Åbenbarer videnskaben den absolutte sandhed om virkeligheden?
Indledning:
For at en hypotese, idé eller endda en kendsgerning eller lov kan blive en videnskabelig sandhed, skal den bestå en enorm mængde beviser og en række grundige tests for at nå dertil. Men det, vi kalder en "videnskabelig sandhed", er meget forskelligt fra vores almindelige idé om sandt vs. falsk eller rigtigt vs. forkert. Selvom videnskaben altid søger sandheden, kan ingen af dens konklusioner nogensinde betragtes som absolutte. Ikke desto mindre er den, på trods af denne begrænsning, den bedste guide til virkeligheden, vi har.
Vi taler ofte om at søge efter sandhed i verden og finder os selv i konflikt med mennesker, der søger den anderledes end vi gør. Men på mange måder er den menneskelige videnskabelige bestræbelse den ultimative stræben efter sandhed: sandheden om vores virkelighed, som den deles af hver og en af os. Ved at stille den naturlige verden og universet spørgsmål om sig selv, søger vi at få en forståelse af:
+hvordan universet er,
+hvad reglerne er, der styrer det,
+og hvordan tingene blev, som de er i dag.
Videnskab er hverken en samling af fakta eller blot en proces, men snarere kombinationen af begge dele. Videnskab er på én gang den fulde pakke af viden, som vi får ved at observere, måle og udføre eksperimenter, der tester universet, såvel som den proces, hvorigennem vi udfører disse undersøgelser og forfiner vores konklusioner baseret på et stadigt stigende datasæt.
Det kan være let at se, hvordan vi får viden fra denne bestræbelse, men det er mindre klart, hvordan denne viden fører til en tilnærmelse af "sandheden" om vores virkelighed. Hvordan når forskere frem til ideen om en videnskabelig sandhed? Når vi når dertil, hvor tæt beslægtede er disse videnskabelige sandheder så med vores forestillinger om "absolut sandhed"? Og mere eksplicit, hvad er grundlaget for, at vi videnskabeligt afgør, om noget er sandt eller usandt? Hvorpå vi videnskabeligt afgør, om noget er sandt eller usandt?
Når vi taler videnskabeligt, er begrebet "sandhed" noget helt andet end den måde, vi bruger det i vores daglige tale og erfaring. Her er, hvordan man forstår den videnskabelige anvendelse af ordet sandhed, herunder hvad det betyder og ikke betyder for vores virkelighed.
En af de store gåder i 1500-tallet var, hvordan planeter bevægede sig på en tilsyneladende retrograd måde. Dette kunne enten forklares gennem Ptolemaios' geocentriske model (venstre) eller Kopernikus' heliocentriske model (højre). At få detaljerne korrekte med vilkårlig præcision var dog noget, ingen af dem kunne. Begge modeller har ringe forudsigelseskraft; de kunne ikke detaljere orbitale egenskaber for en hypotetisk yderligere planet på samme måde som en mere konkret fysisk teori, som Newtons eller Einsteins tyngdekraft, senere ville gøre.
Lad os overveje følgende udsagn: "Jorden er rund."
Hvis du ikke er videnskabsmand (forudsat selvfølgelig, at du heller ikke er fladjords-tilhænger), tænker du måske, at dette udsagn er uangribelig. Du tænker måske på "Jordens rundhed" som et udsagn, der er fuldstændig videnskabeligt sandt. Under de fleste omstændigheder bør disse instinkter betragtes som korrekte. Faktisk er det at sige, at "Jorden er rund", både en gyldig videnskabelig konklusion og også en etableret videnskabelig kendsgerning, især hvis det, du gør, er at kontrastere en rund Jord med en flad Jord.
Der er dog altid en ekstra nuance og forbehold i spil, især hvis du er villig til at se på problemet med større sans for detaljer end det simple "rund vs. flad" spørgsmål. Hvis du skulle måle Jordens diameter på tværs af vores ækvator, ville du få en bestemt værdi: 7926 miles (eller 12.756 km). Hvis du derefter målte diameteren i en anden retning, fra nordpolen til sydpolen, ville du få en lidt anden værdi: 7901 miles (12.714 km). Disse forskelle er små, på omkring 0,3%, men de er meget reelle. Jorden er ikke en perfekt kugle, men har snarere en næsten sfærisk form, der buler ud ved ækvator og er komprimeret ved polerne: det, der er kendt som en oblat sfæroide.
Jordens diameter ved ækvator er 12.756 km, mens den ved polerne kun er 12.714 km. Du er 21 kilometer tættere på Jordens centrum ved Nordpolen end du er ved ækvator. Denne forskel skyldes i høj grad Jordens rotation om sin akse og viser sig som en vigtig effekt i Jordens tyngdefelt, der varierer med breddegraden.
For en videnskabsmand illustrerer eksemplet med en rund Jord ekstremt godt de forbehold, der er forbundet med et udtryk som "videnskabelig sandhed". Når forskere bruger et udtryk som "videnskabelig sandhed", taler de ikke om sandhed i absolut forstand, men snarere om hvorvidt dette forsøg på en sandhed er en bedre tilnærmelse af vores virkelighed end noget andet alternativ, vi er nået frem til indtil videre. Jo, det er mere sandt, at Jorden er en kugle, end at Jorden enten er en skive eller en cirkel; i den forstand er Jorden rund.
Men det er ikke en absolut sandhed, at Jorden er en perfekt rund kugle, hvor alle punkter på overfladen er lige langt fra Jordens sande centrum. Det er mere korrekt at kalde Jorden en oblat sfæroide i modsætning til en kugle, for eksempel, da den form giver en mere præcis beskrivelse af Jordens form. Og hvis vi skal være så stringente som muligt, må vi erkende, at det at kalde Jorden en oblat sfæroide heller ikke nødvendigvis er den absolutte sandhed.
Der er overfladetræk på Jorden, der viser betydelige afvigelser fra en glat form, som enten en kugle eller en oblat sfæroide. Der er:
+bjergkæder,
+floder,
+dale,
+plateauer,
+dybe oceaner,
+skyttegrave,
´+højderygge,
+vulkaner,
og mange andre træk, der afviger fra "glatheden" på Jordens overflade. Der er steder, hvor landet strækker sig mere end 29.000 fod (næsten 9.000 meter) over havets overflade, og steder, hvor du ikke rører Jordens overflade, før du er 36.000 fod (11.000 meter) under havets overflade.
Fra en dybde på over 7.000 meter i Marianergraven arbejder undervandsfartøjet 'Jiaolong' på at fotografere levende planter og dyr langs havbunden i det vestlige Stillehav. Marianergraven er den dybeste levende fisk i verden og strækker sig helt ned til dybder på 8145 meter. Marianergraven indeholder den dybeste del af verdenshavene.
Eksemplet med at undersøge Jordens sande form og forfine vores modeller af den, så de bedre matcher den form, vi måler med større og større præcision, giver os et indblik i, hvordan forskere tænker om "sandheden" i virkeligheden. Desuden fremhæver det et par vigtige måder, hvor videnskabelig tænkning adskiller sig fra, hvordan vi tænker i daglig tale. Dette kan opsummeres i tre udsagn, som alle kan være ukendte for en ikke-videnskabsmand.
Begrebet "absolut sandhed" er ikke noget, vi bekymrer os om eller endda forsøger at bevise på en videnskabelig måde. Der er ingen absolutte sandheder i videnskaben; der er kun omtrentlige sandheder, og "godheden" af en sandhed afhænger af, hvor godt den stemmer overens med eksperiment, observation og det, vi måler.
Om vi med rette kan betragte en udtalelse, teori eller ramme som sand (eller ej), afhænger af kvantitative faktorer og målte mængder af "hvor meget" i modsætning til kvalitative faktorer, såsom om et fænomen eksisterer eller ej. Jo mere nøje du undersøger eller måler de resultater, der tester dine kvantitative forudsigelser, jo mere robust kan din idé etableres (eller afkræftes) som en videnskabelig sandhed.
Og måske mest dybtgående er det, at enhver videnskabelig teori kun har et begrænset gyldighedsområde, som den er etableret over. Inden for dette område kan teorien ikke skelnes fra sand, uden for dette område er teorien ikke længere nødvendigvis sand, og den kan endda være kendt for ikke at være gyldig uden for det.
Dette repræsenterer en enorm forskel fra, hvordan vi almindeligvis tænker om fakta vs. fiktion, sandhed vs. løgn eller endda rigtigt vs. forkert.
Ifølge legenden blev det første eksperiment, der viste, at alle objekter faldt med samme hastighed, uanset masse, udført af Galileo Galilei på toppen af Det Skæve Tårn i Pisa. To objekter, der falder i et tyngdefelt, vil, i fravær af (eller bortset fra) luftmodstand, accelerere ned til jorden med samme hastighed og tilbagelægge en afstand, der er proportional med den tid, den er i frit fald, i anden potens. Kuglen "adskiller" sig heller ikke fra tårnet, hvilket nogle (fejlagtigt) forventede ville have været tilfældet, hvis Jorden roterer.
Hvis du for eksempel taber en bold på Jorden, kan du stille det kvantitative, videnskabelige spørgsmål om, hvordan dens bevægelse vil opføre sig. Ligesom alt andet på Jordens overflade kan vi være sikre på, at bolden, når den først er tabt (eller i frit fald), vil accelerere nedad med 9,8 m/s² (32 ft/s²). Dette er et godt svar set fra en videnskabsmands perspektiv, fordi det er så nyttigt, når vi er på Jordens overflade og har at gøre med de små accelerationer og lave hastigheder, vi er vant til at opleve. Videnskabeligt set er denne beskrivelse af en tabt bolds bevægelse en god tilnærmelse til sandheden om, hvad der observeres.
Inden for videnskaben kan man dog begynde at se dybere, og en mere omfattende overvejelse af problemet vil føre til, at man opdager, hvor (og hvordan) denne tilnærmelse ikke længere er sand. Hvis man udfører dette eksperiment ved havniveau, på forskellige breddegrader, vil man opdage, at accelerationen ved Jordens overflade faktisk varierer afhængigt af, hvor man befinder sig: fra 9,79 m/s² ved ækvator til 9,83 m/s² ved polerne. Hvis man rejser til højtliggende områder, vil man opdage, at accelerationen langsomt begynder at falde, mens accelerationen øges på dybere dybder. Og hvis man helt forlader Jordens tyngdekraft, vil man opdage, at denne regel slet ikke er universel, men snarere erstattes af en mere generel regel: loven om universel tyngdekraft.
Denne plakat illustrerer Apollo-missionens baner, muliggjort af Månens tætte nærhed til os. Newtons universelle gravitationslov er, på trods af at den er blevet erstattet af Einsteins generelle relativitetsteori, stadig så god til at være omtrent sand på de fleste solsystemskalaer, at den indkapsler al den fysik, vi har brug for for at rejse fra Jorden til Månen, kredse om den, lande på dens overflade (hvis vi ønsker det) og vende tilbage. Isaac Newton gjorde faktisk det meste af køreturen.
Hvad angår videnskabelige love, er denne endnu mere generelt sand. Newtons universelle gravitationslov kan forklare alle succeserne med "den runde Jord", som modellerer Jordens acceleration som en konstant, men den kan også gøre meget mere. Den kan beskrive kredsløbsbevægelsen af måner, planeter, asteroider og kometer i solsystemet, samt give succesfulde forudsigelser for, hvor meget du ville veje på nogen af de planeter, måner eller dværgplaneter, der er til stede. Den samme lov beskriver også, hvordan stjernerne bevæger sig rundt inde i galakser, og giver os endda mulighed for at forudsige, hvordan man sender en raket for at nå, kredse om og endda lande mennesker på Månen, hvilket giver ekstraordinært nøjagtige baner.
Men selv Newtons lov har sine grænser for, hvor godt den kan tilnærme sig sandheden om vores virkelighed. Når du:
+bevæger dig tæt på lysets hastighed,
+eller kommer meget tæt på en ekstremt stor masse,
+eller vil vide, hvad der sker på kosmisk skala (som i tilfældet med det ekspanderende univers),
kan Newton og hans lov om universel tyngdekraft ikke hjælpe dig. Til det formål er du nødt til at overgå Newton, hvis du vil have et svar, der stemmer overens med det, vi observerer og måler. I begyndelsen af det 20. århundrede var det netop overvejelser som denne, der førte menneskeheden til at bevæge sig videre end Newton og i stedet omfavne Einsteins generelle relativitetsteori
En illustration af gravitationslinser viser, hvordan baggrundsgalakser – eller enhver lysbane – forvrænges af tilstedeværelsen af en mellemliggende masse, men den viser også, hvordan selve rummet bøjes og forvrænges af tilstedeværelsen af forgrundsmassen. Når flere baggrundsobjekter er justeret med den samme forgrundslinse, kan flere sæt af flere billeder ses af en korrekt justeret observatør, eller endda en "Einstein-ring" i tilfælde af perfekt justering. Hvis en forbigående begivenhed, som en supernova, indtræffer i baggrundsgalaksen, vil den forekomme med tidsforsinkelser i de forskellige billeder.
For at finde baner for partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed, eller for at opnå meget præcise forudsigelser for Merkurs bane (solsystemets nærmeste og hurtigste planet), eller for at forklare den gravitationelle bøjning af stjernelys fra Solen (under en formørkelse) eller fra en stor massesamling (som i tilfældet med gravitationslinser ovenfor), giver Einsteins teori forudsigelser, der matcher det, vi observerer og måler, hvorimod Newtons ældre lov om universel gravitation fejler. Faktisk er hver observations- eller eksperimentel test, vi har udført på den generelle relativitetsteori, fra gravitationsbølger til selve rummets billedtræk, bestået med bravour.
Dette viser tydeligt, at Einsteins generelle relativitetsteori har mere forklarende kraft og er en bedre tilnærmelse af virkeligheden end alle de forsøg på at beskrive gravitation, der kom før den. Men betyder det, at Einsteins generelle relativitetsteori skal tages som "den videnskabelige sandhed"?
Når man anvender det på disse specifikke scenarier, er det absolut sandt i den forstand, at uanset hvor vi har været i stand til at teste det, har disse tests været i overensstemmelse med den generelle relativitetsteoris forudsigelser. Der er dog scenarier og omstændigheder, vi kan overveje, som alle endnu ikke er tilstrækkeligt testet, og hvor vi fuldt ud forventer, at den generelle relativitetsteori ikke vil give kvantitativt nøjagtige forudsigelser.
Selv to sorte huller, der smelter sammen og er en af de stærkeste kilder til gravitationssignaler i universet, efterlader ikke en observerbar signatur, der kan undersøge kvantegravitation. For at opnå det, bliver vi nødt til at lave eksperimenter, der enten undersøger relativitetsteoriens stærke feltregime, dvs. nær singulariteten, eller som udnytter smarte laboratorieopstillinger, der kan undersøge grænserne for klassisk generel relativitetsteori.
Der er mange spørgsmål, vi kan stille om virkeligheden, som kræver, at vi forstår, hvad der sker, hvor tyngdekraften er vigtig, eller hvor rumtidens krumning er ekstremt stærk: lige præcis der, hvor man gerne vil sætte Einsteins teori på den kritiske prøve. Men når de afstandsskalaer, man tænker på, også er meget små, er det ikke kun Einstein (og klassisk generel relativitet), der bør komme i spil; man forventer også, at kvanteeffekter er vigtige. Under disse forhold burde generel relativitetsteori alene ikke være i stand til at forklare hele spektret af, hvad vi forventer vil ske. Nogle spørgsmål, der kræver viden om tyngdekraften ud over Einsteins teori, omfatter følgende:
+Hvad sker der med en elektrons tyngdefelt, når den passerer gennem en dobbeltspalte?
+Hvad sker der med informationen fra de partikler, der kollapser og danner et sort hul, hvis det sorte huls endelige tilstand er at henfalde til termisk stråling?
+Og hvordan opfører et tyngdefelt/en tyngdekraft sig ved og omkring en singularitet?
Einsteins teori vil ikke bare give forkerte svar; den vil slet ikke have nogen fornuftige svar at tilbyde. I disse regimer ved vi, at vi har brug for en mere avanceret teori, såsom en gyldig kvantegravitationsteori, til at fortælle os, hvad der vil ske under disse omstændigheder.
På overfladen af det sorte hul kan der være bits (eller kvantebits, dvs. qubits) af information, proportionalt med begivenhedshorisontens overfladeareal. Når det sorte hul henfalder, henfalder det til en tilstand af termisk stråling. Efterhånden som stof og stråling falder ind i det sorte hul, vokser overfladearealet, hvilket gør det muligt at indkode denne information med succes. Når det sorte hul henfalder, vil entropien ikke falde, men snarere forblive konstant, da Hawking-stråling er en entropibevarende (adiabatisk) proces. Hvordan eller om denne information er indkodet i den udgående stråling er endnu ikke fastslå
Vores forståelse af gravitation er ikke fuldstændig; vi har ikke nået en forståelse, der er forenelig med begreber som "absolut sandhed" eller et fuldt ud nøjagtigt, omfattende og komplet billede af virkeligheden. Ja, masser på Jordens overflade accelererer nedad med 9,8 m/s², men det forklarer ikke alt. Hvis vi stiller de rigtige spørgsmål eller udfører de rigtige observationer eller eksperimenter, kan vi finde ud af, hvor og hvordan denne beskrivelse af virkeligheden ikke længere er en god tilnærmelse af sandheden, og identificere, hvor den bryder sammen.
Newtons love kan forklare tyngdeaccelerationen på Jordens overflade og mere, idet de tager højde for alle de observerede fænomener af objekter nær Jordens overflade samt mange andre, men den er heller ikke fuldstændig. Vi kan finde observationer og eksperimenter, der viser os, hvor Newton også er utilstrækkelig.
Selv det at erstatte Newtons love med Einsteins generelle relativitetsteori fører til den samme historie: Einsteins teori kan med succes forklare alt, hvad Newtons kan, plus yderligere fænomener. Nogle af disse fænomener var allerede kendte, da Einstein konstruerede sin teori; andre var endnu ikke blevet testet eller endda udtænkt. Vi kan dog være sikre på, at selv Einsteins største bedrift en dag vil blive overgået. Når det sker, forventer vi fuldt ud, at det vil ske på præcis samme måde: ved at undersøge et regime, hvor den generelle relativitetsteoris forudsigelser ikke stemmer overens med, hvad vi observerer og måler virkeligheden til at være.
Kvantegravitation forsøger at kombinere Einsteins generelle relativitetsteori med kvantemekanik. Kvantekorrektioner til klassisk gravitation visualiseres som løkkediagrammer, som det vist her i hvidt. Alternativt er det muligt, at gravitation altid er klassisk og kontinuerlig, og at kvantefeltteorien, ikke den generelle relativitetsteori, skal modificeres. En fundamental uforenelighed mellem kvantefysik og generel relativitetsteori har længe været anerkendt, men er endnu ikke blevet tilfredsstillende løst.
Videnskab handler ikke, på trods af manges påstande, om at finde universets absolutte sandhed. Uanset hvor meget vi gerne vil vide, hvad virkelighedens grundlæggende natur er, fra de mindste subatomare skalaer og derunder til de største kosmiske og videre, er dette ikke noget, videnskaben kan levere. Alle vores videnskabelige sandheder er altid kun foreløbige, og vi må erkende, at de blot repræsenterer vores bedste modeller for den nuværende tilnærmelse af vores observerede, fælles virkelighed.
Selv de mest succesfulde videnskabelige teorier, man kan forestille sig, vil i sagens natur have et begrænset gyldighedsområde, som de gælder over. Vi er dog frie til at teoretisere, hvad vi vil, og lade vores fantasi få frit løb, når det kommer til at udtænke potentielle scenarier for en videnskabelig revolution. Når alt kommer til alt, når en ny teori opfylder følgende tre kriterier:
+den opnår alle succeserne fra den fremherskende, præeksisterende teori,
+den lykkes, hvor den nuværende teori vides at fejle eller være utilstrækkelig,
+og den laver nye forudsigelser for hidtil umålte fænomener, der er forskellige fra den tidligere teori, som derefter ender med at bestå de kritiske observations- eller eksperimentelle tests,
den vil erstatte den nuværende som vores bedste tilnærmelse til en videnskabelig sandhed. Når alle tre af disse betingelser er opfyldt, er en videnskabelig revolution næsten uundgåelig.
Hele vores kosmiske historie er teoretisk velforstået, men vanskelig at skildre i et statisk, 2D-billede. Universets nuværende udvidelseshastighed og energisammensætning er relaterede, hvilket er grunden til, at de fleste moderne illustrationer af vores kosmiske historie har en rørlignende form: hvor de ofte (tvivlsomt) skildrer en indledende singularitet, en periode med inflation og derefter en langsommere udvidelse, der ændrer sig med tiden, mens vores univers udvikler sig. Intet enkelt diagram koder alle disse detaljer korrekt, inklusive det, der er vist her, som synes at opretholde en konstant "størrelse" for universet, hvilket er i modstrid med virkeligheden.
Alle vores nuværende "videnskabelige sandheder," fra standardmodellen for elementarpartikler til Big Bang til mørkt stof og mørk energi til kosmisk inflation og videre, er kun foreløbige. De hyldes som sandheder i dag, fordi de beskriver universet ekstremt præcist og fungerer selv i regimer, hvor alle tidligere rammer har fejlet. Alligevel har de alle begrænsninger for, hvor langt vi kan tage deres implikationer, før vi når et punkt, hvor deres forudsigelser ikke længere er fornuftige, eller ender med ikke længere at beskrive virkeligheden. Det, vi kunne kalde en "videnskabelig sandhed", er ikke en absolut sandhed, men snarere kun en omtrentlig, foreløbig sandhed, omend den bedste til at beskrive virkeligheden på nuværende tidspunkt.
Desuden findes der ikke et eksperiment, der nogensinde kan bevise, at en videnskabelig teori er sand; sådan fungerer videnskab ikke. Vi kan kun demonstrere, at en teoris gyldighedsområde enten kan udvides til at dække tidligere uafprøvet terræn, eller at den ikke formår at strække sig ind i det område, vi tester den i for nylig. En teoris manglende evne til at give forudsigelser, der matcher observationer, er faktisk den ultimative videnskabelige succes: en mulighed for at finde en endnu bedre videnskabelig sandhed, der kan tilnærme sig virkeligheden. Som den legendariske fysiker Enrico Fermi udtrykte det:
"Der er to mulige udfald: Hvis resultatet bekræfter hypotesen, har du foretaget en måling. Hvis resultatet er i modstrid med hypotesen, har du gjort en opdagelse."
Når vi opdager, at vores nuværende forståelse er utilstrækkelig til at forklare alt, hvad der findes derude, ja, så betyder det, at videnskaben tog fejl. Det er dog ikke en videnskabelig fiasko, det er at tage fejl på den bedst tænkelige måde: på en måde, der kun kan føre til en overlegen videnskabelig ramme og et bedre svar på det videnskabelige spørgsmål om sandhederne i vores fælles fysiske virkelighed.
Denne artikel blev første gang udgivet i august 2022. Den blev opdateret i december 2025.
Opslag
