkeligheden bliver forstyrret [se "Living in a Quantum World," af Vlatko Vedral; Scientific American, Juni 2011], [Vi lever i en kvanteverden].

Den anden ting, der gik hårdt på ideen om klassisk virkelighed, var Heisenbergs ubestemthedsprincip. Hvis man prøver at beskrive et objekt som havende både en position og en impuls, kommer man i problemer. Man bør tænke på det som havende en position eller en impuls. Prøv ikke at gøre begge dele.

DON DIXON

Sorte huller afslører grænserne for vor evne til at forstå universet.

Det er det, som fysikerne forstår ved komplementaritet?

Præcis. Det viser sig at matematikken for et sort huls begivenhedshorisont er meget lig ubestemthedsprincippet. Igen er det et spørgsmål om "eller" imod "og." På et fuldstændigt klassisk niveau falder noget ind i et sort hul, noget falder ikke ind i et sort hul, hvad end. Der er ting udenfor det sorte hul og der er ting inde i det sorte hul. Vi opdagede at det er en forkert måde at tænke på. Prøv ikke på at tænke på ting, der sker udenfor horisonten og ting, der sker indenfor horisonten. De er vidtløftige beskrivelser af den samme ting. Man beskriver det på en måde eller man beskriver det på den anden måde. Dette betyder, at vi skal opgive den gamle ide, at en bit information er på et bestemt sted [se "Black Holes and the Information Paradox," af Leonard Susskind; Scientific American, April 1997], [Sorte huller og informationsparadokset].

Hvis jeg forstår dig ret, så udstrækker det holografiske princip den komplementære model af et sort hul til universet.

Ja. Antag, at vi ønsker at beskrive et eller andet system med enorm præcision. For at sondere med stor præcision behøver man høj energi. Det, der med tiden vil ske efterhånden, som man prøver at blive mere og mere præcis, er, at man begynder at skabe sorte huller. Informationen i et sort hul er helt på det sorte huls overflade. Så jo mere og mere forfinet beskrivelse man gør af et system, vil man ende med at placere informationen på en rand.

Det er to beskrivelser af virkeligheden: enten er virkeligheden hele rumtiden omgivet af randen eller virkeligheden er randens areal. Så hvilken beskrivelse er virkelighed? Der er ingen måde at besvare det på. Vi kan enten tænke på et objekt som et objekt i hele rummet eller tænke på det som en kompliceret, blandet samling information på randen, der omgiver det. Ikke begge. Den ene eller den anden. Det er en utrolig tilfældig afbildning af en ting til en anden ting.

Det oprindelige mål for strengteorien var at give en enestående forklaring på virkeligheden. Nu giver den os mangfoldige universer. Hvad skete der?

En stor brøkdel af fysiksamfundet har opgivet af prøve at forklare vor verden som enestående, som den matematisk eneste mulige verden. Lige nu er multiverset det eneste spil i byen. Ikke alle arbejder på det, men der er intet sammenhængende, skarpt argument imod det.

I 1974 havde jeg en interessant oplevelse om, hvordan videnskabelig enighed dannes. Folk arbejdede på den indtil da uafprøvede teori om hadroner [subatomare partikler som protoner og neutroner], som kaldes kvantekromodynamik, eller QCD. På en fysikkonference spurgte jeg, "Hej folkens, jeg ønsker at kende jeres tro på, at QCD er den rigtige teori for hadroner." Jeg foretog en optælling. Ingen gav den mere end 5 procent. Så spurgte jeg, "Hvad arbejder du på?" QCD, QCD, QCD. Enigheden var dannet, men af en eller anden grund ønskede folk at vise deres skeptiske side. De ønskede at være tykhudede. Der er et element af det samme omkring mutivers ideen. En masse fysikere ønsker ikke bare at tilstå og sige, "Se nu engang, vi kender intet andet alternativ."

Universet er meget, meget stort. Erfaringsmæssigt ved vi, at det er mindst 1.000 gange større i rumfang end den del, vi nogensinde kan se. Successen med begrebet om kosmisk inflation åbner for muligheden, at universet er varieret på store nok skalaer. Strengteori giver Tinkertoy elementer, der kan sættes sammen på et enormt antal måder. Så der er ingen pointe i at lede efter forklaringer på, hvorfor vort stykke af verden er nøjagtigt, som det er, fordi der er andre stykker af verden, der ikke er nøjagtigt som vort. Der kan ikke være en universel forklaring på alting, der er, mere end der kan være en læresætning som siger, at middeltemperaturen på en planet er 60 graders Farhenheit. Enhver som prøvede at lave en beregning for at bevise at planeter har en temperatur på 60 grader ville være tosset, fordi der er masser af planeter derude, som ikke har den temperatur.

Men ingen kender de underliggende regler for multiverser. Det er et billede. Ingen ved, hvordan man bruger dette til forudsigelser. Denne proces med evig inflation frembringer bare boble efter boble efter boble og frembringer ethvert antal af dem af enhver slags. Så det betyder, at sandsynligheden for den ene mod den anden er uendelig over uendelig. Vi ville gerne have en sandsynlighedsfordeling, der ville sige at den ene er mere sandsynlig end den anden og så lave en forudsigelse. Så vi er gået fra hvad der ligner et meget overbevisende billede på den ene side til absurd at prøve at måle en uendelighed af sandsynligheder. Hvis den kommer til at bukke under, vil den bukke under på grund af det [se "The Inflation Debate," af Paul J. Steinhardt; Scientific American, April 2011], [Inflationsdebatten].

Er det muligt at lave teoretisk fysik og ikke have filosofiske tanker?

De fleste store fysikere har haft en temmelig stærk filosofisk side. Min ven Dick Feynman hadede filosofi og hadede filosoffer, men jeg kendte ham godt og der var en dyb filosofisk side af ham. Problemerne, man vælger at tænke over, er påvirkede af ens filosofiske forudantagelser. Men jeg har også en stærk fornemmelse af at der sker overraskelser som vender forudantagelserne på hovedet. Folk har den ide, at der er vaskede-og-klippede regler for videnskab: man laver eksperimenter, man får resultater, man tolker dem; til slut har man noget. Men den virkelige videnskabelige proces er så menneskelig og så kaotisk og så omstridt som alt andet.

Mere at udforske

Farewell to Reason. Paul Feyerabend. Verso, 1988.

The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design. Leonard Susskind. Back Bay Books, 2006.

The Black Hole War: My Battle with Stephen Hawking to Make the World Safe for Quantum Mechanics. Leonard Susskind. Back Bay Books, 2009.

* Peter Byrne er forfatter af ”The Many Worlds of Hugh Everett” i December 2007 magasinet, som udviklede sig til bogen The Many Worlds of Hugh Everett III: Multiple Universes. Mutual Assured Destruction and the Meltdown of a Nuclear Family (Oxford University Press, 2010).

Fra Bad Boy of Physics, Scientific American, Juli 2011; side 64-67.

Top

Vi lever i en kvanteverden

Inflationsdebatten

Sorte huller og informationsparadokset

Information i det holografiske univers

Hugh Everett's mange verdener

Index