Dwie wieże na zgliszczach - o fizyce XX wieku (2)

Klaps 7: Fantazja czy wizjonerstwo?
 
Kaprysy Empirii sprawiają, że na froncie fizycznego poznania zaczynają dominować spekulacje. W samej spekulacji nie ma nic złego; pełno jej nie tylko w literaturze SF lecz także na kartach historii nauki. Istotą procesu naukowego stanowi bowiem tworzenie nowych idei, a potem ich akceptowanie albo odrzucanie. W naukach przyrodniczych arbitrem w tej sprawie jest, jakeśmy już zauważyli, empiria. Dlatego gdy możliwości empirycznej weryfikacji nie ma, lub są one ubogie, poprawia się pogoda dla spekulacji.
 
Siła modelu
Inna sprawa, że nie są to spekulacje całkiem jałowe. W przeciwieństwie do pisarzy SF, fizyków ogranicza nie tylko empiria - również matematyka. Ponieważ świat można skutecznie badać przy pomocy metod matematycznych, panuje powszechny podgląd, że posiada on racjonalność typu matematycznego[i]. Pogląd ten narzuca istotne więzy epistemologiczne na badaczy, choć też osłabia ich zainteresowanie empiryczną weryfikacją. Bardzo wyraźnie mówi o tym prof. Michał Heller: Co ciekawe, w pewnym momencie poczułem, że przestaje mnie interesować, czy świat rzeczywiście jest taki, czy nie. Budując jakiś model świata, który jest logicznie spójny, czuję się trochę jak artysta, który tworzy coś własnego. Ale oczywiście nie mam takiej wolności. Muszę dedukować. Obowiązują mnie żelazne prawa logiki[ii]. 
Nasz znany kosmolog nie jest w tym odosobniony. Sam Einstein uznawał prymat myśli nad doświadczeniem w procesie poznania naukowego. W napisanych pod koniec życia ,,Zapiskach Autobiograficznych” czytamy: Teoria grawitacji nauczyła mnie jeszcze jednej rzeczy: nawet z najbardziej bogatego zbioru faktów empirycznych nie można wyprowadzić tak skomplikowanych równań. Teoria może być empirycznie potwierdzona, ale nie istnieje droga od doświadczenia do konstrukcji teorii. Równania tak skomplikowane jak równania pola grawitacyjnego mogą być sformułowane jedynie poprzez odkrycie logicznie prostej zasady matematycznej, która całkowicie lub prawie całkowicie określa równania[iii]. 
Podobnie uważał Paul Dirac, specjalizujący się w dziedzinie cząstek elementarnych, w której rzeczywistość przedmiotów fizycznych i idei matematycznych w jakiś tajemniczy sposób zlewają się ze sobą. W wykładzie O relacji między matematyką a fizyką przedstawił on program dochodzenia do prawdy w fizyce teoretycznej, w którym zaleca: Zacząć, wybrawszy dział matematyki, o którym można z uzasadnieniem przypuszczać, że będzie podstawą nowej teorii. Specjalną uwagę należy poświęcić matematycznemu pięknu tego działu. Zdecydowawszy się na dziedzinę matematyki, należy ją rozwijać we właściwym kierunku, cały czas patrząc czy nie wydaje się ona podpowiadać w naturalny sposób jakiejś interpretacji fizycznej[iv]. 
W swej sympatii do modeli matematycznych niektórzy fizycy posuwają się bardzo daleko. Znany kosmolog amerykański Charles Misner zasłynął wypowiedzianym w 1978 r. zdaniem „hardware is software”, co oznaczało, że tak naprawdę to istnieją tylko matematyczne modele świata, materia jest ich konsekwencją. Pogląd ten zyskał sobie wielu zwolenników, zwłaszcza pośród fizyków teoretyków i sporo przeciwników, zwłaszcza wśród materialistów.
 
Siła świadomości
Wdzięczną dziedziną do rozwoju spekulacji jest wspomniana już parafizyka. Zdaniem wybitnego fizyka Rogera Penrose’a, do wyjaśnienia zjawiska świadomości konieczne jest odwołanie się do zjawisk występujących na poziomie kwantowym w mózgu. A fizyk i filozof przyrody David Bohm uważa, że na poziomie fundamentalnym istnienia świata wszystko jest obdarzone rudymentarną psychicznością - inaczej: podział na fizyczne i psychiczne znika. W głębi istnienia, na niewidzialnych obszarach świata, trwa gra świadomości ludzkiej ze świadomością rozczłonkowaną w całym wszechświecie[v].
Problem istnienia i natury zjawisk psychicznych, a dokładnie świadomości ludzkiej jest najbardziej zagadkowym „węzłem przyrody”, w którym splątane są takie dyscypliny jak biologia, chemia, psychologia i określone działy medycyny. I to właśnie fizyka, a dokładnie mechanika kwantowa ów „węzeł przyrody”, jeśli nie rozwiązała, to dobrze oświetliła[vi].
Idąc tropami myśli Briana D. Josephsona (Nobel w 1973 r.) w poszukiwaniu związków między świadomością a procesami kwantowymi amerykański fizyk Evan H. Walker, proponuje następujący mechanizm: dopóki funkcja falowa nie jest przedmiotem obserwacji, zmienia się zgodnie z falowym równaniem Schrödingera, w którym jej ewolucję określa operator zwany hamiltonianem. Natomiast gdy jest obserwowana, hamiltonian zmienia się skokowo: funkcja falowa „ulega kolapsowi”, co Walker przypisuje podzbiorowi „zmiennych ukrytych”: atrybutów świadomości, które nazywa wolą. A to znaczyłoby, że świadomość obserwatora zmienia stan obiektu kwantowego!
Jeśli te spekulacje okazałyby się prawdziwe, zmieniłby się całkowicie paradygmat współczesnej nauki w aspekcie relacji między duchem i materią. Możliwe byłyby efekty mające dotąd rację bytu jedynie w fantastyce: dematerializacja, teleportacja, zginanie metalu; do ich zajścia potrzeba, wedle Walkera podtrzymywanej intensywnie siły woli, która prowadzi do kolapsu funkcji falowej na poziomie makroskopowym do skrajnie nieprawdopodobnego stanu[vii].
 
Kosmologiczny supermarket
Niemniej wdzięczną dziedziną sprzyjającą spekulacji jest kosmologia. Jest tak, ponieważ wszystkie teorie kwantowania grawitacji nie mają licznych i dobrych odniesień do empirii, jako że dotyczą bardzo wczesnych etapów wszechświata (pobliże ery Plancka), charakteryzującej się ekstremalnymi parametrami (wymiary rzędu 10-26m temperatury rzędu 1032 K i większe). Stąd weryfikacja tych teorii raczej na zawsze pozostanie poza bezpośrednim, ziemskim eksperymentem. A obserwacje… cóż, pokazują ledwie pozostałości po wczesnej fazie Wszechświata i mogą służyć weryfikacji jedynie w trybie, nazwijmy to „poszlakowym”. Do tych poszlak można „dopasować” wiele różnych konstrukcji teoretycznych – i tak np. rzesze fizyków udoskonalały wspomniany wyżej inflacyjny model Gutha z takim zapałem, że w 1997 r. istniało już 50 odmian tej teorii „wpasowujących” się w dane obserwacyjne. Nic więc dziwnego, że niektórzy odmawiają kosmologii miejsca pośród nauk przyrodniczych. Astrofizyk M. J. Disney z Uniwersytetu w Cardiff pisał, że słowo „kosmolog” winno być usunięte ze słownictwa naukowego, dotyczy bowiem kapłanów a nie naukowców[viii].
Popatrzmy na niektóre produkty fizyki spekulatywnej w kosmologii. Czego tu więcej? fantazji czy wizjonerskiego geniuszu? Proszę obstawiać, jak na wyścigach! Być może, czas próby jest bliski (jeśli, rzecz jasna, wszystko nie skończy się z hukiem w 2012 roku!)
 
Teoria względności do lamusa?
Profesor fizyki teoretycznej w londyńskim Imperial College João Magueijo jest autorem teorii zmiennej prędkości światła, która zakłada, że we wczesnym okresie istnienia wszechświata była ona większa niż obecnie. Tym samym autor kwestionuje dwie fundamentalne teorie wyjaśniające powstanie i istnienie wszechświata: teorię względności i kosmologiczną teorię inflacji.
 
Wszechświat jako fraktal
Fraktal w matematyce oznacza obiekt samo-podobny (tzn. taki, którego części są ciągle podobne do całości) albo ukazujący subtelne detale w wielokrotnym powiększeniu.
W 1977 r. francuski matematyk Benoit Mandelbrot wyraził pogląd, że galaktyki we Wszechświecie rozmieszczone są w sposób fraktalny i zaproponował dojrzały matematyczny model rozkładu materii, gdzie „nie ma środka, a jest hierarchia”. Już na początku lat 80. XX w. grupa włoskich astrofizyków pod kierownictwem Luciano Pietronero, zauważyła, że obserwowany rozkład galaktyk (w skali ok. pięciu megaparseków) wykazuje strukturę fraktalną, przewidzianą przez Mandelbrota.
Na rysunkach: Matematyczny fraktal i galaktyka NGC 3370
 
Wieloświaty
Wygląda na to, że jeden wszechświat do badania fizykom nie wystarcza, bo coraz częściej pojawiają się bardziej lub mniej fantastyczne koncepcje wieloświatu (multiverse). Oto trzy z nich.
 
     Kwantowy multiwszechświat
Amerykański fizyk Hugh Everett III uważał, że wszystko, co może się zdarzyć, zdarza się na pewno w jednej z odnóg rzeczywistości. Każde zdarzenie jest jednakowo realne, lecz zdarza się w innym, równoległym wszechświecie. Kwantowy multiwszechświat Everetta jest jak rozgałęziające się w nieskończoność drzewo. Oznacza to między innymi, że i my, przebywający na takim drzewie, chcąc nie chcąc, także się rozgałęziamy. Niestety, za tak ekscentryczne poglądy Everett został skazany na naukową banicję. Ale ma godnego kontynuatora: koncepcję kwantowego multiwszechświata rozwija dziś David Deutsch, fizyk z Uniwersytetu w Oxfordzie.
Na rysunku: Artystyczna wizja multiwszechświata
 
     Dobór naturalny wszechświatów
„Na drzewo” odsyła także inny amerykański fizyk Lee Smolin. Nawiązuje on do koncepcji fraktalu, lecz w skali kosmologicznej: rzeczywistość jawi mu się jako nieskończony fraktal z wszechświatów, rozrastający się w wielkie drzewo i wyrastający z jakiegoś macierzystego wszechświata, w którym po raz pierwszy wystąpiła anomalia zwana „osobliwością”. Nasz Wielki Wybuch mógł być wynikiem „odbicia się” z czarnej dziury w innym wszechświecie. A jeśli tak, to „u nas” istnieje co najmniej tyle wszechświatów, ile jest czarnych dziur. Można przypuszczać, że te inne wszechświaty „pączkują” podobnie jak nasz. Rozwijając tę koncepcję, Smolin zbudował „teorię doboru naturalnego wszechświatów”. Gałęzie owego drzewa wszechświatów, które nie tworzą czarnych dziur muszą wymierać bardzo szybko. „Rozmnażają się” za to te wszechświaty, w których odpowiednie liczbowe parametry dają taką możliwość. Jeśli - powiada Smolin - światy w większości „rodzą” światy o parametrach zbliżonych do własnych, można z dużym prawdopodobieństwem założyć, że należymy do „rodziny” najludniejszej w „populacji” wszechświatów. Tym swoistym „doborem naturalnym” możemy więc tłumaczyć wartości liczbowe podstawowych parametrów naszego wszechświata, a także zasadę antropiczną.
 
     Kolizja membran
Innego rodzaju wieloświat bazuje na teorii strun. W tej koncepcji nasz i inne wszechświaty powstały w wyniku kolizji membran w 11-wymiarowej przestrzeni. W przeciwieństwie do wszechświatów w „multiwersum kwantowym” mogą one mieć zupełnie różne prawa fizyki.
Według obliczeń kosmologów-astrofizyków (A. Linde, V. Vanchurin) z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii liczba takich wszechświatów może wynosić 10^10^10^7; jest to liczba której nie da się zapisać w postaci dziesiętnej ze względu na liczbę zer większą od liczby atomów w obserwowalnym wszechświecie szacowaną na 1080). Cóż, trochę to przypomina obliczanie ilości diabłów na łebku szpilki. Nawet jeden z autorów koncepcji Paul Steinhardt z Princeton University (być może nie chcąc podzielić losu Everetta) studzi emocje: Nasza koncepcja opiera się na nie popartych dowodami pomysłach zaczerpniętych z ciągle jeszcze niedokończonej teorii superstrun. Doceniając entuzjazm i zainteresowanie, z jakimi ją przyjęto, sugerowalibyśmy, by z jej rozpowszechnianiem poczekać na dokładniejsze opracowania, które umożliwią jej rzetelną ocenę[ix].
 
Kwantowe teorie grawitacji
Teorie te, będące de facto kandydatkami na łącznik między wieżą kwantową i relatywistyczną, mnożą się jak grzyby po deszczu. Można je uporządkować w następujący sposób:
    * Teoria strun i M-teoria jako kwantowe teorie grawitacji (Wittem, Green, Schwarz)
    * Pętlowa grawitacja kwantowa (Aschtekar, Smolin, Tiehmann, Wilson)
    * Kwantowa grawitacja w modelu nieprzemiennym (Connes, Heller)
 
     Superstruny i M-teoria
Jak pisaliśmy, ambicją teoretyków pracujących nad teorią superstrun było zunifikowanie całej fizyki w jednej, spójnej strukturze matematycznej. Okazało się jednak, że ma ona aż pięć odmiennych wersji! Zamiast jedności znów mamy rozdrobnienie. Jeden z czołowych „supermanów” Edward Witten, zasugerował, że te wersje, pomimo odmiennych postaci matematycznych, mogą prowadzić do identycznych przewidywań doświadczalnych. Ten właśnie koncept uogólnienia 5 teorii superstrun w jedną nosi nazwę M-teorii. Zakłada ona istnienie 11-wymiarowej hiperprzestrzeni ze strunami, superstrunami, membranami, supermembranami, cząstkami, supercząstkami – jednym słowem – supermarket! Wszechświat ma tu kształt dwóch 10-wymiarowych membran, które łączy odcinek z osobliwymi końcami o nazwie orbifold. Można to interpretować jako dwa 10-wymiarowe wszechświaty oddziaływające między sobą za pomocą grawitacji, z których jeden to nasz wszechświat, a drugi składa się z ciemnej materii. Proste, nieprawdaż?
M-teoria przewiduje, że newtonowskie prawa grawitacji zmieniają się przy oddziaływaniach na odległość poniżej milimetra, oraz że efekty unifikacji dla grawitacji można zaobserwować już przy energii dostępnej akceleratorom. To dawałoby jej szansę na wyjście z getta spekulacji. Ale i ona zaczyna pączkować: doczekała się już dwóch odmian: 12-wymiarowej (F-teoria) i 13-wymiarowej (S-teoria).
 
     Teoria pętli
Grupa wybitnych relatywistów na czele z Abhay Ashtekarem i Lee Smolinem dopracowała się koncepcji, wedle której w skali Plancka (czyli 20 rzędów wielkości mniejszej niż promień jądra atomowego) przestrzeń wygląda jak sieć, czy też tkanina zrobiona z dyskretnych pętli. Jest ona gładka w skali makroskopowej tylko dlatego, że jest zbudowana z ogromnej liczby połączonych pętli, podobnie jak pozornie gładka tkanina składa się z oddzielnych nici. Koncepcja ma obiecującą cechę: prowadzi do obrazu zbudowanego wyłącznie z relacji. Tak właśnie Einstein chciał rozumieć geometrię czasu i przestrzeni - jako dynamiczną strukturę relacji, nie zaś jako coś danego a priori. Za pomocą koncepcji pętli udało się przenieść tę ideę do mechaniki kwantowej. W nowym ujęciu sformułowano także teorię supergrawitacji i teorię czarnych dziur, ale i tym razem spodziewany przełom nie nastąpił.
Na rysunku: graficzne wyobrażenie przestrzeni w teorii pętli
 
     Kwantowa grawitacja w modelu nieprzemiennym
Dla nieobytych z matematyką małe wyjaśnienie: nieprzemienność polega na tym, że przy zmianie kolejności mnożenia zmienia się wartość iloczynu np. w algebrze nieprzemiennej 2x3 nie jest równe 3x2.
Geometria nieprzemienna powstaje, jeżeli zastosuje się algebrę nieprzemienną do reprezentacji geometrii. Otrzymuje się wówczas geometrię całkowicie globalną, pozbawioną punktów - czyli (przechodząc w obszar fizyki) znika pojęcie umiejscowienia zdarzeń zarówno w czasie jak i w przestrzeni. Taki właśnie globalny, bezczasowy i bezpunktowy model geometrii mógł obowiązywać w erze Plancka.
Wiedziona tą intuicją grupa pracująca pod kierunkiem polskiego kosmologa Michała Hellera zbudowała na bazie nieprzemiennej algebry równoważną geometrię nieprzemienną, która łączy pewne elementy OTW z pewnymi elementami mechaniki kwantowej. Tak o dokonaniach grupy mówi M. Heller:
Konsekwencje tej metody są rzeczywiście daleko idące. Kiedy dokonaliśmy tego odkrycia, stanęliśmy przed poważnym problemem: czy można w ogóle uprawiać fizykę bez pojęcia zwykłej przestrzeni i czasu. Przecież ważnym aspektem fizyki jest dzianie się. Dynamika z kolei kojarzy się nam z ruchem, z następstwem czasowym. Ku naszej radości okazało się, że to nie jest konieczny warunek dla jej istnienia. W abstrakcyjnej, nieprzemiennej przestrzeni istnieje dynamika, z tym że ruch nie odbywa się od punktu do punktu, lecz zmieniają się stany, działają jakieś siły, choć nasz potoczny język nie potrafi ich opisać[x].
 
Klaps 7: Quo vadis fizyko?
 
Jak widzimy, w kotle fizyki wrze. Czy cała para pójdzie w gwizdek, czy też zaowocuje jakimś nowym trendem? Nową rewolucją naukową, kolejnym przełamaniem paradygmatu? Czy znajdziemy sposoby, aby oddzielić spekulacje twórcze od jałowych? Czy uda się wreszcie połączyć obie wieże w jedną spójną całość? I ile trzeba na to czasu?
A fizyk teoretyk i filozof Marian Grabowski pyta jeszcze: czy też ta nadmierna spekulacja i rosnąca komplikacja nie zmarginalizuje w ogóle fizyki w ludzkiej kulturze?
Same pytania, na które brak odpowiedzi. Świat fizyków przypomina dziś grupę błądzących wędrowców, którym zabrakło przewodnika. Są zdani na własne siły, bo przecież bohaterowie rewolucji sprzed wieku mówiący o pięknie i prostocie opisu świata nie dali konkretnych wskazówek jak to należy rozumieć. Pojęcia te pozostają i dziś intuicyjną zasadą twórczości w dziedzinie fizyki teoretycznej, lecz wszelkie próby uchwycenia istoty fundamentalnych mechanizmów rządzących światem kończą się fiaskiem. 
Wygląda na to, że zjawisko czysto spekulatywnej fizyki teoretycznej będzie nam jeszcze długo towarzyszyć. Więc bądźmy cierpliwi i wyrozumiali. A na koniec małe sursum corda.
Robert Oldershaw z Amherst College pisał:
„Nie jesteśmy Panami Wszechświata. Co najwyżej jesteśmy skromnymi studentami przyrody. Nie powinniśmy przez to czuć się zaambarasowani. Przeciwnie, winniśmy być dumni z naszych wysiłków zrozumienia. Od czasów gdy Galileusz skierował swój teleskop ku niebu dokonano wielu cudownych odkryć.[xi]
I tym, raczej odbiegającym od standardów thrillera akcentem, przychodzi mi zakończyć naszą wędrówkę przez krajobrazy fizyki ostatniego stulecia. Jeśli Drogi Czytelniku, dotarłeś do tego miejsca, to bardzo Ci za towarzystwo dziękuję. Jeśli znalazłeś się tu, przeskakując z początku tekstu na jego koniec i czujesz się rozczarowany, powiem Ci, że fizyka to jednak nie thriller, w którym ostateczne rozwiązanie wątków znajduje się na ostatnich stronach (w ostatnich kadrach).


 

[i] Michał Heller, Czy świat jest matematyczny?, Zagadnienia filozoficzne w nauce, XXII/1998
[ii] Katarzyna Janowska, Piękna teoria wszystkiego - wywiad z ks. prof. Michałem Hellerem, Polityka nr 18/2002
[iii] A. Einstein, Zapiski autobiograficzne, Wydawnictwo Znak, 1996
[iv] Cytat za: Helge S. Kragh, Dirac, A Scientific Biography,Cambridge University Press 1992
[v] D. Bohm, The Undivided Universe, London, 1993
[vi] EINE, Gra świadomości ze świadomością, http://autodafe.salon24.pl/65173,gra-swiadomosci-ze-swiadomoscia]
[vii] Laurence M. Beynam, Fizyka kwantowa i zjawiska paranormalne, Literatura na świecie nr 141
[viii] M. J. Disney, The Case Against Cosmology, Journal General Relativity and Gravitation, vol. 32, nr 6, 2000
[ix] Michał Różyczka, Sygnały - Wielki Wybuch do lamusa?, Wiedza i Życie nr 6/2001
[x] Michał Heller, Początek jest wszędzie. Nowa hipoteza pochodzenia Wszechświata, Wyd. Prószyński i S-ka, 2002
[xi] Robert Oldershaw, Janus-Faced Cosmology , Sky and Telescope, vol. 95, nr 4 (1998)