Fysikkens slutt?

«Bør fysikere med verdighet akseptere at det settes sluttstrek for vitenskapen deres?»

Da kommunismen brøt sammen, snakket man om «Historiens slutt». Tilsvarende snakker enkelte nå om «Fysikkens slutt». De hevder at man har forstått alle grunnleggende problemer, at alle store spørsmål har fått sine svar. Andre hevder at selv om noen problemer ennå ikke er løst, så dreier dette seg i det vesentlige om abstraksjoner som er irrelevante i lys av menneskers målsettinger. Gjenstår det da noen brennende problemer som fysikerne må håndtere, eller bør fysikere med verdighet akseptere at det settes sluttstrek for vitenskapen deres?

Det er ikke noe nytt at det reises spørsmål om fysikkens endelikt. På bakgrunn av århundrer med suksessrik anvendelse av Newtons mekanikk og Faraday og Maxwells elektromagnetisme var det flere framtredende røster som i 1890 begeistret proklamerte at fysikken sto ved et endepunkt. Denne begeistringen snudde i løpet av det etterfølgende tiåret. Radioaktivitet, røntgenstråler og oppdagelsen av elektronet åpnet en ny verden. Kort tid etterpå nådde fysikken nye høyder i og med utviklingen av de to revolusjonerende bæresøylene til det 20. århundres fysikk: kvantemekanikk og den generelle relativitetsteorien, et annet av Einsteins banebrytende bidrag til moderne vitenskap.

Vil så menneskets overmot igjen bli gjort til skamme? For å få et grep om hvor fysikken kan komme til å bevege seg, er det nødvendig å vite hvor langt den har kommet. Fysikken vokste fram i det 16. århundre som et kvantitativt, matematisk fundert sett av lover som kunne hjelpe mennesket til å forstå den ikke-levende verden. Mysterier som forvirret tidligere tiders mennesker, ble erstattet av en stadig mer presis samling prinsipper som gjorde at man kunne gjøre kvantitativt rede for prosjektilers ferd gjennom lufta, et eples fall, månens bane og planetenes bevegelser.

Takket være fysikken fikk man presise definisjoner av rom, tid, materie og energi. Et lite antall «fysikkens lover» gjorde rede for komplekse fenomener som sol- og måneformørkelser, kometer, tidevann, materiens egenskaper (f.eks. faste stoffer, væsker og gasser), strukturers stabilitet (f.eks. bruer, tårn, skip), lysets oppførsel, varmespredningsprosesser, temperatur, regnbuens farger og fargenyansene som framkommer ved oppvarming av stoffer, elektriske ladninger og magnetisme, gravitasjon og radioaktivitet.

Det 20. århundre brakte med seg en grunnleggende forståelse av den fysiske verdens egenskaper, som fysikken nå vurderer som «forstått». Fysikkens emneområde omfatter nå både stjerner, galakser og universets utvikling og biologiske størrelser som proteiner, celler og gener.

Når fysikken har en slik framskrittshistorie bak seg, hva gjenstår da av utfordringer? La meg rette søkelyset mot noen få områder der store framskritt kan komme til å skje de neste tiårene.

Innenfor partikkelfysikk og kosmologi er vi nå svært nær å løse problemer som har forvirret vitenskapen siden antikken: Hva er materiens minste byggesteiner? Hvordan virker universet? Vår ambisjon er å finne så elegante og enkle svar at de lett får plass på framsiden av en T-skjorte. I dag har vi imidlertid bare kommet fram til en slagkraftig, men mangelfull, oppsummering, den såkalte standardmodellen, som reduserer all virkelighet til om lag et dusin partikler og fire grunnleggende naturkrefter.

Hvorfor er da standardmodellen mangelfull? En åpenbar mangel er dens estetiske side dvs. den er for sammensatt. Modellen forklarer ikke hvorfor det er så mange fundamentalpartikler og hvorfor de er så forskjellige fra hverandre. En annen mangel ved standardmodellen er at den ikke inkluderer en av de grunnleggende naturkreftene: gravitasjon. Vi er fortsatt på leting etter en enkel, altomfattende teori som forener alle disse kreftene.

Dette arbeidet er av særlig betydning for kosmologien, hvor fredelig sameksistens mellom relativitetsteorien, som forklarer gravitasjon, og kvanteteorien er nødvendig for å forstå universets begynnelse. I de aller første øyeblikkene etter universets skapelse, i det store smellet for 12 milliarder år siden, var universet ekstremt lite og med stor tetthet, og fysikkens lover gjaldt kanskje bare for én type partikkel og én kraft. Foreningen av relativitetsteorien og kvanteteorien er derfor nødvendig for å forstå skapelsens første øyeblikk, da andre partikler og krefter ble til.

Når en slik forståelse er oppnådd, vil kosmologer begynne å forstå hvordan dette tette universet begynte å utvide seg og hvorfor mer enn 90 prosent av dets masse fortsatt er usynlig for våre instrumenter. Over tid vil vi begynne å avdekke alle verdensrommets grunnleggende trekk slik at vi kan forklare hvordan én enkelt hendelse for milliarder av år siden ikke bare skapte galakser, stjerner og planeter, men også atomene som samlet seg til levende vesener tilstrekkelig sammensatt til at de kan grunne over sin egen opprinnelse og hensikten med det hele.

Noen mener selvsagt at det er lite sannsynlig at fysikken vil kunne gi en endelig forklaring på evolusjonen, den hendelsen som ligger til grunn for biologi og medisin. Jeg tror imidlertid at anvendelse av fysikkens prinsipper innenfor kjemi, og spesielt biologi, vil få økt betydning. Etter hvert som biologien blir en kvantitativ, hard vitenskap, vil fysikken med sine teknikker, sin beregningskraft og sine grunnleggende lover påvirke biologene i stadig større grad.

Fysikkens endelige rolle kan rett og slett bli å forene all menneskelig kunnskap. Den framtredende Harvard-biologen Edmund O. Wilson skrev i sin bok «Consilience» («Sammensmeltning») om den endelige forening av de harde vitenskapene, samfunnsvitenskapene og humanvitenskapene. Hvor revolusjonerende dette enn kan lyde, så kan man allerede nå og med den menneskelige bevissthet som brubygger, skimte denne muligheten, fordi hjernen ser ut til å operere i tråd med fysikkens lover, og disse igjen kan kanskje ved hjelp av kvantemekanikkens sannsynlighetsberegninger og kaosteoriens kompleksitet gjøres til gjenstand for logisk analyse.

Vil denne kunnskapen kapre følelser, kjærlighet, musikk, poesi og kunst? Eller vil denne vitenskapelige enheten berike menneskeåndens store stoltheter? Er vi med Keat nødt til å frykte «oppløsningen av regnbuen»? Den store teoretiske fysikeren Richard Feynman har gitt et enkelt, men kraftfullt svar på tiltale: «Er det slik at vår glede over nattehimmelens skjønnhet og prakt blir mindre fordi vi forstår mekanismen bak stjernenes bevegelser?»