7. Konec teoretické fyziky na dohled
29. dubna 1980 jsem byl inaugurován jako lucasiánský profesor matematiky [tradiční označení profesorského místa, které kdysi držel i Isaac Newton] v Cambridgi. Tento esej tvoří má inaugurační přednáška, tehdy čtená jedním z mých studentů.
Na těchto stránkách bych se chtěl zamyslet nad možností, zda by mohla teoretická fyzika dosáhnout svého konečného cíle v nepříliš vzdálené budoucnosti, řekněme do konce století. Tím míním vytvoření úplné, bezrozporné a jednotné teorie fyzikálních interakcí, která popíše všechna možná pozorování. S podobnými předpověďmi musíme být ovšem velmi opatrní. Na prahu konečné syntézy jsme domněle stáli už nejméně dvakrát.
Na počátku našeho století se věřilo, že všemu lze porozumět prostřednictvím mechaniky spojitých prostředí. Stačí změřit určitý počet elastických koeficientů, vazkost, vodivost atd., a máme vše, co potřebujeme k popisu světa. [Snaha vybudovat model elektromagnetického pole jako stavu napjatosti hypotetické látky, éteru, který vyplňuje celý prostor, nebyla sice zcela úspěšná, existovaly však slibné náznaky, že takový model půjde vytvořit.] Tato naděje se však zhroutila s objevem atomové struktury a kvantové mechaniky.
Koncem dvacátých let řekl Max Born skupině vědců, kteří navštívili Götingen, že „fyzika, jak ji známe, skončí za šest měsíců“. Bylo to krátce poté, co Paul Dirac, můj předchůdce na místě lucasiánského profesora, sestavil rovnici, později po něm nazvanou, jíž se řídí chování elektronu. Předpokládalo se, že podobná rovnice popíše i proton, a to byla jediná další v té době známá „elementární“ částice.
Pak však byl objeven neutron a jaderné síly a naděje na brzké dovršení vývoje fyziky opět pohasly. Dnes víme, že ani proton, ani neutron nejsou těmi skutečně nejelementárnějšími částicemi, nýbrž že jsou tvořeny částicemi ještě menšími. Nicméně od té doby jsme značně pokročili, a jak ještě uvedu, existují dnes důvody pro opatrný optimismus, že by se někteří ze čtenářů těchto stránek mohli úplné teorie ještě dožít.
I když ovšem nalezneme úplnou jednotnou teorii, budeme schopni dělat detailní předpovědi jen v těch nejjednodušších situacích. Dnes známe fyzikální zákony, jimiž se řídí všechny jevy každodenního života. Jak podotkl Dirac, jeho rovnice „je základem většiny fyziky a celé chemie“. Přesně ji však umíme vyřešit jen pro nejjednodušší systém, jakým je vodíkový atom, sestávající z jednoho protonu a jednoho elektronu. U komplikovanějších atomů s více elektrony, a tím spíše u molekul se musíme utíkat k přibližným výpočtům a intuitivním odhadům problematické hodnoty. U makroskopických systémů sestávajících přibližně z 1023 částic je třeba užívat statistických metod; naděje nalézt v tomto případě přesné řešení základních rovnic se musíme zcela vzdát. I když v principu známe fundamentální rovnice, kterými se řídí celá biologie, nezdaří se nám redukovat studium lidského chování na odvětví aplikované matematiky.
Co rozumíme úplnou a sjednocenou teorií fyziky? Naše pokusy modelovat fyzikální realitu obvykle sestávají ze dvou částí:
* 1. Ze soustavy lokálních zákonů, jimiž se řídí různé fyzikální veličiny. Ty jsou zpravidla formulovány pomocí diferenciálních rovnic.
* 2. Ze soustavy okrajových podmínek, které popisují stav nějaké oblasti vesmíru v určitém čase spolu s vlivy, jež do ní pronikají ze zbytku vesmíru.
Mnoho vědců se domnívá, že fyzika by dosáhla svého konečného cíle, pokud by se nalezla úplná soustava lokálních fyzikálních zákonů. Otázku počátečních podmínek vesmíru kladou do oblasti metafyziky či náboženství. Takový přístup se do jisté míry podobná postoji těch, kdo v minulých stoletích bránili vědeckému bádání tvrzením, že všechny přírodní jevy jsou dílem Božím, a proto nemají být zkoumány. Já se domnívám, že počáteční podmínky vesmíru jsou legitimním objektem vědeckého výzkumu právě tak jako lokální fyzikální zákony. Dokud nebudeme umět říci více, než „věci jsou takové, jaké jsou, protože byly takové, jaké byly“, ne…
