Lars-Göran Johansson

Filosofiska frågeställningar om strängteori


Strängteori är ett försök att förena relativitetsteori och kvantmekanik till en sammanhängande teori och många forskargrupper har de senaste 20 åren varit verksamma. Man kan ställa ett antal filosofiska frågor om strängteori, varav projektet särskilt kommer att behandla följande: Eftersom det hittills har visat sig omöjligt att testa strängteori, så kan man fråga sig hur den skall rättfärdigas såsom en vetenskap. Är det fysik eller metafysik? Många hoppas att strängteorin skall sätta oss istånd att härleda ett antal empiriskt bestämda parametrar i fysiken. Om det lyckas, kan det räknas som evidens för teorins sanning? Detta är en instans av den klassiska frågan om enkelhet skall anses vara ett argument för en teoris sanning. Strängteorin postulerar flera extra rumsdimensioner, lite olika i olika varianter av teorin. Vilken ontologisk status har dessa: Är det blott matematiska verktyg eller har de fysikalisk realitet? Projektet kommer att knyta an till den klassiska debatten om rummets och tidens natur som startade med Leibniz-Clarke-debatten och fortsatte med Kants teori att rum och tid är åskådningsformer. Strängteorin utvecklas snabbt trots att inga empiriska tester utförs. Vilka överväganden driver forskarna att modifiera, ändra och förkasta olika teorivarianter? Projektet kommer att studera denna fråga genom att jämföra med andra perioder i fysikens historia och därvid använda Lakatos' filosofi som en utgångspunkt.

Lars-Göran Johansson, filosofiska institutionen, Uppsala universitet

2006-2012

Filosofiska frågor om strängteori
Syfte.
Projektets syfte har varit att diskutera några filosofiska frågor i anslutning till strängteorin. Vi har valt att koncentrera oss på följande frågeställningar:
1. Strängteorin har, trots flera decenniers arbete, inte producerat några (nya) testbara empiriska konsekvenser: skall vi därav dra slutsatsen att strängteorin inte längre kan rättfärdigas som en vetenskaplig teori, med argumentet att detta är ett absolut nödvändigt krav på varje vetenskaplig teori?
2. Strängteorin kräver sex extra rumsdimensioner, som vi inte har observerat. Dessa dimensioner antas därför vara kompaktifierade. Vilken ontologisk status har dessa dimensioner: är det blott matematiska dimensioner utan någon fysikalisk tolkning, eller skall de ses som dimensioner av det fysiska rummet?
3. Strängteorin har utvecklats snabbt och många teoretiska fysiker arbetar inom området, trots bristen på testbara konsekvenser. Vad är drivkraften bakom dessa ansträngningar? Lakatos teori om forskningsprogram är ett lämpligt ramverk för denna diskussion.
4. Strängteorin föreligger i fem olika versioner, vilka är relaterade till varandra via s.k. dualiteter. De olika versioner förefaller säga helt olika saker om strängarnas egenskaper, men de ger trots detta samma partiklar, symmetrier och spridningsamplituder. Skall vi dra slutsatsen att de fem olika versionerna blott är olika formuleringar av samma teori, eller är det olika teorier, som beskriver olika fysiska situationer? Om det senare är fallet, skulle vi ha ett exempel på underbestämning. Om det är olika versioner av samma teori, hur skall vi då se på de teoretiska skillnaderna?

Väsentliga resultat

1. Vi har utvärderat strängteorin med användning av, i tur och ordning de fyra allmänna metodologierna som varit aktuella I den vetenskapsfilosofiska debatten: logisk positivism, falsifikationism, Kuhns teori om normalvetenskap och revolutioner samt Lakatos teori om forskningsprogram. Ingen av dessa metodologier kan användas för att definitivt avfärda strängteori som ovetenskaplig eller mogen för att förkastas, trots avsaknaden av testbara konsekvenser. Omvänt har vi använt strängteorin som ett exempel på ett pågående forskningsprogram om vilket vi inte vet om det kommer att lyckas eller visa sig vara en återvändsgräng, för att bedöma tillämpbarheten och rimligheten av dessa fyra metodologier. Det är viktigt att kunna använda forskningsprogram om vilka vi inte vet utfallet för att bedöma dessa metodologier. Vi har dragit slutsatsen att ingen av dem kan användas som hjälpmedel för beslutsfattare eller forskare vid valet av vilka teorier man skall satsa på.
2. Vi har funnit rätt starka skäl att anse att de extra kompaktifierade dimensionerna i strängteorin bör ses som rent matematiska dimensioner utan motsvarighet i den fysiska världen, även om strängteorin skulle visa sig vara approximativt riktig. Ett skäl är existensen av den s.k. AdS/CFT-korrespondensen. Den säger att en strängteori i X dimensioner är empiriskt ekvivalent (i den mening som ovan preciserats) med en konform fältteori X-1 dimensioner. De extra dimensionerna har ungefär samma roll som gaugevariabler, som exempelvis fasen i den elektromagnetiska potentialen.
3. Olika versioner av strängteorin förefaller säga olika saker om t.ex. strängarnas längd eller storleken på de kompaktifierade dimensionerna. Dessa versioner är duala, vilket innebär att de förutsäger samma partiklar, samma symmetrier och samma spridningsamplituder. Dessa dualiteter ger oss goda skäl att anse att det inte är fråga om olika teorier utan olika formuleringar av fysikaliskt sett samma teori. Att strängteori förekommer i fem olika versioner är i så fall inte ett fall av underbestämning. Vi har dock inte givit något generellt kriterium för identitet eller ekvivalens mellan teorier.

De två viktigaste artiklarna är:

1. String Theory and General Methodology: a Mutual Evaluation.
2. String Theory and Spacetime.
Den första artikeln utgör, som titeln säger, en ömsesidig utvärdering, såsom ovan beskrivits under rubriken 'resultat'.
Den andra artikeln är en analys av hur vi använder begreppet dimension, dels i matematik, dels i fysik. Det är okontroversiellt att matematiska och fysiska dimensioner är olika saker och den centrala frågan är vad som skall krävas för att en dimension i en matematiskt formulerad teori skall kunna tolkas som en dimension av det fysiska rummet. Strängteorin är en teori som 'lever' på en bakgrund av en 10-dimensionell mångfald. Det visar sig att pga. dualiteterna så kan de extra dimensionerna i denna mångfald inte ges fysikalisk signifikans, varken i topologiskt eller metriskt avseende. Detta är enligt vår mening ett starkt skäl till att hävda att dessa dimensioner blott skall betraktas som matematiska verktyg.
Förutom dessa två artiklar har vi färdigställt en artikel. Dessa tre är tillgängliga på http://www.anst.uu.se/lajoh623/projekt.

Nya forskningsfrågor

Under arbetet med projektet har vi funnit ytterligare två aspekter på strängteorin som har filosofiskt intresse. Den ena är förslagen från Susskind m.fl. om ett s.k. 'landskap' av realiserade världar, där varje värld karakteriseras av en beskämd kombination av värden på naturkonstanterna. Denna hypotes är ett sätt att förklara det faktum att naturkonstanterna har de speciella värden de har i vår värld, trots att dessa värden inte entydigt kan härledas ur grundläggande principer. Hypotesen är således att vår värld endast är en bland en stor mängd realiserade världar, var och en med sin kombination av värden. med Denna spekulativa hypotes har vissa likheter med mångvärldstolkningen i kvantmekaniken. Den påminner även om David Lewis form av modal realism. En av oss, Matsubara, har påbörjat arbetet med en artikel som jämför och diskuterar dessa mångvärldsteorier.
Den andra aspekten är den starka önskan hos strängteoretiker, och fysiker i allmänhet, att finna en enda enhetlig teori som förklarar alla fysikaliska fenomen. Detta teoretiska mål tycks vara allmänt omfattat. Detta synsätt ger stöd åt tanken att förklaring är en form av förening av disparata element, 'unification'. Idén har tidigare diskuteras av bl.a. Friedman och Kitcher, men svårigheterna att formulera en tillfredställande modell för vetenskapliga förklaringar som har denna struktur har varit betydande. Detta har givit ny oss inspiration att vidareföra diskussionen om unification i vetenskapsteorin. En artikel med detta syfte är under arbete.


Publikationer

Lars-Göran Johansson and Keizo Matsubara:
 1. ‘String theory and general methodology: a mutual evaluation.’, in Studies in History and Philosophy of Modern Physics 42 (2011) 199–210.
2. ‘String theory and spacetime.’ Submitted to Philosophy of Science
3. K. Matsubara: ‘Realism, underdetermination and string theory dualities.’ Submitted to Synthese.
These papers can be found at http://www.anst.uu.se/lajoh623/projekt/

Work still in progress:
K. Matsubara: ’The many worlds of Physics and Philosophy.’
L-G Johansson: ‘Explanation, Unification and String Theory.’