Omyly a lapsy fyziky 1 - historie

středa 28. říjen 2009 10:05

V historii vědy mnohokrát došlo k situaci, kdy bylo nutné dosavadní pohled zásadně přehodnotit. Výjimkou není ani teoretická fyzika, přestože - nebo mnohdy právě proto - že se snaží být velmi exaktní věda, opírající se o matematický aparát všude, kde je to jen trochu možné. Jak jsem se již zmínil dříve, problém matematiky je v tom, že je striktně atemporální a tak selhává při popisu vícedimenzionálních systémů mnoha částic. Nezřídka se zde projevuje duální charakter reality, která při pohledu z vnější perspektivy vypadá docela jinak, než z hlediska pozorovatele zevnitř.

Toto chování se zřetelně projevilo již v diskusích o heliocentrickém modelu sluneční soustavy, který razil Koperník, po něm Giordano Bruno a Galileo Galilei. Tento spor je často vydáván za boj tmářského, dogmatického názoru církve s osvíceneckým pohledem mladé, rodící se vědy - ale skutečnost byla taková, že jejich oponenti např. Tycho de Brahe, částečně i Kepler sami patřili ke špičkám tehdejší astronomie, mj. právě proto, že bohatství církve jim umožňovalo dosáhnout v té době nejvyšší dosažitelné vzdělání. Opačný, tzv. geocentrický model byl podporován složitým matematickým aparátem Ptolemaiovy teorie epicyklů, což byl na svou dobu špičkový výkon algebry a geometrie, ve kterém se přístup tehdejší vědy blížil přístupu dnešních teoretiků: souhlasu teorie s pozorováním bylo dosahováno postupným přidáváním dalších vrstev epicyklů podobně jako např. teorie strun přidává do svých modelů tzv. skryté dimenze a další parametry.

Nejde o to, že tento přístup je v zásadě špatný, protože takto se skutečně pohled planet zevnitř sluneční soustavy jeví a lze pomocí něho dokonce předpovídat mnohé důležité astronomické jevy (zákryty planet, zatmění Slunce) s vysokou přesností - je tedy plně testovatelný, opírá se o matematiku (sic!) a splňuje tak všechny formální znaky současné tzv. vědecké metody. Jde o to, že pohled pozorovatele vně sluneční soustavy je celý model podstatně jednodušší a jeho popis se opírá o nižší počet parametrů, jak vyplývá ze srovnání Koperníkova a Ptolemaiova systému na animaci níže. Heliocentrický model tedy splňuje princip tzv. Occamovy břitvy, podle kterého je třeba při popisu reality dát přednost modelům, které jsou jednodušší, přesněji řečeno vyžadují nižší počet volně nastavitelných parametrů nebo postulátů, tzv. axiomů.

Ptolemaiova teorie epicyklů

Princip Occamovy břitvy se však může snadno dostat do rozporu s principem testovatelnosti vědecké metody, protože heliocentrický model je sice jednodušší, ale v konečném důsledku jej lze s konečnou platností ověřit teprve tehdy, když opustíme sluneční soustavu a podíváme se na ni zvenku. Obecnější teorie se obvykle opírají o vnější, tzv. exsintrickou perspektivu a díky tomu mohou být logicky jednodušší - avšak zavádějí tím předpoklady, které jsou za současného stavu techniku obtížněji ověřitelné a vlastně i více vzdálené každodenní přízemní realitě. Velmi obecná tzv. "teorie všeho" se pak nutně bude opírat o předpoklady, které jsou experimentální realitě zcela nedosažitelné, což je "drobný" háček všech dokonale logických teorií, éterové teorie nevyjímaje. 

Dalším negativním důsledkem principu Occamovy břitvy je obvykle méně přesný popis reality, založený na nižším počtu parametrů. Abstraktní formální teorie, opírající se o uhádnuté (byť experimentálně dobře ověřené) předpoklady či postuláty totiž nejsou ničím jiným, než jakousi složitou regresí reality. Numerická regrese je matematický postup, který se náhodně získané experimentální body snaží proložit nějakou matematicky vyjádřitelnou křivkou, definovanou pomocí svých parametrů. Nejjednodušší regrese je tzv. lineární, prokládající body přímkou, která je popsána dvěma parametry. Je zjevné, že přesnost numerické regrese s rostoucím počtem parametrů roste a činí model složitější a flexibilnější, což mnozi abstraktně uvažující teoretici doslova milují, protože tím získávají pocit, že jejich přístup umožňuje popsat, cokoliv si zamanou - tím více, čím méně mu vlastně rozumějí.

I proto se tehdejší věda držela geocentrického modelu jako klíště ještě dlouho po Galileově smrti a definitivně jej opustila teprve s objevem hvězdné paralaxy o sto let později, kdy bylo i z insintrického pohledu pozorovatele uvnitř sluneční soustavy jasné, že původní Ptolemaiův model je neudržitelný. Když se však na tím zamyslíme, tento zdánlivě opatrnický a tmářský postoj byl ve své podstatě výsledkem důsledného uplatňování současné vědecké metody! Charakteristický pro tento postoj je ignorování triviálních logických argumentů (např. známý Galileův rozpor v pozorování fází Venuše) ve prospěch monumentálních formálních konstrukcí matematiky a geometrie. Zatímco logické rozpory teorie jsou intuitivně uvažujícímu člověku zcela zřejmé, matematicky je lze vyjádřit obtížně (pokud vůbec) - proto jsou formálně uvažujícími teoretiky ignorovány. I proto se domnívám, že dnes by se Galileovi s jeho primitivními argumentačními prostředky v současné vědě nevedlo o mnoho lépe, než kdysi - nebyl by sice mainstreamem ostrakizován ve snaze jej umlčet - ale vzhledem k obrovskému objemu dnešních informací by byl jednoduše ignorován se stejným praktickým výsledkem.

Logický důkaz heliocentrického modelu pomocí fází Venuše

Velmi podobná situace se opakovala o třista let později s éterovou teorií s tím rozdílem, že zde k historickému vyrovnání dosud nedošlo. Poměrně brzy byly známým Michelson-Morleyho experimentem vyvráceny modely tzv. řídkého éteru, který vyplňoval prostor a prostupoval hmotnými tělesy. Klasický tzv. světlonosný éter atomistů Leucippa a Démokrita je však zcela jiný model: prostor nevyplňuje, ale tvoří - stejně jako tvoří hmotná tělesa. Protože světlo může nabývat vysokých hustot energie (např. v rentgenovém nebo gamma záření), světlonosný éter musí být ještě mnohem hustší a pevnější, aby byl tyto změny schopen přenášet v podobě vln - řiďounký éter takové tvrdé záření přenášet nemůže. Takto přímočaře logicky ale před sto lety lety téměř nikdo neuvažoval a světlonosný éter byl bez problému považován za řiďounké nehmotné prostředí, který jen nepatrně ovlivňuje pohyb hmotných těles a šíření světla. Ojedinělé názory vnímavých jednotlivců, jako Oliver Lodge byly oponovány i samotnými éteristy a příslušníky mainstreamu, kteří se v té době zabývali novou teorií relativity byly jednoduše ignorovány. Přispěly k tomu i omyly některých éteristů, jako např. Maxwella, který ve své době popisoval pouze elektromagnetické vlny s nízkou hustotou energie a proto se domníval, že by se světlonosný éter mohl projevit strháváním referenčního rámce viditelného světla - což bylo M-M experimenty vyvráceno a teorie relativity se zde projevila jako úspěšnější model. Ve skutečnosti ke strhávání a rozptylu světla na fluktuacích vakua dochází, avšak zřetelně se projevuje až při mnohem vyšších hustotách energie.

Záhy poté se vynořila nová teorie, kvantová mechanika a od té doby formální teoretické fyzice nastaly potíže. Mnohé předpovědi kvantové mechaniky se totiž od předpovědí teorie relativity liší - a to tak, že hodně. Rozdíly v rozpětí mnoha desítek ba i stovek řádů zde nejsou žádnou výjimkou, což se nejmarkatněji projevuje v odhadech hustoty energie vakua a z ní vyplývající tzv. kosmologické konstanty, popisující rychlost rozpínání vesmíru. Albert Einstein jako objevitel relativity s kvantovou mechanikou v ideologické rovině houževnatě bojoval, všechny jeho pokusy však vedly naopak k posílení této teorie - paradoxně dostal Nobelovu cenu za fotoelektrický jev, popisovaný právě teorií, vůči které celý život vystupoval. Od té doby se formální fyzika rezignovaně vyvíjí jako provázaný systém dvou duálních teorií, a všechny dosavadní pokusy fyziků tyto teorie sjednotit narazily na neúspěch. Jak jsem vysvětloval dříve, je tomu tak proto, že tyto dvě teorie nejsou vnitřně konzistentní: relativita popisuje realitu z vnitřní (insintrické) perspektivy gravitací deformovaného pozorovatele, zatímco kvantová mechanika na tytéž deformace časoprostoru striktně uplatňuje vnější, exsintrický pohled.

Protože si však současná fyzika tento problém odmítá uvědomit, snaží se sjednotit oba pohledy dohromady abstraktním matematickým popisem - ačkoliv tím zjevně popírá principy logiky a kauzální geometrie: stejně jako není možné kompletně nakreslit jeden a tentýž dům zevnitř a zvenku současně, není možné pomocí jakékoliv kompletní kombinace dvou teorií předpovídající různé výsledky dospět ke shodným výsledkům. Vždy je nutné jeden či více postulátů druhé teorie tiše vypustit nebo opomenout, popř. přidat jeden nebo několik postulátů nových a výsledkem je rychle rostoucí chumáč příbuzných, ovšem vzájemně stále nekonzistentních teorií, které však zaměstnávají usilovně pracující matematiky po celém světě. Jelikož jsou předpovědi teorie relativity a kvantové mechaniky v jednotlivých modelových případech velmi dobře ověřeny, teoretická fyzika na nich houževnatě lpí i přesto, že výchozím postulátům těchto teorií nijak nerozumí - otázkou zůstává, zda je právě takový postoj optimální cestou k hlubšímu pochopení reality.

Dualita přístupů mimo jiné odkrývá mezeru v současné intepretaci Popperovy vědecké metodologie, podle které k vyvracení jakékoliv vědecké teorie stačí jediný experiment, který jejím předpovědím odporuje. Zapomíná se však na to, že i intepretace tohoto experimentu a negace původní teorie je novou teorií, která by měla být testována stejně pečlivě, jako ta původní. Popperova metodologie je z tohoto hlediska zcela symetrická a neposkytuje tedy jednoznačné vodítko pro falsifikaci nových teorií, protože její kritéria lze snadno obrátit.

Z hlediska éterové teorie má duální přístup svou logiku, protože fyzikům umožňuje v izolovaných konkrétních případech popsat realitu přesněji podobně, jako když pozorujeme své okolí dvěma očima zároveň a můžeme tak lépe odhadovat vzdálenost. Díky tomu však každý předmět pozorujeme ze dvou různých stran a tyto pohledy se nám při pozorování zblízka tříští do chaosu kvantové neurčitosti, se kterou na malých rozměrových délkách realitu vnímáme, ve vzdálenější perspektivě se naopak tříští do množství vzájemně nekonzistentních teorií. Absence jednotného konzistentního pohledu pak brání realitu uchopit logikou a intuicí - zde se nůžky formálního a intuitivního pohledu jednoznačně rozbíhají.

Současná fyzika se vydala obtížnější a náročnější cestou formálního popisu reality. To by jistě respektovatelné a koneckonců i chválihodné, kdyby tento popis nebyl současně finančně a časově náročnější pro zbytek společnosti, která tento výzkum financuje - vede totiž k redundanci fyzikálních modelů, které současná věda neúnavně chrlí, protože je placena za publikace - nikoliv za zjednodušení současných teorií a prokazatelně se v nich dávno sama neorientuje. Což je patrné zvláště na tom, jak spolu proponenti jednotlivých modelů navzájem po internetu válčí, často zcela neurvale - ačkoliv mnohdy vycházejí z předpokladů a postulátů stejných teorií. V neposlední řadě se tím teoretická fyzika definitivně vzdala intuitivního náhledu na obor svého zkoumání, což mj. vede k odlivu zájmu veřejnosti o předmět fyziky jako takové. Myslím si, že je to škoda a že fyzikům tento přístup z dlouhodobého hlediska škodí - zejména proto, že zpřístupnit teoretickou fyziku intuitivním částicovým popisem není z hlediska éterového modelu zase tak obtížné. 

O něco horší dopad má absence intuitivního pohledu na celkovou efektivitu a strategii vědeckého výzkumu. Dochází zde k paradoxním situacím, kdy se seriózní a nákladné experimenty míjejí svým záměrem proto, že jsou špatně cílené. To by ještě nebyl takový problém, protože - jak známý fyzik Feynman kdysi žertem poznamenal - výzkum je když nevíme, co zkoumáme - pokud to víme, nejde o výzkum a vždycky přitom můžeme narazit na něco zcela neočekávaného. Ale současná fyzika mnohdy ignoruje nebo dokonce selektivně odfiltrovává zcela relevantní výsledky jen proto, že zprostředkovávají obrácenou perspektivu reality, kterou se pro změnu snaží dokázat zase jinými experimenty, zanedbávajíce přitom ty první. V dalším příspěvku se na některé nejkřiklavější příklady podíváme podrobněji.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

Související články