Zakaj je fizika lepa

Številne stvari, ki 'delujejo', ne vzbujajo tolikšnega občudovanja, kot ga v nas sprožajo osnovni naravni zakoni.

Objavljeno
10. december 2015 13.33
Frank Anthony Wilczek
Frank Anthony Wilczek
Fizik Heinrich Hertz, ki je živel in deloval v 19. stoletju, je ob neki priložnosti dejal, da se mu enačbe Jamesa Clerka Maxwella o temeljih elektrike in magnetizma zdijo, kot da »obstajajo neodvisno, da imajo svojo inteligenco, da so pametnejše – celo od tistih, ki so jih odkrili, in da smo od njih dobili veliko več, kot smo vanje vložili«.

Nedolgo zatem je Albert Einstein atomski model Nielsa Bohra poimenoval za »najvišjo obliko muzikalnosti v miselni sferi«. Še nekoliko pozneje je pokojni Nobelov nagrajenec Richard Feynman med opisovanjem svojih odkritij novih zakonov fizike dejal: »Resnico lahko prepoznamo po njeni lepoti in preprostosti.« Med sodobnimi fiziki so takšni in podobni občutki vse prej kot univerzalni.

Pobožne želje ne bi nikdar pripeljale do izdelave delujočih iphonov, fotografij s Plutona ali jedrske bombe. Fizika, kot je povzeta v peščici matematično natančnih zakonov, nesporno deluje. Pa vendar številne stvari, ki »delujejo«, ne vzbujajo tolikšnega občudovanja, kot ga vzbujajo osnovni naravni zakoni.

Njihova lepota je zakoreninjena, in to predvsem v simetriji zakonov, kar v tem primeru pomeni možnost spremembe brez spremembe – natančno in z že skoraj mistično zasnovo. Tako kot se lahko krog vrti okoli svoje osi in s tem spreminja položaj vseh svojih točk, ne da bi se hkrati spremenila njegova oblika, tako simetrija zakonov vpliva na spreminjanje položajev, ne da bi se pri tem spremenila ali izgubila njena veljava. Na primer, posebna teorija relativnosti zastopa stališče, da ostajajo temeljni zakoni fizike enaki, če opazujemo svet s podlage, ki se premika s stalno hitrostjo. Podobno kot tako imenovano časovno prevajanje simetrije tvori enotnost fizikalnih zakonov v času. Čeprav se vesolje stara, ostajajo zakoni povsem enaki.

Drugi vir lepote v zakonih fizike je njihova produktivnost – jaz ji rečem živahnost. Zgolj peščica temeljnih načel poraja presenetljivo veliko posledic – vse tisto, kar obstaja v fizičnem svetu! Enačbe ključnih fizikalnih teorij – ki veljajo za standardne modele – lahko mirno natisnemo na majico. Če parafraziramo Hertza, nam te teorije zagotovo dajejo precej več od tega, kar smo vložili vanje.

Je pa treba poudariti, da pravzaprav ni nujno, da imajo zakoni fizike vse te čudovite lastnosti. Razmislimo o tem hipotetičnem položaju: razvoj računalniške moči, virtualne realnosti in umetne inteligence omogoča ustvarjanje samozavedajočih se bitij, katerih »svet« je z našega zornega kota programirana simulacija. Če bi začel zamozavedajoči se Super Mario analizirati zakone svojega sveta, bi v njem našel zelo malo simetrije ali produktivnosti. Namesto njiju bi odkril celo vrsto ohlapno povezanih nenavadnih pravil, v katerih se kažejo kaprice programerja.

Nenaključna lepota

Skratka, lepota zakonov fizike je preveličastna, da bi bila lahko naključna. V zgodovini je vse to ljudi pripeljalo do prepričanja, da nas je ustvarilo nekakšno izbrano višje bitje in da živimo v nekakšnem zavestno izoblikovanem svetu kakor naš fiktivni Super Mario. A to je ekstravagantna hipoteza, daleč nad dejstvi, ki naj bi jih pojasnila. Preden jo sprejmemo, bi morali vsekakor raziskati več ekonomičnih alternativ.

Odgovor je po vsej verjetnosti v nas samih. Lepe stvari so tiste, ki nam prinašajo veselje. To so v nevrobiološkem smislu stvari, ki spodbujajo naš sistem nagrajevanja. Tako je mogoče pojasniti, zakaj se zdijo staršem njihovi otroci ljubki in zakaj odrasle moške privlačijo mlada godna dekleta in njihove fotografije. Gre za evolucijski smisel nagrajevanja takšnih občutkov.

Evolucijska uporabnost lepote fizikalnih zakonov je malce manj očitna, a nič manj realna. Glede na uporabnost natančnega ocenjevanja posledic naših dejanj se je naš sistem nagrajevanja razvil tako, da nas veseli ustvarjanje uspešnih napovedi. Razumevanje sil in vzorcev, ki določajo naš svet, in predvsem načel, ki se uporabljajo (brez spreminjanja) v celi vrsti različnih situacij, nam lahko pomaga izboljšati te naše napovedi. Dejstvo, da lahko glede vedenja skupine objektov ali sistemov sklepamo na podlagi tega, kar vemo o njihovih posameznih delih – da dobimo od njih več, kot smo vanje vložili – nam lahko pomaga pri izboljševanju napovedi.

Lepota in razumljivost

Povedano na kratko: evolucija nas je vnaprej naredila dovzetne za to, da se nam zdijo lepe tiste stvari, ki nam pomagajo pravilno razumeti ta svet, zato gotovo ni naključje, da se nam zdijo lepi tudi ustrezni naravni zakoni. Gledano s tega zornega kota torej očitna lepota zakonov fizike – dejstvo, da nas tako privlači njihova simetrija in živahnost – ni prav nič presenetljiva.

Kar ostaja skrivnost, je to, zakaj so ti zakoni tako razumljivi. Globoka povezava med lepoto in razumljivostjo je čedalje pomembnejši vir napredka znanosti. Današnje meje osnovne fizike so se pomaknile daleč nad vsakodnevne izkušnje. S poskusi se jim je težko približati, poleg tega so takšni poskusi zelo dragi, mi pa se pri izpopolnjevanju praznin ne moremo opirati zgolj na intuicijo. Potrpežljivo kopičenje dejstev, kar priporočajo Francis Bacon, Isaac Newton in Sherlock Holmes, torej ni več ustrezna metoda.

Namesto tega smo spremenili proces in poskuse motiviramo z ugibanjem. Najprej ustvarimo lepe enačbe, nato izpeljemo njihove posledice in jih na koncu preizkusimo z eksperimentom. V minulih nekaj desetletjih se je ta strategija izkazala za izjemno uspešno. Dala nam je kvantno kromodinamiko, ki je rešila osrednji problem jedrske fizike, napovedala Higgsov »božji« delec in še mnogo drugega.

Raje kot da bi torej priznavali lepoto zakonov, ki je že sicer razkrita, bomo uporabili načela lepote – obsežno simetrijo in razmerje med tistim, kar smo vložili, in tistim, kar smo dobili – da bi omogočili odkritje. Ko to deluje, imamo v rokah »antropično« obrazložitev lepote zakonov: »Če ne bi bili lepi, jih ne bi odkrili.«

_____

Frank Anthony Wilczek
je profesor fizike na Massachusettskem tehnološkem inštitutu in dobitnik Nobelove nagrade za fiziko leta 2004.

Project Syndicate 2015