Fysikerne taler om verden som lavet af partikler og kraftfelter, men det er slet ikke klart hvad partikler og kraftfelter i virkeligheden er i kvanteriget. I stedet består verden måske af bundter af egenskaber som farve og form.
Kort sagt
Det siger sig selv, at partikelfysik handler om partikler og de fleste folk har et mentalt billede af små billiardkugler, der strejfer omkring i rummet. Men begrebet "partikel" falder fra hinanden ved nærmere inspektion.
Mange fysikere mener, at partikler slet ikke er ting men excitationer af et kvantefelt, den moderne efterfølger af klassiske felter som det magnetiske felt. Men felter er også paradoksiale.
Hvis hverken partikler eller felter er fundamentale, hvad er så? Nogle forskere mener, at verden ved dens rod ikke består af materielle ting men af relationer eller egenskaber som masse, ladning og spin.
|
Fysikerne beskriver rutinemæssigt universet som værende lavet af bittesmå subatomare partikler, der skubber og trækker på hinanden ved hjælp af kraftfelter. De kalder deres emne "partikelfysik" og deres instrumenter for "partikelacceleratorer." De udhugger en Lego-lignende model af verden. Men dette synspunkt fejer en lidet kendt kendsgerning ind under gulvtæppet: kvantefysikkens partikeltolkning såvel som felttolkningen strækker vores konventionelle ideer om "partikel" og "felt" i en sådan grad, at flere og flere folk mener, at verden kunne være lavet af noget helt andet.
Problemet er ikke at fysikerne mangler en gyldig teori om det subatomare rige. De har en: den kaldes kvantefelt teori. Teoretikere udviklede den mellem de sene 1920'ere og tidlige 1950'ere ved at sammensmelte den tidlige teori om kvantemekanik med Einsteins specielle relativitetsteori. Kvantefelt teori giver det begrebsmæssige grundlag for partikelfysikkens Standardmodel, som beskriver stoffets fundamentale byggesten og deres vekselvirkninger i en fælles ramme. Udtrykt i empirisk præcision er den den mest succesfulde teori i videnskabens historie. Fysikerne bruger den hver dag til at beregne resultatet af partikelkollisioner, syntesen af stof i big bang, de ekstreme forhold inde i atomkerner og meget andet.
Så det kan komme som en overraskelse, at fysikerne ikke engang er sikre på, hvad teorien siger - hvad dens "ontologi" eller grundlæggende fysiske billede er. Denne forvirring er adskilt fra kvantemekanikkens meget diskuterede mysterier sådan som, hvorvidt en kat i en forseglet kasse kan være både levende og død samtidigt. Den uafgjorte tolkning af kvantefelt teori hæmmer fremskridt mod at tyde, hvilken fysik der ligger hinsides Standardmodellen som strengteori. Det er voveligt at formulere en ny teori, når vi ikke forstår den teori, vi allerede har.
Ved første øjekast forekommer indholdet af Standardmodellen indlysende. For det første består det af grupper af elementarpartikler som kvarker og elektroner og for det andet af fire typer kraftfelter som formidler vekselvirkninger mellem disse partikler. Dette billede dukker op på væggen i klasseværelser og i Scientifc American artikler. Ligegyldigt hvor tvingene det kan synes, er det slet ikke tilfredsstillende.
Til at begynde med tværes de to kategorier sammen. Kvantefelt teori tildeler et felt til hver type af elementarpartikel, så der er et elektronfelt ligeså sikkert, som der er en elektron. Samtidig er kraftfelterne kvantiserede snarere end kontinuerlige, hvilket giver anledning til partikler som fotonen. Så skelnen mellem partikler og felter ser ud til at være kunstig og fysikerne taler ofte som om den ene eller den anden er mere fundamental. Debatten har kredset om dette punkt - over hvorvidt kvantefelt teori i sidste ende handler om partikler eller om felter. Det begyndte som en kamp mellem titaner med eminente fysikere og filosoffer på hver side. Selv idag er begge begreber stadig i brug til illustrative formål, skønt de fleste fysikere ville indrømme, at de klassiske begreber ikke passer med hvad teorien siger. Hvis de mentale billeder, der fremmanes af ordene "partikel" og "felt," ikke passer med det teorien siger skal fysikere og filosoffer regne ud, hvad man skal sætte i stedet.
Med de to standard, klassiske muligheder i hårdknude har nogle filosoffer i fysik formuleret mere radikale alternativer. De foreslår, at de mest grundlæggende bestanddele af den materielle verden er uhåndgribelige entiteter som relationer eller egenskaber. En særligt radikal ide er, at alt kan reduceres alene til det uhåndgribelige uden nogen reference til individuelle ting. Det er en revolutionerende ide, som strider mod fornuften, men nogle hævder, at fysikken tvinger den på os.
Når de fleste folk, inklusive eksperter, tænker på den subatomare verden, forestiller de sig partikler, der opfører sig som billardkugler som kastes tilbage fra hinanden. Men denne ide om partikler er et levn fra et verdensbillede, der daterer sig tilbage til de gamle græske atomister og nåede sin top i Isaac Newtons teorier. Adskillige overlappende rækker af tanker gør det klart, at kerneenhederne i kvantefelt teori slet ikke opfører sig som billiardkugler.
For det første betyder det klassiske begreb om en partikel noget, der eksisterer på et bestemt sted. Men kvantefelt teoriens "partikler" har ikke veldefinerede steder: en partikel inde i ens krop er ikke strengt inde i ens krop. En observatør, der prøver at måle dens position, har en lille, men ikkenul sandsynlighed for at detektere den i de mest fjerne dele af universet. Denne modsigelse var indlysende i de tidligste formuleringer af kvantemekanik men blev værre da teoretikerne forenede kvantemekanik med relativitetsteori. Relativistiske kvantepartikler er ekstremt glatte; de befinder sig slet ikke i nogen bestemt region af universet.
For det andet lad os antage, at man har en partikel lokaliseret i ens køkken. Ens ven, der ser på ens hus fra en passerende bil, kunne måske se partiklen spredt ud over hele universet. Det, der er lokaliseret for en, er ikkelokaliseret for ens ven. Ikke blot afhænger partiklens lokalitet af ens synspunkt, men det gør den kendsgerning at partiklen har en lokalitet også. I dette tilfælde giver det ikke mening at antage lokaliserede partikler som de grundlæggende entiteter.
For det tredje, selv hvis man opgiver at prøve at udpege partikler og helt enkelt tælle dem er man i problemer. Antag, at man ønsker at kende antallet af partikler i ens hus. Man går rundt i huset og finder tre partikler i spisestuen, fem under sengen, otte i et køkkenskab og så videre. Læg dem nu sammen. Til ens forfærdelse vil summen ikke være det totale antal partikler. I kvantefelt teori er det tal en egenskab ved huset som helhed; for at bestemme det ville man skulle gøre det umulige og måle hele huset på en gang snarere end rum for rum.
Et ekstremt tilfælde, hvor partikler ikke kan udpeges, er vakuumet, som har paradoksiale egenskaber i kvantefelt teori. Man kan have et overordnet vakuum - defineret som en nul-partikel tilstand - mens man samtidigt observerer noget meget anderledes fra et vakuum i et bestemt område. Med andre ord kan ens hus være totalt tomt selv om man finder partikler over det hele. Hvis brandvæsenet spørger en om der stadig er nogen i huset og man siger nej, vil brandfolkene sætte spørgsmålstegn ved ens fornuft, når de finder folk stimlede sammen i hvert rum.
En anden slående egenskab ved vakuumet i kvantefelt teori er kendt som Unruh virkningen. En astronaut i hvile kan tro, at han eller hende er i et vakuum, hvorimod en astronaut i et accelererende rumskib vil føle sig nedsænket i et termisk bad af utallige partikler. Denne uoverensstemmelse mellem synspunkter sker også ved sorte hullers perimeter og fører til paradoksiale konklusioner om skæbnen for indfaldende stof [se "Black Holes and the Information Paradox," af Leonard Susskind; Scientific American, April 1997], [Sorte Huller og informationsparadokset]. Hvis et vakuum fyldt af partikler lyder absurd, er det fordi den klassiske ide om en partikel vildleder os; hvad teorien beskriver må være noget andet. Hvis antallet af partikler er observatørafhængigt, forekommer det usammenhængende at antage, at partikler er grundlæggende. Vi kan acceptere at mange egenskaber er observatørafhængige, men ikke selve kendsgerningen af hvor mange grundlæggende byggesten der er.
Endelig dikterer teorien, at partikler kan miste deres individualitet. I det forvirrende fænomen af kvantisk entanglement kan partikler blive optaget i et større system og opgive de egenskaber, der udmærker dem fra hinanden. De formodede partikler deler ikke kun medfødte egenskaber som masse og ladning men også rumlige og tidsmæssige egenskaber sådan som området af positioner over hvilke de kan findes. Når partikler er entanglede har en observatør ingen måde at kende en fra en anden. På det punkt, har man så to objekter længere?
En teoretiker kunne simpelthen bestemme, at vore påståede to partikler er to distinkte individer. Filosoffer kalder dette diktat "primitive thisness", (dettehed). Pr. definition er denne dettehed uobserverbar. De fleste fysikere og filosoffer er meget skeptiske overfor sådanne ad hoc træk. Snarere synes det, som om man ikke længere har to partikler. Det entanglede system opfører sig som et udeleligt hele og ideen om en del, for ikke at sige en partikel, mister sin mening.
Disse teoretiske problemer med partikler strider mod erfaringen. Hvad detekterer "partikel detektorer" om ikke partikler? Svaret er, at partikler altid er en udledning. Alt en detektor registrerer er et stort antal separate excitationer af sensor materialet. Vi løber ind i problemer, når vi forbinder prikkerne og udleder eksistensen af partikler, der har baner, som kan spores i tid. (Advarsel: Nogle minoritetstolkninger af kvantefysik tænker ved hjælp af veldefinerede baner. Men de lider af deres egne vanskeligheder og jeg holder mig til standard synspunktet [se "Bohms Alternative to Quantum Mechanics," af David Z. Albert; Scientific American, Maj 1994].
Lad os gøre regnskab. Vi tænker på partikler som bittesmå billiardkugler, men de ting som fysikerne kalder "partikler" er slet ikke sådan. Ifølge kvantefelt teori kan objekter ikke lokaliseres til noget endeligt område af rummet ligemeget hvor stort eller udflydende det er. Desuden afhænger antallet af formodede partikler af tilstanden af bevægelse hos observatøren. Alle disse resultater taget sammen ringer dødsklokken for ideen, at naturen er sammensat af noget lignende kugleagtige partikler.
På grundlag af disse og andre indsigter må man konkludere, at "partikelfysik" er en falsk betegnelse: til trods for den kendsgerning at fysikere bliver ved med at tale om partikler, er der ikke nogen sådanne ting. Man kan antage betegnelsen "kvantepartikel," men hvad retfærdiggør brugen af ordet "partikel," hvis næsten intet af den klassiske ide om en partikel har overlevet? Det er bedre at tage konsekvensen og opgive begrebet fuldstændigt. Nogle tager disse vanskeligheder som indirekte vidnesbyrd om en ren felttolkning af kvantefelt teori. Ved denne fornuftslutning er partikler krusninger på et felt, der fylder rummet som en usynlig vædske. Men som vi vil se nu kan kvantefelt teori heller ikke nemt tolkes ved hjælp af felter.
Navnet "Kvantefelt teori" antyder naturligt en teori, der behandler kvanteversioner af klassiske felter som de elektriske og magnetiske felter. Men hvad er en kvanteversion? Betegnelsen "felt" fremmaner magnetiske felter, der forårsager jernfilspåner til at rette ind omkring en stangmagnet og elektriske felter, der forårsager, at håret står lige op i luften, men et kvantefelt er så anderledes end et klassisk felt, at selv teoretiske fysikere indrømmer, at de næsten ikke kan visualisere det.
Klassisk tildeler et felt en fysisk mængde som temperatur eller elektrisk feltstyrke til hvert punkt i rumtiden. Et kvantefelt tildeler i stedet abstrakte matematiske entiteter, som repræsenterer den type målinger man kunne udføre snarere end resultatet man ville opnå. Nogle matematiske konstruktioner i teorien repræsenterer fysiske værdier, men disse kan ikke tildeles punkter i rumtiden kun til udflydende områder.
Historisk udviklede fysikerne kvantefelt teori ved at "kvantisere" klassisk feltteori. I denne procedure går teoretikerne gennem en ligning og erstatter fysiske værdier med "operatorer," der er matematiske operationer som differentiering eller at tage kvadratroden og nogle operatorer kan svare til bestemte fysiske processer som udstrålingen og absorption af lys. Operatorer placerer et lag af abstraktion mellem teorien og virkeligheden. Et klassisk felt er som et vejrkort, der viser temperaturen i forskellige byer. Kvanteversionen er som et vejrkort, der ikke viser "40 grader" men "kvadratroden." For at opnå en aktuel temperaturværdi ville man skulle gå igennem et ekstra trin med at anvende operatoren på en anden matematisk entitet kaldet en tilstandsvektor, som repræsenterer konfigurationen af det omhandlede system.
På et eller andet niveau synes denne ejendommelighed ved kvantefelter ikke overraskende. Kvantemekanik - teorien som kvantefelt teori er baseret på - handler heller ikke i bestemte værdier men kun i sandsynligheder. Dog synes situationen ontologisk skørere i kvantefelt teori, fordi de antagne fundamentale entiteter, kvantefelterne, ikke engang specificerer nogen sandsynligheder; for det skal de kombineres med tilstandsvektoren.
Behovet for at anvende kvantefeltet på tilstandsvektoren gør teorien meget vanskelig at tolke, at oversætte til noget fysisk man kan forestille sig og manipulere i ens sind. Tilstandsvektoren er holistisk; den beskriver systemet som et hele og henviser ikke til nogen bestemt placering. Dens rolle underminerer den definerende egenskab ved felter, som er, at de er spredt ud over rumtiden. Et klassisk felt lader en forestille sig fænomener som lys som udbredende bølger tværs over rummet. Kvantefeltet fjerner dette billede og efterlader os fortabte til at sige, hvordan verden virker.
Så er det klart, at standardbilledet af elementarpartikler og formidlende kraftfelter ikke er en tilfredsstillende ontologi for den fysiske verden. Det er overhovedet ikke klart, hvad en partikel eller et felt er. Et almindeligt svar er, at partikler og felter skal ses som komplementære sider af virkeligheden. Men den karakterisation hjælper ikke, fordi ingen af disse begreber virker selv i de tilfælde, hvor vi antages at se den ene eller den anden side rent. Heldigvis udtømmer partikel og felt synspunkterne ikke de mulige ontologier for kvantefelt teori.
Ikke blot bittesmå billiardkugler
Man ville blive tilgivet for at mene at partikelfysik er om partikler. Dog viser det sig, at “partiklerne” beskrevet af kvanteteori ikke passer med den sædvanlige forståelse af betegnelsen, som henviser til adskilte, lokaliserede byggesten af stof. For eksempel mangler de de fire klassiske atributter, som i listen nedenfor.
Partikler er lokaliserede. Pr. definition er en partikel noget med en bestemt position, som ændrer sig med tiden, når den bevæger sig. Men kvanteteori, som den sædvanligt forstås, tillader ikke noget at have en sådan bane. Skønt instrumenter som tågekamre afslører spor, er det fejlagtigt at udlede objekter, der bevæger sig gennem rummet som kugler. Sporene er blot en serie hændelser.
I fraværet af partikler kan der ikke ske noget. Hvis partikler udgør stof, burde et vacuum, en tilstand med nul partikler, ikke udvise nogen aktivitet. Men kvanteteori forudsiger, at hvis en Geigertæller eller et lignende instrument er placeret et sted inde i vakuumet, vil den alligevel registrere tilstedeværelsen af stof. Derfor kan stof ikke bestå af ting typisk kaldet “partikel.”
En partikel eksisterer eller den gør ikke. For at afgøre om noget er virkeligt bruger fysikerne en enkel prove: alle observatører skal være enige om dets eksistens. “Partiklerne,” som fysikerne detekterer i naturen, fejler denne test. Hvis en observatør i hvile ser et koldt vacuum ser en accelererende observatør en varm gas af partikler, hvilket antyder, at partiklerne er en slags luftspejling.
Partikler har specifikke egenskaber. Partikler antages at have energi, impuls og så videre. Men kvantefysik tillader at objekter bliver entanglede, virkende som en enhed tiltrods for manglende indlysende, materielle kæder mellem dem, i det tilfælde har de formodede partikler ikke længere bestemte egenskaber; kun systemet som helhed har.
Et voksende antal folk mener, at det, der virkelig betyder noget, ikke er ting men relationerne, i hvilke disse ting står. Et sådant synspunkt bryder med traditionelle atomistiske eller pointilistiske opfattelser af den materielle verden på en mere radikal måde end selv de mest alvorlige modifikationer af partikel og felt ontologier kunne gøre.
I begyndelsen kom denne position, kaldet strukturel realisme, i en temmelig moderat version kaldet epistemisk strukturel realisme. Den løber som følger: Vi vil måske aldrig kende den virkelige natur af tingene, men kun hvordan de er relaterede til hinanden. Tag eksemplet med masse. Ser man nogensinde selve massen? Nej. Man ser kun hvad den betyder for andre entiteter eller, konkret, hvordan et massivt legeme er relateret til et andet gennem det lokale gravitationsfelt. Verdens struktur, afspejlende hvordan tingene er relaterede, er den mest varige del af fysikteorier. Nye teorier vil måske vælte vor opfattelse af verdens grundlæggende byggesten, men de har tendens til at bevare strukturerne. Det er sådan, at forskerne kan få fremgang.
Nu opstår det følgende spørgsmål: Hvad er grunden til, at vi kun kan kende relationerne blandt tingene og ikke selve tingene? Det ligefremme svar er, at relationer er alt der er. Dette spring gør strukturel realisme til et mere radikalt forslag, kaldet ontisk strukturel realisme.
Myriaden af symmetrier i moderne fysik giver støtte til ontisk strukturel realisme. I kvantemekanik såvel som i Einsteins gravitationsteori har visse ændringer i konfigurationen af verden - kendt som symmetri transformationer - ingen empiriske konsekvenser. Disse transformationer udveksler de individuelle ting, der udgør verden, men efterlader deres relationer de samme. Som analogi overvej et spejlsymmetrisk ansigt. Et spejl bytter det venstre øje for det højre øje, det venstre næsebor for det højre og så videre. Men alle de relative positioner af ansigtsegenskaber forbliver. Disse relationer er hvad der virkelig definerer et ansigt, hvorimod mærker som "venstre" og "højre" afhænger af ens synspunkt. De ting vi har kaldt "partikler" og "felter" besidder flere abstrakte symmetrier, men ideen er den samme.
Ved princippet om Occams ragekniv foretrækker fysikere og filosoffer ideer, der kan forklare de samme fænomener med de færreste antagelser. I dette tilfælde kan man konstruere en perfekt, gyldig teori ved at påstå eksistensen af specifikke relationer uden yderligere at antage individuelle ting. Så fortalerne for ontisk strukturel realisme siger, at vi ligeså godt kan skille os af med ting og antage at verden er lavet af strukturer, eller net af relationer.
I dagligdagens liv træffer vi mange situationer, hvor kun relationer tæller og hvor det ville være distraherende at beskrive tingene, der er relaterede. I et undergrundsnetværk er det, f.eks., afgørende at vide, hvordan de forskellige stationer er forbundet. I London er St. Paul's direkte forbundet med Holborn, hvorimod man fra Blackfriars skal skifte linie mindst en gang selv om Blackfriars er nærmere Holborn end St. Paul's. Det er primært forbindelsernes struktur, der betyder noget. Den kendsgerning, at Blackfriars undergrundsstation for nylig er blevet renoveret til en dejlig ny station, betyder intet for en, der prøver at navigere gennem systemet.
Andre eksempler på strukturer der tager prioritet over deres materielle realisation er World Wide Web, hjernens neurale netværk og genomet. De fungerer alle stadig, selv når individuelle computere, atomer og folk dør. Disse eksempler er løse analogier, skønt de åndeligt er nær de tekniske argumenter, der gælder for kvantefelt teori.
En nært relateret linie af fornuftslutning udnytter kvanteentanglement til at tale for, at strukturer er grundlaget for virkeligheden. Entanglement af to kvantepartikler er en holistisk virkning. Alle de iboende egenskaber ved de to partikler, som elektrisk ladning, sammen med alle deres ydre egenskaber, som position, bestemmer stadig ikke tilstanden af to-partikel systemet. Det hele er mere end summen af dets dele. Det atomistiske billede af verden, i hvilket alting er bestemt af egenskaberne ved de mest elementære byggesten og hvordan de er relaterede i rumtiden, bryder sammen. I stedet for at betragte partikler som primære og entanglement som sekundært skulle vi måske tænke på det omvendt.
Man kan finde det mærkeligt, at der kunne være relationer uden nogen objekter, der står i den relation. Det lyder som at have et giftermål uden ægtefæller. Du er ikke alene. Mange fysikere og filosoffer finder det også bizart, idet de mener, at det er umuligt af få faste objekter kun på basis af relationer. Nogle fortalere for ontisk strukturel realisme prøver at gå på kompromis. De nægter ikke, at objekter eksisterer; de hævder blot, at relationer, eller strukturer, er ontologisk primære. Med andre ord har objekter ikke iboende egenskaber, kun egenskaber der kommer fra deres relationer med andre objekter. Men denne position forekommer tyndbenet. Enhver ville være enig i at objekter har relationer. Den eneste interessante og nye position ville være, at alting dukker frem udelukkende på grundlag af relationer. Alt i alt er strukturel realisme en provokerende ide, men den skal udvikles yderligere, før vi vil vide om den kan redde os fra vor bekymring om tolkning.
Et andet alternativ for betydningen af kvantefelt teori starter fra en simpel insigt. Skønt partikel- og felttolkningerne traditionelt anses for at være radikalt forskellige fra hinanden, har de noget afgørende til fælles. De antager begge, at de fundamentale ting i den materielle verden er vedvarende individuelle entiteter, til hvilke egenskaber kan tilskrives. Disse entiteter er enten partikler eller, i tilfældet med feltteori, rumtidspunkter. Mange filosoffer, inklusive mig, mener at denne opdeling i objekter og egenskaber måske kan være den dybe grund til, at partikel og felt indfaldsvinklerne begge løber ind i vanskeligheder. Vi mener, at det ville være bedre at se egenskaber som den eneste fundamentale kategori.
Traditionelt antager folk, at egenskaber er "universaler" - med andre ord tilhører de en abstrakt, generel kategori. De er altid besat af særlige ting; de kan ikke eksitere uafhængigt. (Det skal nævnes at Plato tænkte på dem som eksisterende uafhængigt men kun i et højere rige ikke den verden, der eksisterer i rum og tid.) Når man, f.eks., tænker på rødt tænker man sædvanligvis på bestemte røde ting og ikke på et eller andet element kaldet "rødhed." Men man kunne vende denne måde at tænke på om. Man kan betragte egenskaber som havende en eksistens uafhængigt af de objekter der besidder dem. Egenskaber kan måske være hvad filosoffer kalder "partikulære" - konkrete, individuelle entiteter. Det, vi generelt kalder en ting, kan måske blot være et bundt af egenskaber: farve, form, konsistens, og så videre.
Fordi denne opfattelse af egenskaber som partikulære snarere end universaler adskiller sig fra det traditionelle synspunkt, har filosoffer indført en ny betegnelse til at beskrive dem: "troper." Den lyder en smule morsom og uheldigvis bringer betegnelsen upassende bibetydninger med sig, men den er etableret nu.
Intet felt af drømme
Fysikerne kalder deres førende teori om stof for “kvantefelt teori.” Det lyder som en teori om felter. Men felterne, som antages at blive beskrevet af teorien, er ikke det, som fysikere klassisk forstår ved betegnelsen “felt.”
|
|
At udlægge ting som bundter af egenskaber er ikke sådan, som vi sædvanligvis danner os et begreb om verdenen, men det bliver mindre mystisk, hvis vi prøver at ulære, hvordan vi sædvanligvis tænker om verdenen og sætter os selv tilbage til de allerførste år af livet. Som spædbørn, når vi ser og oplever en bold første gang, opfatter vi ikke en bold, strengt taget. Hvad vi opfatter er en rund form, en farvetone af rød med en bestemt elasticitet. Kun senere forbinder vi dette bundt opfattelser med et sammenhængende objekt af en bestemt slags - nemlig en bold. Næste gang vi ser en bold, siger vi essentielt, "Se en bold," og glemmer hvor meget begrebsmæssigt apparatur, der er involveret i denne tilsyneladende øjeblikkelige opfattelse.
I trope ontologi vender vi tilbage til spædbarnealderens direkte oplevelser. Derude i verden er tingene ikke andet end bundter af egenskaber. Det er ikke sådan, at først har vi en bold og så forbinder egenskaber til den. Snarere har vi egenskaber og kalder det en bold. Der er intet andet ved en bold end dens egenskaber.
Ved anvendelse af denne ide på kvantefelt teori er en elektron faktisk et bundt af forskellige egenskaber eller troper: tre faste, væsentlige egenskaber (masse, ladning og spin) såvel som talrige skiftende, ikke væsentlige egenskaber (position og hastighed). Dette trop begreb hjælper os med at forstå teorien. For eksempel forudsiger teorien, at elementarpartikler kan springe ind og ud af eksistens hurtigt. Vakuumets adfærd i kvantefelt teori er særlig utroligt: middelværdien af antallet af partikler er nul, men vakuumet syder af aktivitet. Talløse processer finder sted hele tiden involverende skabelsen og efterfølgende ødelæggelse af alle slags partikler.
I en partikel ontologi er denne aktivitet paradoksial. Hvis partikler er fundamentale, hvordan kan de så materialisere? Hvad materialiserer de ud af? I trope ontologi er situationen naturlig. Skønt vakuumet er tomt for partikler, indeholder det egenskaber. En partikel er hvad man får, når disse egenskaber bundter sig sammen på en bestemt måde.
Hvordan kan der være så megen fundamental kontrovers om en teori, der er så empirisk succesfuld som kvantefelt teori? Svaret er ligefremt. Skønt teorien fortæller os, hvad vi kan måle, taler den i gåder, når det kommer til naturen af de entiteter, der giver anledning til vore observationer. Teorien redegør for vore observationer ved hjælp af kvarker, muoner, fotoner og diverse kvantefelter, men den fortæller os ikke, hvad en foton eller et kvantefelt i virkeligheden er. Og den behøver det ikke, for fysikteorier kan være empirisk gyldige stort set uden at afgøre sådanne metafysiske spørgsmål.
For mange fysikere er det nok. De indtager en såkaldt instrumentalisk stilling: de nægter at det er meningen med videnskabelige teorier at repræsentere verden til at begynde med. For dem er teorier kun instrumenter til at gøre eksperimentelle forudsigelser. Alligevel har de fleste forskere den stærke intuition, at deres teorier afbilder i det mindste nogle sider af naturen, som den er, før vi laver en måling. Trods alt, hvorfor skulle vi ellers lave videnskab om ikke for at forstå verden?
At opnå et omfattende billede af den fysiske verden kræver kombinationen af fysik med filosofi. De to discipliner er komplementære. Metafysik tilfører forskellige konkurrerende rammer til ontologien af den materielle verden skønt den, hinsides spørgsmål om indre konsistens, ikke kan bestemme om dem. Fysik, for dens del, mangler en sammenhængende redegørelse for fundamentale emner som definitionen af objekter, individualitetens rolle, status af egenskaber, relationen mellem ting og egenskaber og betydningen af rum og tid.
Foreningen af de to discipliner er særtig vigtig på tidspunkter, hvor fysikerne finder, at de besøger selve grundlaget for deres emne. Metafysisk tænkning styrede Isaac Newton og Albert Einstein og den øver indflydelse på mange af dem, som prøver at forene kvantefelt teori med Einsteins gravitationsteori. Filosoffer har skrevet biblioteker fulde af bøger og papirer om kvantemekanik og gravitationsteori, hvor vi kun lige er begyndt på at udforske virkeligheden iboende kvantefelt teori. Alternativerne til standard partikel og felt synspunkter, som vi udvikler, kan måske inspirere fysikerne i deres kamp for at opnå den store forening.
An Interpretive Introduction to Quantum Field Theory. Paul Teller. Princeton University Press, 1995.
No Place for Particles in Relativistic Quantum Theories? Hans Halvorson og Rob Clifton iPhilosophy of Science, Vol. 69, No. 1, side 1-28; Marts 2002.
Ontological Aspects of Quantum Field Theory. Redigeret af Meinard Kuhlmann, Holger Lyne og Andrew Wayne. World Scientific, 2002.
Against Field Interpretations of Quantum Field Theory. David John Baker i British Journal for the Philosophy of Science, Vol.60, No. 3, side 585-609; September 2009.
The ultimate Constituents of the Material World: In Search of an Ontology for Fundamental Physics. Meinard Kuhlmann. Ontos Verlag, 2010.
Quantum Field Theory. Meinard Kuhlmann i Stanford Encyclopedia of Philosophy, Winter 2012.
* Meinard Kuhlmann er filosofiprofessor ved Bielefeld University i Tyskland. Han modtog duale grader i fysik og filosofi og har arbejdet på universiteterne i Oxford, Chicago og Pittsburgh. Som studerende havde han et spørgelystent rygte. "Jeg stillede en masse spørgsmål bare for sjov og fordi de frembragte en underholdende forvirring," siger han.
Fra What is Real, Scientific American, August 2013, side 32-39.