Tytuł oryginału

Fear of a Black Universe

An Outsider’s Guide to the Future of Physics

Copyright © Stephon Alexander, 2021

All rights reserved

Projekt okładki

Magdalena Palej

Ilustracja na okładce

© Rick Rothenberg/Unsplash.com

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8352-706-2

Warszawa 2024

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Pamięci moich ukochanych Babć,

Celishy Belfon i Ruby Farley, które nauczyły mnie,

że wyobraźnia ma moc uleczania

Część I

ROZDZIAŁ 1

Ucieczka z dżungli braku wyobraźni

Ciemnością zaślepiony sądzi,

że o nim nic nie można wiedzieć.

Niemniej zaślepia się, kto mniema,

jakoby już go zdobył wiedzą.

Upaniszady¹

My, fizycy, ustaliliśmy, że ponad 95 procent materii i energii we wszechświecie ma postać, która jest dla nas niewidzialna. Nazwaliśmy te tajemnicze substancje ciemną materią i ciemną energią. Ich odkrycie naprowadziło nas na ślad kolejnych tajemnic, które wstrząsnęły podstawami praw fizycznych. Wpływ grawitacyjny ciemnej materii, świadczący o istnieniu olbrzymiego halo wokół wszystkich galaktyk, ma kluczowe znaczenie dla wyjaśnienia, w jaki sposób mogły powstać wielkoskalowe struktury materii widoczne we wszechświecie. Podobnie jest z ciemną energią, którą odkryto za pomocą teleskopów, wykonując pomiary coraz szybszego tempa rozszerzania się wszechświata. Jej badanie pozostaje na razie domeną kosmologów, którzy opisują ją w kontekście procesów kosmicznych oraz ogólnego kształtu i losu wszechświata. To błąd. Okazuje się, że te ciemne substancje odgrywają tajemniczą rolę w funkcjonowaniu widocznego świata i mają znaczenie dla zrozumienia samego życia. Ciemna energia znajduje się w całej pustej przestrzeni, a nie tylko w kosmosie, i przenika wszystko, co istnieje. Wywoływane przez nią efekty kwantowe zachodzą nawet w przestrzeni między atomami tworzącymi nasze ciało. Najwyższy już czas, by pojawił się jakiś nowy Newton, który połączy fizykę zjawisk pozaziemskich z fizyką procesów obserwowanych na naszej planecie. Taka integracja mogłaby nam pomóc w wyjaśnieniu ciemnej materii i ciemnej energii, a to z kolei pozwoli nam lepiej zrozumieć, kim jesteśmy i jak wygląda kosmos, w którym żyjemy.

Odkrycie ciemnej materii i ciemnej energii niewątpliwie wstrząsnęło podstawami fizyki, jednak fakt, że wciąż nie potrafimy ustalić, z czego składa się większa część kosmosu, pozostaje źródłem nieustającej frustracji i ogranicza możliwość zrozumienia naszego miejsca we wszechświecie. Nadal nie wiemy zbyt wiele o ciemnym sektorze, z wyjątkiem tego, że istnieje, a mimo to uczeni nierzadko przypisują ciemnej materii konkretne własności, opierając się na zachowawczych założeniach, analogicznych do znanych zasad fizyki. Odnoszę wrażenie, że kierunki badań, które mogłyby naprowadzić nas na trop nowych pytań i zaowocować odkryciem nowych własności lub nowej roli ciemnej strony wszechświata, budzą lęk. Czy naprawdę aż tak bardzo obawiamy się ciemności, że przenosimy ten strach nawet na zjawiska, co do których nie mamy adekwatnej wiedzy naukowej?

Ciemna materia i ciemna energia nie są jedynymi niezwykłymi zjawiskami, z którymi nie potrafi sobie poradzić współczesna fizyka. Można wskazać kilka innych procesów niepasujących do obecnie obowiązujących teorii, które są źródłem licznych spekulacji i stanowią równie wielką zagadkę dla fizyków. Jeśli uda się je wyjaśnić, nowa wiedza może wstrząsnąć podstawami tego, co obecnie uważamy za pewnik.

Tego typu anomalie prowadzą do pojawienia się pytań nie tylko z zakresu nauk ścisłych, lecz także społecznych: W jaki sposób nauka reaguje na idee, które mogą łamać dotychczasowe normy naukowe i kłócić się z naszymi oczekiwaniami? Czy społeczność naukowa boi się „ciemnych” idei wysuwanych przez outsiderów, szczególnie jeśli mają one postać, która jest trudna do zaakceptowania, lub gdy nie można ich gładko połączyć z istniejącymi teoriami i przyjętymi metodami pracy naukowej?

Na początku ubiegłego stulecia odkrycie promieniowania ciała doskonale czarnego, emitowanego przez większość ciał pozornie niewysyłających żadnego światła, było teoretyczną „katastrofą” fizyki klasycznej, ponieważ biorąc je pod uwagę, fizycy uzyskiwali bezsensowne wyniki, niezgodne z tym, co obserwowano w doświadczeniach. Gdy jednak niemiecki fizyk Max Planck uwzględnił ideę ciała doskonale czarnego w całej jej rozciągłości, postawił na głowie całą teorię elektromagnetyzmu i wywołał rewolucję kwantową. Czy to możliwe, że stojące przed nami obecnie teoretyczne anomalie doprowadzą do podobnej rewolucji w nauce? Jeśli tak, to kto ma największe szanse na to, by stać się motorem takich przemian?

Choć mamy umiejętność tworzenia niezwykle abstrakcyjnych konstrukcji matematycznych i potrafimy odkrywać prawdy wykraczające poza to, czego doświadczamy za pomocą naszych pięciu zmysłów, to jednak jako ludzie jesteśmy ograniczeni uwarunkowaniami społecznymi i psychologicznymi. W tej książce wyjdziemy poza obecnie obowiązujące paradygmaty pojęciowe i naukowo-socjologiczne, wkraczając na nieznane i czasami ryzykowne obszary pojęciowe. Co czai się za osobliwością czarnej dziury w naszej Galaktyce i co było, zanim w Wielkim Wybuchu narodził się czas? W jaki sposób z chaotycznego i jednolitego wczesnego wszechświata wykształciła się struktura kosmosu? Jaką rolę odgrywają w nim ciemna energia i ciemna materia? Czy istnieje jakiś ukryty związek między powstaniem życia i prawami fizyki? Pytania te znajdują się na pograniczu współczesnej nauki. Jeśli uzyskamy na nie odpowiedzi, możemy podważyć teorie stanowiące sedno naszej obecnej wiedzy. Aby je znaleźć, musimy się zastanowić, czy świat naukowy jest gotów na działalność osób nieszablonowych, outsiderów, którzy mają większe szanse na to, by wyjrzeć poza horyzont obecnej wiedzy teoretycznej. Czy społeczność naukowa w jej obecnej strukturze w ogóle może zaakceptować takich outsiderów wytyczających nowe szlaki?

Chciałbym, abyście towarzyszyli mi w podróży, podczas której zmierzę się z niektórymi z tych pytań. Aby nasza wyprawa przebiegła sprawnie, omówimy zarówno potrzebną do tego wiedzę naukową, jak i aparat pojęciowy konieczny do zrozumienia niektórych obszarów współczesnej fizyki. Przedstawiony tu wywód bazuje na trzech podstawowych zasadach, które leżą u podstaw całej znanej fizyki. Gdy je poznamy, będziemy mogli zmierzyć się z problemami z pogranicza tego, co fizycy obecnie wiedzą i rozumieją (a przynajmniej tak im się wydaje). Będę szczery, a czasami nawet kontrowersyjny, z pełną premedytacją pozwalając sobie na szalone spekulacje. W tej książce nie prezentuję jedynie tego, co wiemy w dziedzinie fizyki, ale wyjaśniam również, gdzie przebiegają granice współczesnej wiedzy, i opisuję, w jaki sposób się ją poszerza.

Na lekcjach fizyki i w większości książek popularnonaukowych mówi się głównie o tym, co już wiemy. My jednak wyjdziemy tu z założenia, że proces uprawiania fizyki jest czymś innym niż uczenie się fizyki, która jest już znana. W pierwszym przypadku badamy to, czego jeszcze nie wiemy, w drugim przekazujemy jedynie poznaną już wiedzę. Choć w naszym przedsięwzięciu pewne fragmenty zdobytej już wiedzy okażą się niezbędne – z pewnością muszą istnieć jakieś elementy wspólne – skupimy się jednak na problemie objęcia umysłem tego, czego jeszcze nie wiemy.

Kluczowe znaczenie ma tu proste spostrzeżenie: najważniejszym zadaniem fizyków jest stosowanie tego, co już wiemy, w nowych gałęziach badań w celu przekształcania i poszerzania wiedzy. Najlepsi nauczyciele pomagają nam rozwijać fizykę i nie ograniczają się jedynie do przekazywania tego, co już wiadomo. Oznacza to, że nauka fizyki powinna przygotować nas do zajmowania się problemami z pogranicza aktualnej wiedzy, a nawet – w rzadkich przypadkach – do przekraczania tych granic i przebudowywania fundamentów naszej wiedzy. Mam nadzieję, że ta książka pomoże wszystkim zrozumieć, na czym polega twórcze podejście w fizyce teoretycznej – taki właśnie cel przyświecał mi podczas jej pisania.

* * *

Często, gdy nie potrafię sobie poradzić z jakimś problemem – fizycznym lub osobistym – pielgrzymuję na północne wybrzeże mojego rodzinnego kraju, Trynidadu i Tobago. Gdy maszeruję ścieżkami stukilometrowego szlaku przebiegającego przez bujne, ciemnozielone pasmo gór nad zatoką Las Cuevas, czuję się, jak gdybym wychodził poza własne ciało. Wspinam się krętą drogą prowadzącą na szczyt wzgórza, które wznosi się nad oceanem, zza pleców dobiegają do mnie odgłosy tropikalnej dżungli, a przede mną, w dole, rozlega się rytmiczny plusk krystalicznie czystych, szmaragdowych fal rozbijających się o brzeg. W otoczeniu przyrody, pięknej i pierwotnej, niespodziewanie zaczynam dostrzegać nowe możliwości uporania się z trapiącymi mnie sprawami.

Pewnego dnia, nie tak dawno temu, natrafiłem na problem badawczy, z którym w żaden sposób nie mogłem sobie poradzić. Wyruszyłem więc po raz kolejny do dżungli, by popatrzeć na morze. Gdy już dotarłem na miejsce, wszystko nagle stało się jasne – nie, nie znalazłem rozwiązania nurtującego mnie problemu, ale uświadomiłem sobie, że w ciągu minionych dwudziestu lat, gdy zajmowałem się badaniami naukowymi, podświadomie unikałem zmierzenia się z podstawowym powodem, dla którego w ogóle zostałem fizykiem, a mianowicie z faktem, że zawsze chciałem dokonać ważnego odkrycia naukowego. Zrozumiałem, że boję się porażki i ryzyka zawodowego, jakie się z tym wiąże. Gdy ktoś decyduje się na karierę naukową, musi brać pod uwagę między innymi to, jak widzą go inni uczeni, i dobrze znać swoją dziedzinę. Uczeni postrzegani jako „szaleńcy” lub wysuwający zbyt wiele ryzykownych spekulacji ponoszą zazwyczaj surową karę. Doskonale wiedziałem, że niektóre z interesujących mnie idei, takie jak związek między świadomością i mechaniką kwantową, mogą wpłynąć negatywnie na moją reputację i być może nawet utrudnić mi karierę.

W społeczności fizyków teoretyków można obecnie wyczuć atmosferę rozczarowania, dojmujące przekonanie, że nie udało nam się dokonać przełomu równie ważnego jak badania, które na początku ubiegłego wieku doprowadziły do rewolucji kwantowej i relatywistycznej. Nie chcę przez to powiedzieć, że uczeni nie próbują zaradzić tej sytuacji. Każdego dnia w internetowym globalnym archiwum badań fizycznych arXiv.org ukazuje się wiele artykułów i bardzo często ich autorzy przedstawiają nowe pomysły na wyjaśnienie nurtujących nas tajemnic. Mimo to nie mamy zbyt silnego poczucia, że dokonuje się postęp. Dlaczego tak jest? Czy dlatego, że te problemy są dla nas za trudne? A może chodzi o to, że poszukując prawdy, niektórzy uczeni obawiają się spoglądać w stronę nieznanego, zakazanego obszaru, być może w strachu przed karami – utratą dobrej opinii i trudnościami w rozwoju kariery – grożącymi za wykroczenie poza powszechnie uznawane paradygmaty? Sądzę, że bliższa prawdy jest ta druga ewentualność. W tej książce przedstawię swoje przemyślenia i rozważania. Podejmę przy tym pewne ryzyko w nadziei, że przy okazji dowiemy się czegoś istotnego, bez względu na to, czy mam rację, czy nie.

Ponieważ jestem czarnoskórym fizykiem, ta potencjalna zaleta – to, że w mojej głowie wprost roi się od nowych idei, że nie boję się śmiałych pomysłów – może być przeszkodą. W kołach naukowych osoby o ciemnym kolorze skóry spotykają się często z niedowierzaniem odnośnie do ich możliwości intelektualnych i umiejętności „myślenia jak fizyk”. W efekcie śmiały, osobisty styl prowadzenia rozważań teoretycznych w połączeniu z moją rasą często prowadzi do sytuacji, w której koledzy o białym kolorze skóry stają się podejrzliwi i patrzą na moje pomysły z lekceważeniem. Mimo tych rasowych i socjologicznych uprzedzeń udało mi się zrobić karierę w fizyce i dzięki mojemu charakterowi, jak i upodobaniom dalej kroczę naprzód, dzieląc się z innymi hipotezami, które, przynajmniej czasami, okazują się godne uwagi. Ta książka nie będzie pod tym względem wyjątkiem.

Zastanawiając się nad swoją sytuacją podczas tego pobytu w Trynidadzie, postanowiłem, że od tej pory będę poświęcał większą część czasu na szukanie rozwiązania którejś z wielkich zagadek fizyki. Uświadomiłem sobie, że jeśli chcę robić to dobrze, będę musiał całkowicie zaangażować się w rozwiązywanie problemów fizycznych, a to oznacza konieczność improwizacji i popuszczania wodzy fantazji. Każdy, kto poznaje mnie osobiście, bardzo szybko się przekonuje, że przeróżne pomysły wylatują ze mnie jak z wulkanu i choć większość z nich jest błędna, to jednak niektóre, czasami nawet te z kategorii „błędnych”, okazują się ciekawe i warte dalszego rozważania. Pod wszystkimi tymi ideami ukrywa się solidny fundament, który tworzą teoretyczne i obliczeniowe narzędzia fizyki.

Uprawianie fizyki jest aktywnością społeczną i jak wszystkie działania realizowane w grupie wymaga przestrzegania pewnych norm. Oczekuje się, że uczeni będą postępowali zgodnie z tymi niepisanymi regułami, a jeśli je złamią, mogą się spodziewać nieprzyjemności. Zbyt często wymagania związane z „dobrym uprawianiem nauki” myli się z określonymi kierunkami badań teoretycznych, a to oznacza, że pojawia się oczekiwanie, iż uczeni zajmujący się poszczególnymi wąskimi dziedzinami fizyki będą zwolennikami konkretnych argumentacji teoretycznych. Taki mechanizm jest do pewnego stopnia pożądany, ponieważ pozwala wykluczyć idee takie jak przekonanie o płaskości Ziemi i inne pomysły bezsensowne z naukowego punktu widzenia. Czasami jednak oczekiwanie podporządkowania się przyjętym normom tłumi innowacyjność i postęp. Niektórzy uczeni czują niechęć do rozważania idei wykraczających poza utarte ramy, ponieważ może czekać ich za to surowa kara, i w efekcie mamy do czynienia z sytuacją, w której teorie rozbijające przyjęte paradygmaty mogą się nigdy nie pojawić.

W ramach społeczności naukowej musimy wyraźnie odróżniać wartości i normy regulujące działalność naukową od tych, które wymagają zgodności z określoną teorią czy konkretnym paradygmatem. Oczekuje się, że uczeni będą się stosowali do obu rodzajów reguł, ale w tym drugim przypadku takie wymagania mogą ograniczać twórcze podejście i zdolność do wytyczania nowych kierunków badań teoretycznych. Kluczowe jest jednak, byśmy mieli świadomość tego, że wszystkie argumentacje teoretyczne muszą być zgodne z zasadami naukowymi, z regułami poznawczej racjonalności, i powinny być oceniane właśnie w ich świetle. Oznacza to po prostu, że rozważania teoretyczne muszą być logicznie spójne i empirycznie uprawnione. Nie każda „pomysłowa idea” daje się przekształcić w sensowną teorię fizyczną. Prawdę mówiąc, szanse na to, że ktoś doprowadzi do powstania nowego paradygmatu jedynie dlatego, iż złamał normy regulujące działalność naukową w ramach standardowego podejścia, są nikłe. Nie ulega natomiast wątpliwości, że nie można tego dokonać bez złamania takich norm.

Chciałbym, aby moja książka była źródłem natchnienia i zachęty dla tych, którzy czują się wykluczeni i niemile widziani w naszej społeczności naukowej; dla tych, którym czasami – lub często – daje się do zrozumienia, że ich wkład w rozwój nauki nie ma wielkiej wartości. Prezentuję tu nie tylko swoje przemyślenia odnośnie do obecnego stanu fizyki jako teorii, lecz także refleksje na temat własnego doświadczenia i analizy z zakresu socjologii nauki przemawiające za tezą, że obecność outsiderów w społeczności naukowej i przedstawianie przez nich własnego punktu widzenia przyczynia się do wzrostu skuteczności prowadzenia badań. Droga prowadząca do kariery naukowej stanowi duże wyzwanie dla każdego. Rzucając nowe światło na dynamikę procesów społecznych w nauce i dzieląc się własnym doświadczeniem, zrozumiemy, że wyzwania stojące przed outsiderami mogą naprowadzić ich na trop ważnych odkryć naukowych. Mam nadzieję, że uda mi się przekonać czytelników, iż dbanie o różnorodność w nauce nie jest jedynie kwestią zapewnienia sprawiedliwości społecznej, ale wartością, która przyczynia się do poprawy jakości prowadzonych badań.

* * *

Dla wielu fizyków teoretyków mojego pokolenia ogromną zachętą do zajęcia się nauką były osiągnięcia złotej epoki fizyki w pierwszej połowie XX wieku, gdy uczeni tacy jak Albert Einstein, Richard Feynman, Paul Dirac, Emmy Noether i Wolfgang Pauli – że wymienię tylko kilku z naszych idoli – doprowadzili do powstania kwantowej teorii pola i ogólnej teorii względności. Poprawność tych teorii została później w spektakularny sposób potwierdzona i to właśnie one leżą u podstaw większości używanych obecnie urządzeń technicznych.

Jednym z podstawowych narzędzi, jakie wykorzystali Albert Einstein i Erwin Schrödinger do odkrycia podstawowych praw i sformułowania równań teorii względności i fizyki kwantowej, były „eksperymenty myślowe” polegające na wyobrażaniu sobie doświadczeń fizycznych, których wykonanie przekracza nasze możliwości techniczne lub których nawet w ogóle nie można przeprowadzić w ziemskim środowisku. Przykładem takich eksperymentów myślowych może być słynny kot Schrödingera lub wizja Einsteina, który wyobrażał sobie, że biegnie z taką samą szybkością jak promień światła. Tego typu wizualizacje, jeśli wyrazimy je w postaci równań matematycznych, prowadzą do rozwiązań opisujących zachowanie urządzeń półprzewodnikowych, które leżą u podstaw działania potężnych komputerów, a także smartfonów, stanowiących obecnie nieodłączną część naszej rzeczywistości.

Gdy po raz pierwszy usłyszałem, w jaki sposób ci wielcy uczeni dokonali swoich odkryć, byłem przekonany, że musieli zastosować jakąś umysłową magię, która umknęła uwadze moich rówieśników i naszych nauczycieli. Fizyka teoretyczna stała się dziedziną wiedzy, która w ogromnym stopniu opiera się na wykorzystaniu matematyki, i choć jest ona niezbędnym i potężnym narzędziem, zrozumiałem, że jeśli mam mieć jakąkolwiek szansę na dokonanie ważnego odkrycia, muszę znaleźć własną drogę polegającą na wykonywaniu takich właśnie czarodziejskich sztuczek i korzystaniu z intuicji jako środka prowadzącego do uchwycenia teoretycznych pomysłów, które później można przełożyć na równania (chodzi o intuicyjne opisanie zjawisk niewynikających bezpośrednio z tych równań).

Gdy na pierwszych latach studiów poznawałem podstawy fizyki, miałem wrażenie, że cała ta dziedzina jest jedną wielką dżunglą niezliczonych równań i skomplikowanych teorii. Uznałem, że nasze zadanie polega na tym, by sobie to wszystko przyswoić i właściwie wykorzystać. Kilkadziesiąt lat później, gdy prowadziłem już samodzielne badania z zakresu fizyki teoretycznej, uświadomiłem sobie, że razem z kolegami wciąż błądzę w tej samej dżungli. Za sprawą wyuczonego na studiach podejścia, polegającego na rozwiązywaniu kolejnych zestawów zadań, te nieliczne, nierozstrzygnięte kwestie, które wydawały się naprawdę istotne w kosmologii i fizyce cząstek, jawiły się nam jako problemy niemożliwe do rozwiązania. Nie wiedzieliśmy nawet, jakie pytania należy zadać.

Gdy tak przez pewien czas wpatrywałem się w fale rozbijające się o brzeg zatoki Las Cuevas, doznałem olśnienia. Uświadomiłem sobie, że przecież nie ma nikogo lepszego, kto mógłby nam pomóc uporać się z naszymi problemami, niż sam Einstein. Czy nie byłoby lepiej, gdybyśmy spojrzeli na dżunglę fizyki z lotu ptaka, dostrzegając źródła wszystkich teorii i związki, które łączą (a także ograniczają) wynikające z nich prawa? Czy taka perspektywa pomogłaby nam w przebudowaniu teorii tak, by lepiej nadawały się do rozwiązania nurtujących nas obecnie pytań? Czy możemy zmienić nudną, obliczeniową fizykę w pasjonującą przygodę, wyobrażając sobie światy, których nikt dotąd nie widział?

Gdy odbywałem staż po doktoracie w Centrum Akceleratora Liniowego imienia Stanforda (SLAC – Stanford Linear Accelerator Center), otrzymałem niespodziewanie list z National Geographic Society (Narodowego Towarzystwa Geograficznego). W pierwszym odruchu zacząłem się zastanawiać, czy może zalegam z jakąś opłatą. W kopercie był jednak list gratulacyjny, w którym władze Towarzystwa informowały mnie, że przyznano mi tytuł National Geographic Emerging Explorer (Obiecujący Odkrywca National Geographic). Bardzo mnie to ucieszyło, ale jednocześnie byłem zdziwiony. Nigdy nie wysyłałem żadnego zgłoszenia, by zostać odkrywcą, ani nawet nie uważałem siebie za kogoś takiego. Gdy się jednak okazało, że nie jest to żadna pomyłka, poczułem się niezwykle zaszczycony i nie odmówiłem przyjęcia nagrody pieniężnej. Z ogromną przyjemnością odwiedziłem później kilkakrotnie siedzibę National Geographic, by spotkać się z innymi odkrywcami, których podziwiam. Zawsze chciałem na przykład poznać etnobotanika Wade’a Davisa, którego książka była podstawą filmu Wąż i tęcza, jednego z moich ulubionych horrorów.

Wszyscy odkrywcy zostali zaproszeni na przyjęcie połączone ze zbiórką pieniędzy, zorganizowane z okazji siedemdziesiątych urodzin ówczesnego prezesa Towarzystwa, Gila Grosvenora. Pojawiło się tam wiele wspaniałych postaci i dość szybko ogarnęło mnie uczucie, że nie pasuję do tego grona. Wśród nowo wybranych odkrywców był na przykład nurek jaskiniowy, który potrafił tak bardzo wyginać swoje ciało, że całymi godzinami prześlizgiwał się w wąskich przejściach skomplikowanych jaskiń znajdujących się setki metrów pod dnem oceanu. Była też kobieta, która spędziła wiele czasu wśród lwów w Serengeti, i mężczyzna badający Antarktykę, który praktycznie mieszkał tam przez długi czas. Podczas przyjęcia każdemu z odkrywców wyznaczono miejsce przy stole z grupą potencjalnych darczyńców i nasze zadanie polegało na zabawianiu gości. Gdy się sobie wzajemnie przedstawiliśmy, pewien wyraźnie rozczarowany biznesmen spytał:

– A więc nie przesiaduje pan w dżungli? Nie lata samolotami? Dlaczego Towarzystwo uznało fizyka teoretyka za odkrywcę?!

Nie chciałem, by zaproszony gość poczuł się oszukany, jako dobry rzecznik National Geographic odparłem więc z przekonaniem:

– Odkrywam kosmos za pomocą własnego umysłu.

Potem starałem się wyjaśnić, że światy badane przez kosmologów są o wiele bardziej niedostępne niż tereny eksplorowane przez odkrywców na Ziemi, że panują w nich tak ekstremalne warunki, iż możemy je analizować jedynie dzięki wykorzystaniu wyobraźni. Potem opowiedziałem o tym, jak Einstein badał naturę czasoprzestrzeni, dzięki czemu przewidział istnienie czarnych dziur, a później faktycznie odkryto taką supermasywną czarną dziurę w środku naszej Galaktyki. Niech tylko ktoś spróbuje zbadać ją osobiście! Niektórzy goście byli zainteresowani, inni woleli jednak przyłączyć się do „prawdziwych” odkrywców.

Mimo tych dramatycznych przeżyć wydarzenia owego wieczoru natchnęły mnie do tego, by zastanowić się nad podobieństwami między odkrywaniem osobistym i badaniem świata za pomocą umysłu. Pomyślałem o wszystkich tych skrajnie nieprzyjaznych miejscach, jakie fizycy teoretycy muszą analizować, by dokonać postępu. Takie badania za pomocą wyobraźni są siłą napędową odkrywania i wyjaśniania teorii fizycznych. Właśnie one stanowią podstawę wprowadzonego przez Einsteina pojęcia teorii zasadniczych.

W 1914 roku, niedługo po dokonaniu przełomowych odkryć z zakresu mechaniki kwantowej i ogłoszeniu teorii względności, Einstein wygłosił na posiedzeniu Pruskiej Akademii Nauk wykład, w którym omówił swoją strategię rozwoju fizyki teoretycznej.

– Metoda pracy teoretyka bazuje na fundamencie ogólnych zasad, z których można następnie wysnuć wnioski – powiedział. – Działalność ta przebiega zatem w dwóch fazach. Najpierw należy odkryć zasady, a następnie wyciągnąć z nich właściwe konkluzje.

Einstein dostrzegł ukrytą rzeczywistość, w której czas i przestrzeń mogą zwalniać, przyspieszać, zakrzywiać się, a nawet całkowicie przestać istnieć, rzeczywistość wykraczającą poza ramy tego, co postrzegamy na co dzień, rzeczywistość, która wydaje się nam bezsensowna, gdy patrzymy na nią przez pryzmat zdrowego rozsądku. Z pewnością muszą istnieć jeszcze jakieś inne, nowe poziomy rzeczywistości, które są przed nami ukryte i, biorąc przykład z Einsteina, powinniśmy być ciekawi tego, co leży za naszym obecnym (zdroworozsądkowym) rozumieniem fizyki.

Podczas studiów doszedłem do mylnego przeświadczenia, że prowadzenie badań teoretycznych w fizyce polega głównie na wykorzystywaniu matematyki i logicznego myślenia. Einstein był przekonany, że najważniejszą siłą napędową prowadzącą do nowych odkryć są zasady fizyczne, natomiast matematyka jest niezbędna do dokładnego opisania procesów fizycznych, jasnego sformułowania zasad, precyzyjnego wyjaśnienia, jak wygląda przyjęty opis pojęciowy zjawisk, a także do wysuwania przewidywań. Mówiąc krótko, sama matematyka nie wystarcza – jest jedynie narzędziem. W tym miejscu rodzi się ważne pytanie: co należy zrobić, by wymyślić nowe zasady?

– Nie ma żadnej metody, której można by się nauczyć i którą dałoby się stosować systematycznie w celu dojścia do jakiejś nowej zasady – odpowiada Einstein. – Uczony musi wydobyć te zasady z natury, dostrzegając w złożonych zespołach faktów empirycznych pewne ogólne cechy dające się precyzyjnie sformułować.

Chciał przez to powiedzieć, że uczony powinien umieć dostrzec związki i wzorce w obszernym zbiorze wyników doświadczalnych, które nie muszą być ze sobą powiązane w żaden oczywisty sposób. Gdy już uda mu się wyodrębnić takie wzorce, na podstawie swojej wiedzy musi zdecydować, czy wymagają one wprowadzenia jakiejś nowej zasady przyrody. Taki opis może być jednak mylący. Fakty są stwierdzeniami na temat zjawisk i nie istnieją w sposób niezależny. Zawsze podlegają konceptualizacji, co oznacza, że zawsze są – nawet jeśli w sposób niejawny – konstruowane na gruncie teorii. Doświadczenia pozwalają nam udzielić odpowiedzi na pytania sformułowane za pomocą teorii. Teoria podpowiada zaś, jakich „faktów” powinniśmy szukać.

W wieku kilkunastu lat Einstein mógł się swobodnie bawić w zakładach elektrycznych ojca w Pawii we Włoszech. Dzięki tym zabawom rozwinęła się jego wyobraźnia. To pozwoliło mu się zastanawiać, czego mógłby doświadczyć, gdyby zdołał dogonić falę świetlną. Jego proces „wydobywania” zasad natury polegał na wyobrażaniu sobie zjawisk, których nie możemy bezpośrednio obserwować za pomocą zmysłów ani badać w doświadczeniach. Ostatecznie w ten sposób udało mu się sformułować teorie, które podpowiadają nam, co możemy odkryć, i pomagają zrozumieć, gdzie należy szukać tych nowych zjawisk.

Skąd Einstein wiedział, kiedy powinien przedstawić swoją teorię względności? Nawet jeśli był urodzonym geniuszem, to i tak pozostaje pytanie, jak udało mu się dojść do odpowiednich zasad. Częściową odpowiedź znalazłem w wykładzie, który wygłosił na Uniwersytecie Oksfordzkim w 1933 roku. – [Odkrywane zasady] są swobodnym wytworem ludzkiego intelektu i procesu ich powstawania nie można uzasadnić ani naturą tego intelektu, ani żadnym innym wyjaśnieniem a priori – powiedział.

Co miał na myśli? Czasami aby uporać się z jakimś problemem naukowym, musimy rozważyć możliwości, które stoją w sprzeczności z przyjętymi regułami gry. Jeśli nie pozwolimy umysłowi na swobodne tworzenie często dziwnych i niepokojących nowych idei, nie bacząc na to, jak bardzo mogą się wydawać absurdalne i co inni mogliby sobie o tym pomyśleć, a także w jaki sposób mogliby ukarać nas za ich przedstawienie, to możemy przeoczyć rozwiązanie nurtującego nas problemu. Oczywiście, aby to się mogło udać, musimy mieć właściwe narzędzia pozwalające przekształcić takie niezwykłe idee w dobrze określoną teorię.

Gdy powiedziałem gościom na przyjęciu w National Geographic, że badam kosmos za pomocą umysłu, wcale nie żartowałem. W moich oczach teoretycy badający świat za pomocą intelektu, tworzący „swobodne wariacje”, są mistrzami improwizacji. Einstein zostawił nam przepustkę uprawniającą nas do komponowania własnych wariacji. Jednak, podobnie jak on, musimy najpierw poszukać podstawowych zasad leżących u podstaw współczesnej fizyki i dopiero potem wykorzystać je do badania wielkich tajemnic, z jakimi przyszło się nam zmierzyć. Na kolejnych kartach tej książki również my podejmiemy próbę skomponowania swobodnych wariacji, wymyślenia jakiejś nowej fizyki w trakcie podróży przez największe zagadki kryjące się na pograniczu kosmologii i fizyki fundamentalnej. Choć niektóre przedstawione tu idee są dyskusyjne i spekulatywne, to jednak mam nadzieję, że książka ta nie tylko pozwoli zrozumieć, w jaki sposób fizycy formułują nowe koncepcje i przekształcają je w spójne teorie, lecz także stanie się dla wszystkich natchnieniem do wymyślania własnych wielkich idei.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

Część I

ROZDZIAŁ 1. Ucieczka z dżungli braku wyobraźni

ROZDZIAŁ 2. Niezmienna zmiana

ROZDZIAŁ 3. Superpozycja

ROZDZIAŁ 4. Zen pól kwantowych

ROZDZIAŁ 5. Emergencja

ROZDZIAŁ 6. Gdyby Basquiat był fizykiem

Część II

Kosmiczne improwizacje

ROZDZIAŁ 7. Co wybuchło?

ROZDZIAŁ 8. Ciemny policjant kwantowych galaktyk

ROZDZIAŁ 9. Kosmiczna rzeczywistość wirtualna

ROZDZIAŁ 10. Pożyteczne niestabilności

ROZDZIAŁ 11. Kwantowy słoń z punktu widzenia kosmologa

ROZDZIAŁ 12. Kosmiczna biosfera

ROZDZIAŁ 13. Ciemna energia i kosmici

ROZDZIAŁ 14. W głąb kosmicznej macierzy

ROZDZIAŁ 15. Kosmiczny umysł i kosmologia kwantowa

Podziękowania

1 Upaniszady, przeł. A.S. Pełkowski, Drukarnia Narodowa w Krakowie, Kraków 1927, s. 71 (przyp. tłum.).