Τι προηγείται στην Φυσική: η Θεωρία ή το Πείραμα; Which Should Come First in Physics: Theory or Experiment?

Τα σχέδια για τους μελλοντικούς γιγαντιαίους επιταχυντές σωματιδίων προκαλούν συζητήσεις σχετικά με το πως γίνονται πραγματικά οι επιστημονικές ανακαλύψεις. Plans for giant particle accelerators of the future focus attention on how scientific discoveries are really made. Credit: Getty Images

Η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs στον LHC το 2012 χαρακτηρίστηκε ως ορόσημο στο μακρύ ταξίδι προς την κατανόηση της βαθύτερης δομής της ύλης. Σήμερα, η φυσική των σωματιδίων προσπαθεί να προωθήσει μια ποικιλία πειραματικών προσεγγίσεων διαμέσου των οποίων μπορεί να βρούμε νέες απαντήσεις σε θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με τη δημιουργία του σύμπαντος και τη φύση της μυστηριώδους και «άπιαστης» σκοτεινής ύλης.

Μια τέτοια προσπάθεια απαιτεί έναν μετά-LHC επιταχυντή σωματιδίων με σημαντικά μεγαλύτερη ισχύ από εκείνη των προηγούμενων επιταχυντών. Έτσι ξεκίνησε η ιδέα για την κατασκευή του Future Circular Collider (FCC) στο CERN – μια μηχανή που θα μπορούσε να επιταχύνει πολύ την αναζήτηση νέας φυσικής. Για να κατανοήσουμε την σημασία αυτού του πρότζεκτ, θα πρέπει να ξεκινήσουμε από την αρχή και να ρωτήσουμε για άλλη μια φορά: «Πώς προχωρά η φυσική;»

Πολλοί πιστεύουν ότι οι μεγάλες επαναστάσεις στη φυσική καθοδηγούνται αποκλειστικά από νέες θεωρίες, ενώ τα πειράματα λειτουργούν συμπληρωματικά. Εν ολίγοις, οι θεωρητικοί κάνουν υποθέσεις και τα πειράματα χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για να τις επιβεβαιώσουν. Άλλωστε, οι περισσότεροι από εμάς διακηρύσσουμε τον θαυμασμό μας για την θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν ή για την κβαντομηχανική, αλλά σπάνια εξετάζουμε αν αυτές καταπληκτικές θεωρίες θα μπορούσαν να επιτευχθούν χωρίς τις συνεισφορές των Michelson-Morley, Stern-Gerlach ή τα πειράματα ακτινοβολίας του μέλανος σώματος.

Αυτή η απλοϊκή εικόνα, παρά το γεγονός ότι απέχει πολύ από τους δημιουργικούς και συχνά αναπάντεχους τρόπους, με τους οποίους η φυσική εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου, παραμένει αρκετά διαδεδομένη ακόμη και μεταξύ των επιστημόνων. Η ολέθρια επιρροή της εκδηλώνεται ήδη στη συζήτηση για τις μελλοντικές πειραματικές κατασκευές, όπως ο μελλοντικός κυκλικός επιταχυντής επιταχυντής (FCC) στο CERN.

The Compact Muon Solenoid (CMS) is one of the two experiments that detected the signal of the Higgs boson at CERN, in Geneva (CH). To detect elementary particles, physicists need huge instruments. The CMS experiment is 21 m long, 15 m wide and 15 m high. © CERN

Μετά από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, έχουμε τελικά όλα τα κομμάτια του παζλ στην θέση τους. Όμως, η άγνοιά μας σχετικά με την σκοτεινή ύλη, τις μάζες των νετρίνων και την παρατηρούμενη ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης, αποτελούν μερικές από τις πολυάριθμες ενδείξεις ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν είναι η τελική θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεών τους.

Αρκετές θεωρίες έχουν διατυπωθεί για να ξεπεραστούν τα προβλήματα που εμφανίζονται στο Καθιερωμένο Πρότυπο, αλλά μέχρι στιγμής καμία δεν έχει επαληθευτεί πειραματικά. Αυτό το γεγονός κρατάει τον κόσμο της φυσικής σε αναμονή. Τελικά όμως, η επιστήμη έχει αποδείξει πολλές φορές ότι μπορεί να βρει νέους, ευρηματικούς τρόπους για να ξεπεράσει όλα τα εμπόδια που συναντά στην πορεία της. Κι ένας τέτοιος τρόπος που θα ξεβαλτώσει την σωματιδιακή φυσική μπορεί να προκύψει με την επαναφορά του πειράματος στην πρώτη γραμμή.

A schematic map showing where the Future Circular Collider tunnel is proposed to be located. (Image: CERN)

Και προς αυτή την κατεύθυνση στοχεύουν τα σχέδια κατασκευής του FCC που θα μπορούσαν να εγκαινιάσουν την εποχή μετά τον LHC και την ώθηση νέων τεχνολογιών. Ένα στάδιο αυτού του σχεδίου προϋποθέτει την κατασκευή ενός επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων πριν από τον επιταχυντή πρωτονίων, ο οποίος αποτελεί οκταπλάσιο ενεργειακό άλμα σε σύγκριση με το LHC και θα μας οδηγήσει πιθανόν σε ανεξερεύνητες μέχρι τώρα καταστάσεις.

Και οι δύο επιταχυντές θα στεγαστούν σε μια νέα σήραγγα με περίμετρο 100 χιλιομέτρων. Η μελέτη του FCC συμπληρώνει προηγούμενες μελέτες κατασκευής γραμμικών επιταχυντών στην Ευρώπη (CLIC) και την Ιαπωνία (ILC), ενώ η Κίνα κάνει παρόμοια σχέδια για έναν κυκλικό επιταχυντή μεγάλης κλίμακας (CEPC).

Gian Francesco Giudice is a theoretical particle physicist working at the CERN Theory Group. After graduating from the University of Padua, he obtained his PhD in theoretical physics in 1988 from SISSA in Trieste. He worked at the Fermi National Accelerator Laboratory, near Chicago, and at the University of Texas, in the group of Prof. S. Weinberg, before moving to CERN in 1993. His research focuses on the construction of new theories beyond the Standard Model of particle interactions and on their implications for the early history of our universe. Supersymmetry and extra dimensions are fields in which he has made fundamental contributions. Besides his research work, Giudice is active in the popularization of science and outreach. He is the author of A Zeptospace Odyssey, a popular-science book on the physics of the Large Hadron Collider. He has been awarded the 2013 Jacques Solvay Chair in Physics.

Οι μελλοντικοί επιταχυντές θα μπορούσαν να προσφέρουν μια βαθύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων του μποζονίου Higgs, αλλά πολύ περισσότερο, αποτελούν μια ευκαιρία για να εξερευνήσουν τo άγνωστo σε μια άνευ προηγουμένου κλίμακα ενέργειας. Όπως υποστηρίζει ο Gian Giudice, επικεφαλής του Τμήματος Θεωρητικής Φυσικής του CERN,: «Οι επιταχυντές υψηλής ενέργειας παραμένουν ένα απαραίτητο και αναντικατάστατο εργαλείο για να συνεχίσουμε την εξερεύνηση των στοιχειωδών θεμελίων του σύμπαντος».

Παρόλα αυτά, ο FCC θεωρείται από ορισμένους ως μια αμφισβητήσιμη επιστημονική επένδυση, ελλείψει σαφούς θεωρητικής καθοδήγησης σχετικά με το πού μπορεί να βρίσκεται η άγνωστη νέα φυσική.

Ωστόσο, η ιστορία της φυσικής μας δείχνει μια διαφορετική άποψη: ότι τα πειράματα συχνά διαδραματίζουν πρωταγωνιστικό ρόλο στην πρόοδο της επιστήμης.

Όπως λέει ο γνωστός ιστορικός της φυσικής, ο Peter Galison πρέπει να «σταματήσει αριστοκρατική θεώρηση της φυσικής σύμφωνα με την οποία όλα τα ερωτήματα απαντώνται από την υψηλή θεωρία». Εξάλλου, αρκετά πειράματα πραγματοποιήθηκαν χωρίς να καθοδηγούνται από μια καλά εδραιωμένη θεωρία, αλλά πραγματοποιήθηκαν για να διερευνήσουν άγνωστα πεδία. Ας εξετάσουμε μερικά διαφωτιστικά παραδείγματα.

Tycho Brahe’s large mural quadrant at Uraniborg. The quadrant (radius c. 194cm) was made from brass and was affixed to a wall that was oriented precisely north-south.

Τον 16ο αιώνα, ο βασιλιάς Φρειδερίκος της Δανίας χρηματοδότησε το ερευνητικό κέντρο Uraniborg, το κάστρο των ουρανών, όπου ο Tycho Brahe κατασκεύασε μεγάλα αστρονομικά όργανα (δυστυχώς, το τηλεσκόπιο εφευρέθηκε λίγα χρόνια αργότερα) και πραγματοποίησε πολλές λεπτομερείς παρατηρήσεις που δεν ήταν δυνατό να γίνουν μέχρι τότε. Η κατασκευή αυτού του τεράστιου για την εποχή αστεροσκοπείου, άλλαξε την άποψή μας για τον κόσμο. Οι ακριβείς αστρονομικές μετρήσεις του Tycho Brahe επέτρεψαν στον Johannes Kepler να αναπτύξει τους νόμους της πλανητικής κίνησης και να συμβάλει σημαντικά στην επιστημονική επανάσταση.

Η ανάπτυξη του ηλεκτρομαγνητισμού χρησιμεύει ως ένα άλλο κατάλληλο παράδειγμα: πολλά ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα ανακαλύφθηκαν από φυσικούς, όπως ο Charles Dufay, André-Marie Ampère και Michael Faraday, τον 18ο και 19ο αιώνα, μέσω πειραμάτων που δεν είχαν καθοδηγηθεί από κάποια προ-διατυπωμένη θεωρία ηλεκτρομαγνητισμού.

Προχωρώντας πιο κοντά στη σημερινή εποχή, βλέπουμε ότι ολόκληρη η ιστορία της σωματιδιακής φυσικής είναι στην πραγματικότητα γεμάτη από παρόμοιες περιπτώσεις. Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, μια σταθερή και επίπονη πειραματική προσπάθεια χαρακτήρισε το πεδίο της σωματιδιακής φυσικής κι αυτό επέτρεψε την ανάδυση του Καθιερωμένου Προτύπου μέσα από τον χαώδη «ζωολογικό κήπο» των νέο-ανακαλυφθέντων σωματιδίων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα, τα κουάρκς – τα θεμελιώδη συστατικά του πρωτονίου και του νετρονίου, ανακαλύφθηκαν μέσα από τα πειράματα κατά την δεκαετία του 1960 στον Γραμμικό Επιταχυντή του Στάνφορντ (SLAC).

Oι περισσότεροι εν ενεργεία φυσικοί αναγνωρίζουν την εξαιρετική σημασία του πειράματος ως μια εξερευνητική διαδικασία. Για παράδειγμα ο Victor “Viki” Weisskopf, πρώην γενικός διευθυντής του CERN και ένα είδωλο της σύγχρονης φυσικής, είχε συνειδητοποιήσει την δυναμική της πειραματικής διαδικασίας στο πλαίσιο της φυσικής των σωματιδίων. Το υποστήριζε λέγοντας τα εξής:

«Υπάρχουν τρία είδη φυσικών, οι κατασκευαστές μηχανών, οι πειραματικοί φυσικοί και οι θεωρητικοί φυσικοί. Αν συγκρίνουμε αυτές τις τρεις κατηγορίες, θα διαπιστώσουμε ότι οι κατασκευαστές μηχανών είναι οι σημαντικότεροι όλων, διότι αν δεν υπήρχαν δεν θα φτάναμε ποτέ στις ελαχιστότατες κλίμακες του χώρου.

Αν το συγκρίνουμε με την ανακάλυψη της Αμερικής, οι κατασκευαστές μηχανών αντιστοιχούν στους καπετάνιους και τους κατασκευαστές πλοίων που ανέπτυξαν τις τεχνικές εκείνης της εποχής. Οι πειραματιστές ήταν οι εκείνοι που μεταφέρθηκαν με τα πλοία στην άλλη άκρη του κόσμου και πήδηξαν στα νέα νησιά και κατέγραψαν όσα είδαν. Οι θεωρητικοί φυσικοί ήταν εκείνοι που παρέμειναν πίσω στην Μαδρίτη, ενώ είχαν πει στον Κολόμβο ότι πρόκειται να φτάσει στην Ινδία!» (Weisskopf 1977)

Νίμα Αρκάνι-Χαμέντ

Παρά το γεγονός ότι ο ίδιος ήταν θεωρητικός, μπορούσε να αναγνωρίσει τον εξερευνητικό χαρακτήρα του πειραματισμού στην σωματιδιακή φυσική. Έτσι, τα λόγια του ταιριάζουν απόλυτα στην σημερινή εποχή. Ένας από τους σημαντικότερους θεωρητικούς φυσικούς σήμερα, ο Nima Arkani-Hamed, ισχυρίστηκε σε μια πρόσφατη συνέντευξή του, ότι «όταν οι θεωρητικοί είναι πολύ μπερδεμένοι, είναι η ώρα για περισσότερα και όχι λιγότερα πειράματα».

Ο FCC, προς το παρόν, πασχίζει να κρατήσει ζωντανό το εξερευνητικό πνεύμα των προηγούμενων φημισμένων επιταχυντών. Δεν προορίζεται για να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο επαλήθευσης για μια συγκεκριμένη θεωρία αλλά σαν μέσο ανοίγματος πολλαπλών πειραματικών δρόμων για το μέλλον. Η πειραματική διαδικασία πρέπει να έχει τη δυνατότητα να αναπτύξει την δική της δυναμική. Αυτό δεν σημαίνει πως το πείραμα και οι κατασκευές του (επιταχυντές, ανιχνευτές κ.λπ.) δεν πρέπει να διατηρούν στενή σχέση με την θεωρητική κοινότητα. Σε τελευταία ανάλυση, υπάρχει μόνο μια φυσική και πρέπει να εξασφαλίζεται η ενότητά της.

Πηγές: μια πολύ ελεύθερη απόδοση του άρθρου με τίτλο «Which Should Come First in Physics: Theory or Experiment?», των Γρηγόρη Πανουτσόπουλου και Frank Zimmermann στο Scientific American - https://physicsgg.me/2019/06/21/