Stephen Hawking: Einstein álma

6

Álláspontom (*)


(*) Eredetileg előadás formájában hangzott el a Caius College hallgatósága előtt 1982-ben.
Ez a fejezet nem arról szól, hogy hiszek-e Istenben, vagy sem. Ehelyett ismertetni szeretném, hogy véleményem szerint hogyan lehet megérteni a világegyetemet, és mit jelent egy "mindenre érvényes" nagy egyesített elmélet? A kérdés valóban bonyolult. A filozófusok, akiknek az ilyen jellegű kérdések tanulmányozásával és megvitatásával kellene foglalkozniuk, nem rendelkeznek megfelelő matematikai ismeretekkel ahhoz, hogy a modern elméleti fizika fejlődésével lépést tudjanak tartani. Létezik azonban a filozófusoknak egy olyan alosztálya is, az úgynevezett tudományfilozófusok, akik jobb előképzésben részesültek. A tudományfilozófusok nagy része szakmájában sikertelen fizikus, aki nem képes új fizikai elméletek kidolgozására, hanem ehelyett inkább a fizika filozófiai kérdéseivel foglalkozik. A tudományfilozófusok még mindig a század első éveinek tudományos elméleteiről, főként a relativitásról és a kvantummechanikáról vitatkoznak, a fizika legújabb eredményeivel nem kerülnek kapcsolatba.

      Lehet, hogy egy kicsit keményen bánok a filozófusokkal, de ők sem viselkednek túl kedvesen velem. Elméletemet naivnak és együgyűnek nyilvánították. Engem pedig felváltva nominalistának, instrumentalistának, pozitivistának, realistának és számos egyéb istának kiáltottak ki. A rágalmazva cáfolás módszerét alkalmazták, amely szerint ha az elméletet be lehet sorolni valamilyen kategóriába, a cáfolatot már nem is kell részletesen kifejteni. Valamennyien ismerjük az efféle izmusok végzetes tévedéseit.

      Azok az emberek, akik az elméleti fizika tényleges eredményeit megalkotják, nem is gondolnak azokra a kategóriákra, amelyeket a filozófusok és a tudománytörténészek később kitalálnak nekik. Biztos vagyok benne, hogy Einsteint, Heisenberget és Diracot nem érdekelte, hogy vajon realistának vagy instrumentalistának minősülnek-e. Csak az foglalkoztatta őket, hogy a létező elméletek ellentmondanak egymásnak. Az elméleti fizika fejlődése szempontjából sokkal fontosabb tényezőt jelentett a logikusságra és ellentmondásmentességre való törekvés, mint a kísérleti eredmények. Egyébként sok elegáns és csodálatos elméletet elvetettek már, mert nem állt összhangban a megfigyelésekkel, de nem ismerek egyetlen fontosabb elméletet sem, amely kizárólag kísérleti eredmények alapján alakult volna ki. Először mindig az elmélet jön létre, mert elegáns és ellentmondásoktól mentes matematikai modellre van szükség. Az elmélet lehetőséget nyújt bizonyos előrejelzésekre, amelyeket megfigyelésekkel lehet ellenőrizni. Ha a megfigyelések összhangban állnak az előrejelzésekkel, ez nem jelenti az elmélet igazolását, de az elmélet fennmarad és alkalmazásával újabb előrejelzéseket lehet készíteni, ezeket pedig újabb megfigyelésekkel lehet ellenőrizni. Ha viszont a megfigyelések nem egyeznek az elméleti előrejelzésekkel, akkor az elméletet elvetik.

      Valószínűleg inkább úgy kellene fogalmaznom, hogy feltehetően ez történik. A gyakorlatban az emberek nagyon vonakodva adják fel azt az elméletet, amelynek kidolgozásába sok időt és energiát fektettek. Általában inkább a megfigyelések pontosságában kételkednek. Ha ez nem vezet eredményre, akkor megpróbálják az adott esetre módosítani az elméletet. Előfordul, hogy az elmélet építménye csúnyán recsegni-ropogni kezd. Ekkor aztán valaki új elmélettel áll elő, amely a kényelmetlen megfigyeléseket elegáns és természetes módon megmagyarázza. Jó példa erre az 1887-ben elvégzett Michelson-Morley-kísérlet, amely szerint a fény sebessége mindig azonos - függetlenül attól, hogy a fényforrás vagy a megfigyelő mozog-e, vagy sem. Ez a megfigyelés képtelenségnek tűnt. Ha valaki a fény felé halad, annak azt kellene észlelnie, hogy a fény nagyobb sebességgel terjed, mint abban az esetben, ha a megfigyelő a fénnyel azonos irányban mozog; a kísérletek során viszont mindkét irányban mozogva pontosan ugyanazt a sebességet mérték. Az ezt követő tizennyolc év során számos kutató, pl. Hendrik Lorentz és George Fitzgerald megpróbálta ezt a kísérleti eredményt a térről és az időről akkoriban elfogadott elgondolások keretein belül értelmezni. Az adott esetre vonatkozó posztulátumokat vezettek be, pl. feltételezték, hogy a nagy sebességgel mozgó testek megrövidülnek. A fizika egész felépítménye csúnyává és nehézkessé vált. És ekkor (1905-ben) Einstein egy sokkal tetszetősebb elgondolást terjesztett elő, amelyben az idő nem különálló és független dolog, hanem a térrel együtt téridőnek nevezett négydimenziós rendszert alkot. Einsteint nem annyira a kísérleti eredmények vezették erre az elgondolásra, hanem inkább az a vágy, hogy ellentmondásmentes módon összeillesszen két fizikai elméletet. E kettő az elektromos és mágneses térre vonatkozó törvényeket, valamint a testek mozgására vonatkozó törvényeket meghatározó elmélet volt.

      Azt hiszem, 1905-ben sem Einstein, sem bárki más nem volt igazán tudatában annak, hogy milyen egyszerű és milyen elegáns a relativitás új elmélete. Teljesen forradalmasította az időről és a térről alkotott elképzelésünket. Ez a példa jól szemlélteti, milyen bonyolult dolog tudományfilozófiai szempontból realistának lenni, hiszen az, amit realitásnak tekintünk, az elfogadott elméletektől is függ. Biztos vagyok benne, hogy Lorentz és Fitzgerald realistának tekintették magukat, mikor a fénysebességgel kapcsolatos kísérleteket megpróbálták Newton elméletének megfelelően az abszolút térben és abszolút időben értelmezni. Úgy tűnt, ezek a térről és időről alkotott elképzelések megfelelnek szokásos realitásérzetünknek. Ma mégis egészen más a véleményük azoknak, akik ismerik a relativitáselméletet. Egyelőre ugyan még nyugtalanító kisebbségben vagyunk, de nekünk kellene terjeszteni az ilyen alapvető fogalmak, mint a tér és az idő modern jelentését.

      Hogyan lehet a realitás filozófiánk alapja, ha elméleteinktől függ, hogy mit tekintünk reálisnak? Én realistának tartom magam abban az értelemben, hogy úgy gondolom, létezik körülöttünk a világegyetem, amely arra vár, hogy tanulmányozzuk és megértsük. Szerintem egyszerűen időpocsékolás azzal a szolipszista (szélsőségesen szubjektív idealista) állásponttal foglalkozni, amely szerint minden csak a képzeletünk teremtménye. Senki sem ezen az alapon érvel. De a világegyetem esetében elmélet nélkül egyszerűen nem tudjuk felismerni, mi a valóság, a realitás. Ezért az a véleményem, amit egyébként együgyűnek és naivnak nyilvánítottak, hogy a fizikai elméletek egyszerűen matematikai modellek, amelyeket a kísérleti eredmények leírására használunk. Egy elmélet akkor jó, ha modellként elegáns, ha nagyszámú ismert megfigyelést helyesen ír le és ha képes előre jelezni újabb megfigyelések eredményeit. Ezen túlmenően nincs értelme feltenni azt a kérdést, hogy megfelel-e a valóságnak, mivel nem tudjuk, mi az elmélettől független valóság. A tudományos elméletek ilyen felfogása miatt lettem instrumentalista vagy pozitivista - mint említettem, mindkettőnek kikiáltottak már. Az, aki pozitivistának nevezett, még azt is hozzátette, hogy a pozitivizmus tudvalevően kiment már a divatból - a rágalmazással történő cáfolás újabb példája. Talán a pozitivizmus mint a közelmúlt intellektuális hóbortja valóban kiment a divatból, de az általam körvonalazott pozitivista álláspont továbbra is az egyetlen lehetséges megközelítésnek tűnik azok számára, akik új törvényeket és új módszereket keresnek a világegyetem leírására. Nem lehet közvetlenül a valósághoz fordulni, mert a modellektől függetlenül nem tudunk képet alkotni róla.

      Véleményem szerint a modelltől független valóságba vetett hit az alapvető oka annak, hogy a tudományfilozófusoknak a kvantummechanika és a határozatlansági elv problémát jelent. Vegyük a Schrödinger macskájának nevezett híres gondolatkísérletet. Eszerint egy macskát dobozba zárnak, a dobozra pedig fegyvert irányítanak. A fegyver akkor sül el, ha egy radioaktív atommag elbomlik. Ennek az eseménynek a valószínűsége ötven százalék. (Manapság senkinek nem jutna eszébe, hogy ilyen kísérletet merjen javasolni, még gondolatkísérlet formájában sem, de Schrödinger idejében még keveset lehetett hallani az állatvédőkről.)

      Ha a dobozt kinyitjuk, a macskát élve vagy holtan találjuk, a doboz kinyitása előtt azonban a macska kvantumállapota a halott és az élő állapot keveréke. Ezt az eredményt néhány tudományfilozófus szerint nagyon nehéz elfogadni: Azzal érvelnek, hogy a macska nem lehet félig halott, félig pedig élő, ugyanúgy ahogy félig terhes sem lehet senki. Problémájuk onnan adódik, hogy hallgatólagosan a valóság klasszikus fogalmát alkalmazzák, amely szerint minden dolog egyetlen meghatározott előzmény következménye. A kvantummechanika lényege viszont éppen az, hogy a valóságot másképp szemléli. Eszerint a dolgoknak nem csak egyetlen, hanem az összes lehetséges történelme létezik. Egy adott történelem valószínűsége a legtöbb esetben kizárja a tőle csak elenyészően különböző történelmek valószínűségét is; bizonyos esetekben azonban a hasonló történelmek valószínűsége egymást erősíti és ilyenkor a nagyobb valószínűségű történelmek egyikét figyelhetjük meg a dolog előzményeként.

      Schrödinger macskájának esetében a doboz kinyitása előtt két nagyobb valószínűségű múlt létezik. Az egyikben a macskát lelövik, a másikban a macska életben marad. A kvantumelmélet szerint mindkét lehetőség fennáll. Néhány filozófus azonban ebbe nem tud belenyugodni, mert vakon feltételezi, hogy a macskának csak egyetlen múltja lehet.

      Az idő jellege is olyan terület, amelynek esetén a fizikai elméletek határozzák meg a valóságról alkotott fogalmainkat. Régebben magától értetődőnek tekintettük, hogy az idő örökké előrehalad, bármi történjen is. A relativitáselmélet azonban összekapcsolta az időt a térrel és kimondta, hogy a világegyetemben található anyag és energia hatására mind az idő, mind a tér torzulhat, azaz görbült lehet. Ezért az időről alkotott képünk megváltozott, mai felfogásunk szerint az idő nem független a világegyetemtől, hanem éppenséggel a világegyetem alakítja. Már az is elképzelhető, hogy egy bizonyos időpontot megelőzően az idő definiált fogalma egyszerűen még nem is létezett. Időben visszafelé haladva olyan áthatolhatatlan akadályba, szingularitásba ütközhetnénk, amelyen lehetetlen túljutni. Ha ez lenne a helyzet, nem lenne értelme feltenni a kérdést, ki vagy mi hozta létre illetve okozta az ősrobbanást. Ha oksági viszonyról vagy teremtésről beszélünk, hallgatólagosan feltételezzük, hogy az idő az ősrobbanás szingularitása előtt is létezett. Huszonöt éve tudjuk, hogy az időnek Einstein általános relativitáselméletéből következően tizenötmilliárd évvel ezelőtt egy szingularitásban kellett kezdődnie. A filozófusok azonban még mindig nem tudták ezt felfogni. Még mindig a kvantummechanika hatvanöt évvel ezelőtt lefektetett alapjait boncolgatják. Nem veszik észre, hogy a fizika súlypontja ma már egész más területre tevődött át.

      Még ennél is rosszabb a helyzet a képzetes (imaginárius) idő matematikai fogalma körül, amelynek felhasználásával Jim Hartle és jómagam javasoltuk, hogy a világegyetemnek sem kezdete, sem vége nincs. A képzetes idő fogalmának használata miatt egy tudományfilozófus aztán durván megtámadott. Azzal érvelt, hogyan lehet a képzetes időhöz hasonló matematikai trükknek bármi köze a valós világegyetemhez. Véleményem szerint ez a filozófus nem volt tisztában a valós és a képzetes számok matematikai fogalma, valamint a valós és képzetes szavak hétköznapi jelentése közötti különbséggel. Ez a példa is jól megvilágítja az általam felvetett kérdést: hogyan ismerhetnénk a valóságot az értelmezésére használt elméletektől és modellektől függetlenül?

      A relativitáselmélet és a kvantummechanika területéről vett fenti példákon azt akartam bemutatni, milyen kérdésekkel találja szemben magát az ember, ha a világegyetemről próbál képet alkotni. Ebből a szempontból nem lényeges, hogy a hallgatóság vagy az olvasó érti-e a relativitáselméletet és a kvantummechanikát, sőt még az sem, hogy a két elmélet egyáltalán helyes-e. Remélem, sikerült érzékeltetnem, hogy a világegyetem megértésének egyetlen módja - legalábbis az elméleti fizikusok számára - egyfajta pozitivista megközelítés, amely az elméletet modellnek tekinti. Bízom benne, hogy sikerülni fog olyan ellentmondásmentes modellt találnunk, amely mindent leír a világegyetemben. Ha ez bekövetkezik, valódi diadalt jelent majd az emberiség számára.