המדע מודה בתבוסתו
אם אין בנמצא מציאות אחת אמיתית, הרי שתפיסת המציאות תלויה בנקודת המבט של המתבונן. פיזיקאים חיפשו במשך שנים רבות תיאוריה אחת וסופית שתאחד את כל הפיזיקה אך ייתכן שבמקום זאת הם יאלצו להסתפק בכמה תיאוריות. כך טוען סטיבן הוקינג בספרו החדש, "תוכנית אב"
לפני כמה שנים, אסרה מועצת העיר מונזה שבאיטליה על בעלים של דגי זהב להחזיק אותם באקווריומים עגולים. תומכי התקנה ראו בכך אכזריות כלפי הדגים, משום שדפנות האקווריום המעוקמות גרמו לדגים לראות את המציאות בצורה מעוותת.
לבד מחשיבותה של התקנה לדגים המסכנים, הסיפור מעלה שאלה פילוסופית מעניינת: "איך אנו יודעים שהמציאות שאנו תופסים היא אמיתית?". גרסת המציאות שרואה דג הזהב שונה מזו שלנו, אך כיצד נוכל להיות בטוחים שהיא פחות אמיתית? ככל שאנו יודעים, ייתכן שגם אנו מבלים את חיינו בצְפייה בַּעולם דרך עדשה מעוותת.
בפיזיקה, השאלה הזאת אינה רק שאלה אקדמית. פיזיקאים וקוסמולוגים מוצאים עצמם במבוכה, ממש כמו דגי הזהב. במשך עשרות שנים חתרנו להגיע לתיאוריה סופית של הכול - למערכת מלאה ועקבית של חוקי יסוד של הטבע, שיסבירו כל היבט והיבט של המציאות.
הסבר אחד?
תוכנית אב: איך נסביר את היקום?
צבי ינאי
סטיבן הוקינג מוותר על החלום עתיק הימים לנסח תאוריה אחת שלמה ומקיפה של כל העולם, אשר תוכל להסביר את כל תופעות הטבע. הוא פוסל את האפשרות שאלוהים יצר את החוקיות ביקום ומציע משפחה של תאוריות לתיאור המציאות. צבי ינאי על ספרו החדש של הוקינג, "תוכנית אב".
היום נדמה כי ייתכן שהמסע הזה יוביל לא לתיאוריה אחת, אלא למשפחה של תיאוריות מקושרות, כל אחת מהן מתארת גרסה משלה למציאות, כאילו היא רואה את המציאות דרך אקווריום משלה.
תיאוריה אחת? זה לא ריאלי
לאנשים רבים, ובכללם גם לכמה מדענים פעילים, יש קושי לקבל את הרעיון הזה. רוב האנשים סבורים שקיימת מציאות אובייקטיבית ושהן החושים שלנו והן המדע מספקים לנו מידע בלתי אמצעי על העולם החומרי. המדע הקלאסי מבוסס על האמונה שקיים עולם חיצוני, שתכונותיו קבועות ובלתי תלויות במי שצופה בו. בפילוסופיה, אמונה זו קרויה ריאליזם.
לעומת זאת, מי שזוכרים את טימותי לירי ואת שנות ה-60, יודעים שיש אפשרות אחרת: תפיסת המציאות יכולה להיות תלויה בשכלו של התופס. ההשקפה הזאת, בכמה הבדלים דקים, קרויה אנטי-ריאליזם, אינסטרומנטליזם או אידאליזם.
לפי הגישות האלה, העולם שאנו מכירים נבנה על ידי השכל האנושי, שמשתמש בקלט חושי כחומר גלם ומעצב אותו על ידי מבנים פרשניים במוח. אולי קשה לקבל את הרעיון הזה, אך בהחלט לא קשה להבין אותו. אין שום דרך להפריד את הצופה - אותנו - מתפיסתנו את העולם.
המציאות תלויה בשכל האנושי (צילום: Shutterstock)
ההתפתחויות בפיזיקה במאה השנים האחרונות מקשות יותר ויותר על תומכי הריאליזם. בפיזיקה הקלאסית, הפיזיקה של ניוטון המתארת בדיוק רב ביותר את התנסויות היום-יום שלנו, הפרשנות של מונחים כמו "עצם" או "מיקום" תואמת פחות או יותר את ההיגיון הבריא שלנו: הבנה "ריאליסטית" של אותם מושגים. אך כמכשירי מדידה אנו די קהים.
מציאות קוונטית
פיזיקאים גילו שעצמים מחיי היום-יום, כמו גם האור שבעזרתו אנו רואים אותם, עשויים מעצמים שאין אנחנו תופסים באופן ישיר, כמו למשל אלקטרונים ופוטונים. העצמים האלה אינם נשלטים על ידי הפיזיקה הקלאסית אלא על ידי חוקי מכניקת הקוונטים.
המציאות של תורת הקוונטים שונה באופן קיצוני מזו של הפיזיקה הקלאסית. על פי תורת הקוונטים, לחלקיקים אין לא מיקום מוגדר ולא מהירות מוגדרת, אלא אם כן, ורק כשצופה מודד את הגדלים האלה. בכמה מקרים לעצם אין אפילו קיום עצמאי, אלא רק כחלק מצביר של רבים כמותו.
לתורת הקוונטים יש גם השלכות חשובות על תפיסת מושג העבר. הפיזיקה הקלאסית מניחה כי לעבר יש קיום כסדרה של אירועים מוגדרים, אך על פי תורת הקוונטים, העבר, כמו גם העתיד, הוא בלתי מוגדר וקיים רק כספקטרום של אפשרויות. אפילו ליקום בכללותו אין עבר או היסטוריה יחידים.
תורת הקוונטים מתארת אפוא מציאות שונה מזו של הפיזיקה הקלאסית - על אף שדווקא המציאות של הפיזיקה הקלאסית היא זו שמתיישבת היטב עם האינטואיציות שלנו ומשרתת אותנו נאמנה כשאנו מתכננים דברים כמו בניינים וגשרים.
הדוגמאות האלה מביאות אותנו למסקנה המספקת מסגרת חשובה לפרשנות המדע המודרני. להשקפתנו, לא קיים מושג מציאות שאינו תלוי בתמונה או בתיאוריה. במקום זאת, אנו מאמצים גישה שאפשר לכנותה "ריאליזם תלוי-מודל": גישה שלפיה תיאוריה פיזיקלית ותמונת עולם הן בעצם מודל (בדרך כלל בעל אופי מתמטי) ומערכת של חוקים שמקשרים בין מרכיבי המודל לתצפיות.
לפי הריאליזם תלוי-המודל, אין משמעות לשאלה אם מודל הוא אמיתי, אלא רק לשאלה אם הוא מתאים לתצפיות. אם שני מודלים מתאימים לתצפיות, אי אפשר לטעון שאחד מהם אמיתי יותר מן האחר. תמיד אפשר לבחור את המודל הנוח יותר לשימוש במצב הנידון.
לא תעשו לכם כל תמונה
הרעיון של מציאות חלופית נעשה נפוץ מאוד בתרבות הפופולרית שלנו היום. כך למשל בסרט המדע הבדיוני "מטריקס", הגזע האנושי חי, ללא ידיעתו, במציאות מדומה, שנוצרה על ידי מחשבים תבוניים, שרצו לדאוג שבני האדם יישארו שקטים ושאננים בזמן שהמחשבים שואבים מהם את האנרגיה הביו-אלקטרית (תהיה מה שתהיה).
איך אנחנו בעצם יודעים שאנחנו לא רק דמויות, יצירי מחשב, החיות בעולם דמוי מטריקס? אילו היינו חיים בעולם סינתטי ודמיוני, לאירועים לא היו בהכרח היגיון או עקביות, והם לא היו בהכרח מצייתים לחוקים כלשהם.
החייזרים השולטים בנו היו יכולים לחשוב למשל, שיהיה יותר מעניין או משעשע לבדוק את תגובותינו, לו כולם בעולם היו מחליטים פתאום ששוקולד הוא ממתק מאוס, או שמלחמה אינה באה בחשבון, אך דברים כאלה מעולם לא קרו.
אבל אם החייזרים היו משליטים חוקים עקביים בעולם, לא היינו יכולים להבדיל בין המציאות המדומה לאמיתית. קל לומר שהעולם שבו חיים החייזרים הוא "אמיתי" והעולם יציר המחשב הוא כוזב. אך אם בדומה לנו, גם היצורים בעולם המדומה לא היו מסוגלים לראות את עולמם מבחוץ, לא הייתה להם שום סיבה לפקפק במציאות שלהם.
דגי הזהב מצויים במצב דומה. מה שהם רואים שונה ממה שאנו רואים מחוץ לאקווריום העגול. אך הם עדיין היו יכולים לנסח חוקים מדעיים ששולטים בתנועת עצמים, כפי שהם רואים אותה מבעד לזכוכית.
דגי זהב: העולם נראה להם עקום? (צילום: ויז'ואל/פוטוס)
לדוגמה, מאחר שאור מתעקם כשהוא עובר מאוויר למים, עצם הנע בלי שיופעלו עליו כוחות חיצוניים נראה לנו נע בקו ישר, אבל הדגים יצפו בו נע במסלול מעוקם. הדגים היו יכולים, מתוך נקודת הייחוס שלהם, לנסח חוקים מדעיים שיהיו נכונים תמיד, ויאפשרו להם לערוך תחזיות לגבי תנועתם העתידית של עצמים מחוץ לאקווריום.
החוקים שלהם יהיו אמנם יותר מסובכים מן החוקים במערכת הייחוס שלנו, אבל פשטות היא רק עניין של טעם. לו דגי הזהב ינסחו תיאוריה כזאת, אנו ניאלץ להודות שהשקפתם היא תמונת מציאות תקפה.
מהפכה קופרניקאית?
דוגמה מוכרת יותר מן העולם האמיתי לתיאורים שונים של המציאות היא ההבדל שבין מודל היקום של תלמי שהארץ ניצבת במרכזו לבין מודל היקום של קופרניקוס שבמרכזו השמש. אמנם מקובל לומר שקופרניקוס הוכיח שהמודל של תלמי שגוי, אבל אין זה נכון.
כמו במקרה של נקודת הראות של הדגים לעומת זו שלנו, כך גם במקרה של היקום - אפשר לבחור להשתמש בכל אחת משתי התמונות של היקום כדי להסביר את התצפיות שלנו על הכוכבים, מכיוון שאפשר להניח שהארץ במנוחה באותה מידה שאפשר להניח כך לגבי השמש.
מהפכה
500 שנה אחרי מותו, קופרניקוס נקבר מחדש
אבי בליזובסקי, הידען
מאות שנים לאחר הוקעתו של האיש שטען שהשמש ניצבת במרכז היקום, העניקה אתמול הכנסייה כבוד אחרון לאבי "המהפכה הקופרניקאית": ניקולאוס קופרניקוס, האסטרונום פורץ הדרך שנחשב לכופר, הובא אתמול לקבורה מחודשת
יתרונו העיקרי של המודל של קופרניקוס, מלבד חשיבותו בדיונים פילוסופיים לגבי טבע היקום, הוא שמשוואות התנועה פשוטות הרבה יותר במערכת הייחוס שבה השמש היא במנוחה.
ריאליזם תלוי-מודל לא חל רק על מודלים מדעיים, אלא גם על מודלים מנטליים מודעים ותת-מודעים, שכל אחד מאתנו יוצר כדי לפרש ולהבין את המציאות היום-יומית. כך למשל, המוח האנושי מעבד מידע גולמי שמגיע מן העצב האופטי, משלב קלט שמגיע משתי העיניים, מגדיל את הרזולוציה ומשלים פערים, כמו הפער הנובע מן הכתם העיוור של הרשתית.
יותר מזה, הוא יוצר תחושה של מרחב תלת-ממדי מתוך הנתונים הדו ממדיים המגיעים מן הרשתית. כשאנו רואים כיסא, למעשה אנו משתמשים רק באור המפוזר מן הכיסא, ובונים בעזרתו מודל או ייצוג מנטלי של הכיסא.
המוח טוב כל כך בבניית מודלים, עד שגם כשאנשים מרכיבים משקפיים שהופכים את התמונה מעלה-מטה, המוח שלהם משנה את המודל, והם שוב רואים תמונות בכיוון הנכון - ורצוי לפני שהם מנסים להתיישב.
הבלחות מן התיאוריה העמוקה
במסע החיפושים אחר חוקי הפיזיקה היסודיים ביותר, הגישה שעוררה הכי הרבה תקווה, וגם הכי הרבה מחלוקות, היא תורת המיתרים. תורת המיתרים הוצעה לראשונה בשנות ה-70 כניסיון לאחד את כל הכוחות בטבע תחת מסגרת קוהרנטית אחת, שבפרט תכניס את כוח הכבידה לתחומי הפיזיקה הקוונטית.
ואולם, בראשית שנות ה-90 גילו פיזיקאים שתורת המיתרים לוקה בבעיה מוזרה: למעשה, יש חמש תורות מיתרים שונות זו מזו. זו הייתה בעיה מביכה בייחוד למי שראו בתורת המיתרים תיאוריה יחידה של הכול.
באמצע שנות ה-90, התעוררה תקווה מחודשת שהתורות השונות עשויות להוביל לתורה מאוחדת אחת, כשחוקרים החלו לגלות שחמש התורות השונות האלה, בצירוף עם תורה שישית הקרויה סופר-כבידה, מתארות כולן בעצם אותן תופעות. התורות אכן מקושרות זו לזו על ידי מה שהפיזיקאים מכנים דואליות - כעין מילון מתמטי לתרגום מושגים מתורה אחת לאחרת.
אלא שלמרבה הצער, כל תורה מספקת תיאור טוב של התופעות, רק בטווח מסוים של תנאים - למשל באנרגיות נמוכות. אף אחת מהן אינה יכולה לתאר את כל ההיבטים של היקום.
היום פיזיקאי המיתרים משוכנעים שחמש תורות המיתרים הן רק קירובים שונים של תורה יסודית יותר, המכונה בפיהם תורת M (נראה שאיש אינו יודע מה מייצגת ה- "M": "Master", "Miracle", "Mystery" או שלושתם גם יחד).
החוקרים עדיין מנסים לפענח את טבעה של תורת M, אך ייתכן כי הציפייה המקובלת לתיאוריה יחידה של הטבע היא עקרה, וכדי לתאר את היקום עלינו להשתמש בתיאוריות שונות במצבים שונים. כלומר, תורת M אינה תיאוריה במובן המקובל, אלא רשת של תיאוריות.
הדבר קצת דומה לציור מפה - כשרוצים לתאר את פני כדור הארץ על משטח שטוח, חייבים להשתמש באוסף של מפות, שכל אחת מהן מכסה אזור מוגבל. למפות יש תחומי חפיפה, שבהם הן מראות את אותו שטח.
בדומה לכך, התורות השונות במשפחת M עשויות להיראות שונות מאוד זו מזו, אך אפשר לחשוב על כולן כגרסאות שונות של אותה תיאוריית יסוד, שחוזות אותן תופעות באזורי החפיפה, אך אף אחת אינה פועלת יפה בכל המצבים.
כשאנו מפתחים מודל של העולם ומגלים שהוא מוצלח, אנו נוטים לייחס למודל כזה מידה של מציאות או של אמת מוחלטת. אך תורת M, בדומה לדוגמת דגי הזהב, מראה שאפשר למדל אותו מצב פיזיקלי בדרכים שונות, שכל אחת מהן עושה שימוש באלמנטים ובמושגים יסודיים אחרים.
ייתכן שכדי לתאר את היקום עלינו להשתמש בתיאוריות שונות במצבים שונים. ייתכן שלכל אחת מן התיאוריות תהיה גרסת מציאות משלה, אבל על פי הריאליזם תלוי-המודל, הריבוי הזה הוא קביל, ואי אפשר לומר שגרסה אחת היא אמיתית יותר מן האחרת. אמנם הראייה הזאת אינה הציפייה המסורתית של פיזיקאים מ"תיאוריה של הטבע" ואין היא תואמת את הגישה היום-יומית שלנו לגבי המציאות, אבל ייתכן שזו דרכו של היקום.
סטיבן הוקינג הניח בעבודתו את היסודות להבנה המודרנית של חורים שחורים ושל מקורו של היקום. אבל הוא טוען שהוא מפורסם לא פחות בזכות הופעתו ב"משפחת סימפסון" וב"מסע בין כוכבים: הדור הבא". מאז 1979 ועד לפני שנה הוא החזיק בקתדרה למתמטיקה על שם לוקס באוניברסיטת קיימברידג', הקתדרה שבה החזיק אייזיק ניוטון לפניו. על ספריו נמנה "קיצור תולדות הזמן", שנמכר ביותר מתשעה מיליון עותקים.
לאונרד מלודינו (Mlodinow) הוא פיזיקאי תיאורטיקן במכון הטכנולוגי של קליפורניה (קלטק). הוא חיבר כמה ספרים - בהם "החלון של אוקלידס: תולדות הגאומטריה מקווים מקבילים ועד להיפר-חלל" ו"מהלך השיכור: כיצד המקריות שולטת בחיינו", וגם כמה תסריטים ל"מקגיוור" ול"מסע בין כוכבים: הדור הבא".
המאמר מבוסס על ספרים החדש "תוכנית אב" והתפרסם בגיליון פברואר-מרץ של המגזין "סיינטיפיק אמריקן - ישראל" בהוצאת אורט.
לפנייה לכתב/ת 
"תכנית אב"
עטיפת ספר
סטיבן הוקינג
צילום: איי פי
