Vi får aldrig eksakt viden om verden
Mange fysikere drømmer om en teori, der beskriver alt ned til mindste detalje. Men det bliver aldrig til virkelighed, forklarer fysiker.
matematik fysik partikelfysik relativitetsteori

Forskere har i årtier ledt efter et 'missing link' inden for fysik – en måde at koble de to store teorier, den generelle relativitetsteori og kvantefysikken. Men selv hvis det lykkes, vi vil aldrig med sikkerhed kunne forklare alting med én teori. (Foto: Shutterstock)

Da jeg for seks år siden slog sædet ned og ørene ud i det store auditorium, var jeg klar til at rive mit verdensbillede ned og opbygge et nyt.

Jeg var startet på fysikstudiet på Aarhus Universitet, og jeg havde store forventninger til at få Universets mysterier og mekanismer udrullet foran mine øjne. Væk med forældede forestillinger. Nu skulle sandheden på bordet.

Historien kort
  • Overordnet set består fysikkens verden af to teorier: Den generelle relativitets-teori og kvantefysikken.
  • Mens den generelle relativitetsteori kan forklare fysiske hændelser i stor skala, giver kvantefysikken svar på fysikkens gåder på atomart niveau.
  • Forskere har i årtier talt om en stor, forenende teori, som kobler de to grene af fysikken sammen, så vi kan forklare alt, men ifølge fysiker Niels Jakob Søe Loft kan vi godt skyde en hvid pil efter den drøm.

I gymnasiet blev jeg og mine klassekammerater oplært i Newtons love.

Med disse kan man eksempelvis beregne, hvor og hvornår to toge på kollisionskurs ramler sammen, eller med hvilken vinkel kanonløbet skal indstilles for at udradere fjendens tropper.

Men vi vidste også godt, at der er tilfælde, hvor Newtons love ikke gælder.

Piloten på et rumskib, der bevæger sig nær lysets fart, oplever sære fænomener, som man behøver Einsteins specielle relativitetsteori for at forklare.

Ligeledes vil man i atomernes mikroskopiske verden opleve, at Newtons love ikke er tilstrækkelige, men at atomer opfører sig efter kvantemekanikkens bestemmelser.

Newtons love beskriver med stor nøjagtighed en lang række fænomener, men de er udtryk for et forsimplet verdensbillede.

Jo større hastigheden bliver, eller jo tættere på atomar skala vi kommer, jo mere afviger forudsigelserne fra Newtons love fra virkeligheden. Lovene tilnærmer sig den fysiske verden, men de er ikke eksakte.

Jagten på sandheden

Jeg fyldte nogle store huller ud ved at studere den specielle relativitetsteori og kvantemekanikken på universitetet. Jeg forstod den fysiske verden i langt større detalje. Men den store sandhed havde ikke åbenbaret sig, og naturen havde stadig sine hemmeligheder.

Et åbenlyst problem med både den specielle relativitetsteori og kvantemekanikken er, at de beskriver to separate grene af fysikken. De indeholder så at sige ikke hinanden, så man vælger den teori, der passer bedst til situationen.

Vil man beskrive elektroner, der hopper fra atom til atom i en kobberledning, hiver man kvantemekanikken frem. Er man derimod interesseret i lynhurtige rumskibe eller meget nøjagtige målinger af tid og sted til GPS, finder man de relativistiske formler frem.

Men når forskerne på CERN smadrer mikroskopiske partikler sammen i energiske sammenstød, har vi brug for at kombinere relativitetsteorien og kvantemekanikken i én teori. Her er der jo tale om små (kvantemekaniske) ting med høj (relativistisk) hastighed.

Denne forenede teori kaldes kvantefeltteori.

kvantemekanik relativitet fysik kvantefeltteori

Fysikken består af flere teorier, der overlapper og supplerer hinanden. I dag er kvantefeltteorien den teori, der dækker mest. Hvor eksempelvis kvantemekanikken kun beskriver små langsomme ting, så beskriver kvantefeltteorien både små langsomme og små hurtige ting, forklarer fysiker Niels Jakob Søe Loft. (Fotos: Shutterstock/CERN)

Fysikkens sværeste disciplin

Som fysikstuderende oplevede jeg kvantefeltteori – eller partikelfysik – som én af de sværeste teorier at stifte bekendtskab med.

Selve ordet kvantefeltteori er jo frygtindgydende. Matematikken er hård. Fysikken kan synes svært gennemskuelig. Man kommer let til at fortabe sig i tekniske detaljer.

Men når støvet lægger sig, står man med partikelfysikken – verdenshistoriens mest succesfulde fysikteori. Var min søgen efter sandheden endelig fuldbragt? Er partikelfysikken det ultimative svar? Nej.

Standardmodellen, som vores teori for partikelfysikken kaldes, beskriver alle de kendte naturkræfter bortset fra tyngdekraften. Så allerede her er det jo et tydeligt problem, hvis man søger en samlet teori for alt.

Derudover kæmper fysikerne også med at forstå mørk energi og mørkt stof, som standardmodellen heller ikke redegør for. Mange teoretikere forsøger på mere eller mindre opfindsom vis at reparere standardmodellen og inkludere disse mangler.

Tyngdekraften bliver snydt af partikelfysik

Især volder det problemer at få tyngdekraften til at spille sammen med resten af elementarpartiklerne. Men vil det give os den ultimative teori for alting, hvis det lykkes? Ville vi så stå med en eksakt model for vores verden?

higgs partikel fysik cern

Opdagelsen af Higgs-partiklens eksistens i 2012 afsluttede jagten på standardmodellens 17 elementarpartikler. Nu leder man efter nye partikler, der vil åbenbare ukendt fysik for os. Men uanset hvor meget vi opdager, vil der altid være noget, vi ikke ved. (Foto: Shutterstock)

Var jeg blevet stillet det spørgsmål som nystartet studerende, havde jeg nok vovet et håbefuldt ja. Jeg ville nok have tænkt, at hvis man samlede al kendt fysik i én teori, så måtte man have styr på alt. Hvad mere skulle der være at tage højde for?

I dag er det tydeligt for mig, at svaret er nej. Selvfølgelig får vi mere fundamentale teorier ved at forene forskellige teorier. Kvantefeltteorien fremkommer jo som foreningen af specielt relativitetsteori og kvantemekanik, og den inkluderer begge teorier og mere til.

Og selvfølgelig hjælper det at udbygge og forfine vores eksisterende teorier. Det var sådan, standardmodellen gradvist blev bygget op i løbet af 1960'erne og starten af 1970'erne.

Nøglen til god fysik

Men en eksakt teori for alt? Der når vi aldrig hen. For i fysik er forsimplinger – eller approksimationer – alfa og omega. Det er nøglen til god fysik. I bund og grund er fysik blot kunsten af lave en passende approksimation af virkeligheden. Det er de antagelser, enhver fysisk teori tager udgangspunkt i.

For eksempel er udgangspunktet for kvantefeltteori, at alle matematiske funktioner kan beskrives med en parabel omkring et minimum.

Vi ved godt, at parablen er en tilnærmelse til den rigtige matematiske funktion, der muligvis er langt mere kompliceret. Men i omegnen af minimummet lægger parablen sig tæt op ad den rigtige funktion og er derfor en god tilnærmelse.

Vi kender ikke engang den præcise matematiske funktion, men det behøver vi heller ikke. Uden denne forsimpling er det umuligt at bygge kvantefeltteorien op, så den er helt afgørende for at skabe vores moderne partikelfysik.

Selv de teorier, der forsøger at inkludere al kendt fysik, bygger på lignende forsimplinger.

Der vil altid være tvivl

Fysik handler om at skære overflødigt fedt fra og finde ind til benet. Hvilke faktorer er vigtige for det spørgsmål, man forsøger at besvare?

parabel relativitet kvantefeltteori fysik

Den røde parabel tilnærmer den blå kurve omkring dens minimum. I fysikken er det ofte tilstrækkeligt at kende en funktion omkring dens minimum, så i dette tilfælde kan man nøjes med at arbejde videre med den simple parabel. (Illustration: Niels Jakob Søe Loft)

Slipper man en fjer i luften, vil både tyngdekraften og luftmodstanden være betydelige faktorer for dens bevægelse, men for en mursten kan man med god samvittighed ignorere luftmodstanden.  

En simpel model uden luftmodstand giver et uhyre nøjagtigt resultat for murstenen, så det kræver meget præcise målinger at opdage en afvigelse på grund af luftmodstand.

Så længe den simple model giver et resultat, der er i overensstemmelse med de bedste målinger, vil man ikke engang opdage unøjagtighederne i ens model.

Vores målinger er jo ikke uendeligt præcise, men de indeholder altid en vis eksperimentel usikkerhed. Dette har også følgende konsekvens: Står vi en dag med en kandidat til posten som den ultimative teori for alting, kan vi aldrig være sikre på, at den rent faktisk er eksakt.

Det ville jo kræve, at teori og eksperiment blev sammenlignet til uendelig mange decimaler, og det er simpelthen umuligt.

Mit tidligere jeg, den nysgerrige og forventningsfulde førsteårsstuderende på auditoriets klapsæde, ville være skuffet. Det gjorde ondt at lave den første approksimation.

Farvel til den store forenende teori

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

I gymnasiet var vi vant til fysikopgaver, der kunne besvares eksakt med de formler, vi havde til rådighed. På universitetet endte jeg tit med ligninger, der ikke kunne løses i hånden, så jeg blev nødt til at hugge en hæl og skære en tå.

Det var decideret ubehageligt at smide information væk – også selvom det var ubetydeligt for det spørgsmål, jeg forsøgte at besvare.

Hvad jeg hadede engang, har jeg nu lært at elske. I dag er mine ligninger så komplicerede, at ikke engang en computer kan løse dem, før jeg har simplificeret dem. Det er helt afgørende at kunne identificere det vigtige og smide resten væk.

Det tog tid at acceptere, at forsimplinger er et af fysikkens grundpræmisser, og at vi derfor aldrig får eksakt viden om verden.

Men måske gør det ikke noget, at naturen får lov til at beholde sine inderste hemmeligheder uspoleret.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud