Tytuł oryginału

THE WHOLE TRUTH

A COSMOLOGIST’S REFLECTIONS

ON THE SEARCH

FOR OBJECTIVE REALITY

Copyright © 2022 by Princeton University Press

All rights reserved

Projekt okładki

monikaimarcin.com

Ilustracja na okładce

© xyz+/Adobe Stock

Redaktor prowadzący

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8352-651-5

Warszawa 2023

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Dla Alison, mojej najlepszej przyjaciółki

Wstęp

CO JEST ISTOTĄ wszystkich naszych poczynań, gdy prowadzimy badania w dziedzinie nauk przyrodniczych? Moim zdaniem odkrywanie natury rzeczywistości. Ale co to właściwie oznacza? Czynni zawodowo naukowcy nie mają raczej gotowej odpowiedzi na tak postawione pytanie. Wolą się zajmować problemami, które pojawiają się na bieżąco w aktualnie prowadzonych badaniach. W filozofii, socjologii i historii nauki znajdziemy jednak koncepcje, które dobrze opisują to, co według mnie jest właśnie sednem działalności naukowej. W moim konkretnym przypadku była to teoria rozszerzania się Wszechświata z pierwotnego gorącego i gęstego stanu, którą zamierzam tu opisać, ilustrując wyjaśnienia przykładami z kosmologii.

Kosmologią zacząłem się zajmować pół wieku temu, gdy idee rozważane w ramach tej dziedziny były wciąż spekulatywne, a dowody zebrane na ich poparcie nieliczne. Byłem świadkiem rozwoju tej dziedziny i przekształcenia się jej w jedną z najbardziej ugruntowanych gałęzi nauk fizycznych. Spoglądając na te doświadczenia z perspektywy czasu, zacząłem się zastanawiać nad wyzwaniami, z jakimi musieliśmy się zmierzyć, i nad tym, czy nauczyliśmy się czegoś więcej poza umiejętnością rozwiązywania lepiej lub gorzej postawionych problemów, które pojawiały się na naszej drodze. Wyniki tych przemyśleń zamieszczam w niniejszej książce.

Starałem się, by książka była przystępna również dla wszystkich, którzy być może nie znają języka fizyki, ale interesują się pracą naukowców i chcą się dowiedzieć, co motywuje ich do działania. Moi koledzy zapewne ze zdziwieniem zauważą, że omawiam tu różne aspekty socjologii i filozofii, a także przedstawiam dowody zaczerpnięte z nauk przyrodniczych, które przemawiają za obiektywną naturą fizycznej rzeczywistości. W naszym środowisku nie porusza się zbyt często tego typu tematów, ale sądzę, że zagadnienia te są niezbędne, jeśli chcemy naprawdę zrozumieć, jaką wiedzę czerpiemy z badań w zakresie nauk przyrodniczych. Nie próbuję przedstawiać jakiejkolwiek oceny dyskusji na temat rzeczywistości, która toczy się w filozofii i naukach socjologicznych, ale mam nadzieję, że uczeni zajmujący się tymi dziedzinami z zainteresowaniem przeczytają o tym, że niektóre idee zaczerpnięte z ich dyscyplin naukowych znalazły swoje odzwierciedlenie w naukach przyrodniczych.

Uczeni spoglądają w różny sposób na naszą dziedzinę wiedzy. Ja należę do osób, które przykładają większą wagę do aspektu empirycznego – największą satysfakcję odczuwam wtedy, gdy jakiś spór zostaje rozstrzygnięty w wyniku wykonania pomiaru. Jednak, mimo iż wiedziony skłonnością do empiryzmu zawsze przypisuję ogromne znaczenie stanowi badań doświadczalnych lub obserwacyjnych poszczególnych teorii fizycznych i nigdy nie wykraczam poza fakty, to dochodzę do przekonania, że daleko idące rozważania naukowe służące zaspokojeniu naszej ciekawości doprowadziły do uzyskania przekonujących dowodów na poparcie prawdziwości abstrakcyjnego pojęcia obiektywnej rzeczywistości. Istnieje możliwość falsyfikacji tego pojęcia, w takim znaczeniu, w jakim rozumiemy je w nauce, przez pokazanie, że metoda naukowa zawodzi. Nigdy jednak nie zdołamy udowodnić jego prawdziwości, ponieważ dokładność dowodów empirycznych jest zawsze ograniczona. Jedną z myśli przewijających się w tej książce jest przeświadczenie, że wyniki badań empirycznych w ramach nauk przyrodniczych, omawiane tu na przykładzie kosmologii fizycznej, tworzą w sumie przekonujący argument za istnieniem rzeczywistości niezależnej od obserwatora. To jest najsilniejszy wniosek, do jakiego możemy dojść na gruncie nauk ścisłych.

Jak doszliśmy do obecnego poziomu rozwoju nauk przyrodniczych i jak udało nam się znaleźć dowody przemawiające za istnieniem obiektywnej rzeczywistości? Przełomowym momentem w moich rozważaniach na ten temat było uświadomienie sobie pewnego dość powszechnego zjawiska w badaniach fizycznych, a mianowicie tego, że zawsze gdy pojawia się jakaś interesująca idea, istnieją duże szanse na to, że już wcześniej ktoś zwrócił na nią uwagę lub zrobi to niezależnie w najbliższej przyszłości, jeśli tylko wieść o tym pomyśle nie rozejdzie się zbyt szybko. Dobrym przykładem z innej gałęzi nauki, który nawet ja znam już od dawna, jest niezależne odkrycie idei ewolucji na drodze doboru naturalnego przez Karola Darwina i Alfreda Wallace’a. Gdy od chwili rozpoczęcia studiów doktoranckich sam zacząłem się zajmować nauką, miałem okazję zobaczyć na własne oczy jeszcze wiele innych przykładów tego zjawiska w naukach fizycznych i, prawdę mówiąc, do niedawna specjalnie się nad tym nie zastanawiałem. Nie sądzę, by moje doświadczenie było pod tym względem wyjątkowe, ale nigdy nie słyszałem, by jakiś fizyk stwierdził, że zjawisko wielokrotnego odkrywania tej samej idei mogłoby nas czegoś nauczyć. Przyszła mi jednak do głowy myśl, że samo to, iż Darwin i Wallace wpadli na podobny pomysł mechanizmu doboru naturalnego, stanowi silny argument przemawiający za sensownością ich idei. W końcu dwaj uczeni stąpający pewnie po ziemi niezależnie od siebie zwrócili uwagę na te same dowody. Podobnie niespotykanie duża liczba niezależnych odkryć związanych z wielkoskalową naturą i ewolucją Wszechświata sugerowała, że zebrane wyniki potwierdzają sensowność obranego przez nas kierunku myślenia.

Zacząłem się więc zastanawiać, czy ktoś jednak uznaje takie wielokrotne odkrycia za godne uwagi zjawisko w naukach przyrodniczych. W ten sposób dotarłem do socjologów. Okazało się, że fenomen ten jest przedmiotem rozważań socjologicznych, i przekonałem się, że mogę się dowiedzieć czegoś nowego na temat badań w naukach fizycznych z książek poświęconych nie tylko socjologii, ale także filozofii, do których nigdy wcześniej nie miałem potrzeby zaglądać.

Jednym z owoców tych poszukiwań było spóźnione uświadomienie sobie, że stosowane w socjologii pojęcia konstrukcji społecznych i empirycznych pozwalają wyjaśnić dziwne zapisy zawarte w książce, którą bardzo sobie cenię, a mianowicie w Teorii pola Landaua i Lifszyca (1951, 1958; mój egzemplarz jest angielskim przekładem drugiego rosyjskiego wydania z 1948 roku). Na początku, przez dwie trzecie książki, autorzy przedstawiają dokładną analizę podstaw klasycznej teorii elektryczności i magnetyzmu. Jest to dobrze już sprawdzona, niezwykle użyteczna teoria. Pozostała jedna trzecia część książki jest natomiast poświęcona ogólnej teorii względności Einsteina. Doskonale pamiętam, że gdy w 1958 roku jako doktorant dołączyłem do grupy Boba Dicke’a zajmującej się badaniem grawitacji, istniało niewiele dowodów empirycznych potwierdzających tę teorię – zupełnie inaczej niż w przypadku elektromagnetyzmu. Dlaczego więc ogólna teoria względności zajmuje w Teorii pola niemal tyle samo miejsca co elektromagnetyzm? Udało mi się to zrozumieć dzięki socjologicznemu pojęciu konstrukcji, które omawiam w podrozdziale 2.2. Jest to jeden z tematów tej książki.

Moja wiedza z zakresu socjologii i filozofii wciąż jest dość ograniczona, ale rozumiem już, że dziedziny te mają wiele do powiedzenia na temat uprawiania nauki. Ci z nas, którzy nie są ani socjologami, ani filozofami, najlepiej mogą docenić naukę płynącą z tych prac, analizując zastosowanie poszczególnych pojęć do konkretnych badań z zakresu nauk fizycznych. Wydaje mi się, że potrzebny nam jest jakiś dobrze przepracowany przykład, podobny do zadań, które stawiamy przed studentami, oczekując, że wykonają kolejne, dobrze znane kroki prowadzące do rozwiązania. Kosmologia fizyczna – nauka zajmująca się badaniem wielkoskalowej struktury otaczającego nas Wszechświata – doskonale się do takiej roli nadaje. W swojej współczesnej postaci dziedzina ta rozwinęła się z dobrze określonego zestawu idei początkowych, które pojawiły się około stu lat temu. Podczas badania tych idei zdarzały się interesujące okresy zamieszania i odkryć, które prowadziły do zadowalających wniosków. Przeprowadzono na tyle dużo doświadczeń o niepodważalnej wiarygodności, które sprawdziły poprawność tej teorii, że większość fizyków zastanawiających się nad tego typu kwestiami nabrała przekonania, iż mamy już dobre pojęcie o tym, co naprawdę się wydarzyło, gdy Wszechświat rozszerzał się i ochładzał.

Muszę w tym miejscu wszystkich przestrzec, że tej standardowej, powszechnie akceptowanej teorii nie można już w pełni ufać, gdy wykonujemy ekstrapolację do przodu w czasie, do odległej przyszłości, lub wstecz, do dowolnie dużych gęstości. Wysunięto wiele interesujących idei na temat tego, co może się wydarzyć – przy tej okazji padają określenia takie jak Wielka Zapaść, Wielkie Zamrożenie czy Wielkie Rozerwanie – przedstawiono także dużo koncepcji mówiących o tym, co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem, cokolwiek to oznacza. Tego typu spekulacje wykraczają jednak poza zakres rozważań o tym, czego możemy się dowiedzieć z analizy przykładu powszechnej akceptacji nowej gałęzi nauk fizycznych. Na potrzeby tej książki ograniczymy się do teorii wyjaśniających konkretne ślady z przeszłości, które udało nam się odkryć i zbadać.

Wszystkie nauki przyrodnicze są fascynujące dla tych, którzy mają do nich zamiłowanie. Wiele argumentów przemawiających za tezą o istnieniu obiektywnej rzeczywistości można dostrzec w różnorodnych, dobrze sprawdzonych przewidywaniach fizyki kwantowej. Zainteresowanym polecam rozważania zamieszczone w książce Stevena Weinberga (1997) Sen o teorii ostatecznej. Uważam jednak, że wszystko, czego dowiedzieliśmy się z fizyki relatywistycznej i opracowania relatywistycznej teorii zmieniającego się Wszechświata, równie dobrze świadczy o tym, iż udaje nam się znaleźć użyteczne przybliżenia abstrakcyjnej idei obiektywnej rzeczywistości. Niewątpliwym atutem historii kosmologii fizycznej jest to, że jest prostsza, ale poza tym nie widzę żadnych innych powodów, dla których mogłaby ona być lepszym przykładem niż zagadnienia z dziedziny fizyki kwantowej.

W tej opowieści istotną rolę odgrywają również własności obiektów zbudowanych z żywej materii, ponieważ są one przykładem problemów związanych z badaniem złożonych układów fizycznych. Zazwyczaj zakłada się, że organizmy żywe są przejawem działania tej samej obiektywnej rzeczywistości, którą możemy tak skutecznie przybliżać za pomocą teorii względności i fizyki kwantowej, jak świadczą wyniki badań o wiele prostszych układów. Musimy się jednak pogodzić z tym, że przedstawienie niepodważalnych dowodów, iż tak jest naprawdę, wykracza poza możliwości stosowanych obecnie metod analizy.

Nie można oczekiwać, że powstanie jeden ogólny opis natury badań naukowych, ponieważ warunki działania określają, co jest możliwe, a warunki te są diametralnie różne w różnych dziedzinach nauki. Możemy jednak wyciągnąć użyteczne wnioski z konkretnych, dobrze znanych przykładów i w naszym przypadku będzie to kosmologia fizyczna. Istotną zaletą takiego wyboru jest to, że jest to względnie prosta gałąź nauk przyrodniczych. Nie bez znaczenia jest również, że jest to dziedzina, którą dobrze znam – od ponad pół wieku prowadzę aktywne badania w tym zakresie i byłem świadkiem rozwoju całej tej dziedziny.

Historia rozwoju kosmologii fizycznej, przedstawiona w rozdziałach od 3 do 7, posłuży mi do zilustrowania trzech ważnych kwestii. Po pierwsze, jest przykładem sposobu uprawiania nauk fizycznych. Po drugie, pozwala pokazać idee zaczerpnięte z przemyśleń socjologów i filozofów, szczególnie ważne z punktu widzenia naukowca, odnoszące się do problematyki prowadzenia badań naukowych. Inne idee z tych dziedzin nie wydają się oczywiście tak bardzo istotne w naszych rozważaniach. Po trzecie, historia rozwoju kosmologii fizycznej umożliwia przedstawienie argumentacji przemawiającej za istnieniem obiektywnej rzeczywistości fizycznej, której źródłem są wyniki rzeczywistych badań z zakresu nauk przyrodniczych.

Na samym początku omówię jednak historię rozważań na temat natury nauk fizycznych, cofając się w przeszłość o ponad sto lat, do okresu, gdy Einstein zastanawiał się nad możliwością stworzenia pełnej teorii grawitacji i istnieniem logicznie skonstruowanego Wszechświata. Niewątpliwie jeszcze wcześniejszy okres historii nauki mógłby być źródłem wielu innych cennych spostrzeżeń, ale w celu zachowania spójności skupimy uwagę na późniejszych, istotniejszych z naszego punktu widzenia wydarzeniach. Nawet tak ograniczony okres dziejów jest niezmiernie bogaty. W tej książce zdołam jedynie przedstawić przykłady ilustrujące idee, które moim zdaniem wpłynęły na nasz sposób myślenia o teoriach fizycznych w środowisku naukowym i całym społeczeństwie. Postaram się wyprowadzić z tych przykładów – i z mojego osobistego doświadczenia – zwięzły opis założeń roboczych obowiązujących w fizyce, idei, które są podstawą wszystkiego, czym zajmujemy się w tej dziedzinie.

Założenia te wprowadzam już w rozdziale 1, a na jego końcu zamieszczam listę wraz z krótkimi rozważaniami na ich temat. Wszystkie skupiają się wokół idei – która sama w sobie jest założeniem – że najlepsze teorie są użytecznymi przybliżeniami obiektywnej rzeczywistości. Dla jednych pojęcie obiektywnej rzeczywistości jest czymś oczywistym, dla innych – czymś wątpliwym. Przedstawiane tu przeze mnie przykłady, potwierdzające ten pierwszy punkt widzenia, pochodzą z historii rozwoju relatywistycznej teorii wielkoskalowej natury Wszechświata. Jak już wspomniałem, na gruncie fizyki kwantowej możemy znaleźć wiele innych przykładów potwierdzających taki punkt widzenia, ale argumenty bazujące na teorii względności są w zupełności wystarczające.

Społeczna natura uprawiania nauk fizycznych jest ważnym aspektem kultury naukowej. O wiele lepiej niż sami fizycy zdają sobie z tego sprawę historycy, filozofowie i socjologowie – jest to niewątpliwie niedociągnięcie, któremu należy zaradzić. Przedstawiam tu przykład tego, w jaki sposób socjologia nauk fizycznych i niejawnie przyjmowane założenia robocze obowiązujące w naszej dziedzinie odegrały ważną rolę w rozwoju i akceptacji ogólnej teorii względności Einsteina, jej ostatecznym potwierdzeniu przez wymagające testy doświadczalne i pojawieniu się pomysłów zastosowania jej w opisie wielkoskalowej natury Wszechświata. Z takiego punktu widzenia badania naukowe są zazwyczaj bardziej interesujące na etapie początkowym. Dalszy rozwój poszczególnych koncepcji, gdy już jedna, określona linia badań zostanie powszechnie uznana za obiecującą, jest zazwyczaj silniej ukierunkowany i mniej pouczający, z wyjątkiem sytuacji, gdy wybrane podejście okazuje się błędne. Z tego powodu jedynie bardzo krótko omawiam tu ostatnie etapy rozwoju idei, które okazały się poprawne (przynajmniej na razie).

Wydaje mi się, że powinienem w tym miejscu wyjaśnić stosowaną przeze mnie terminologię. Piszę tu o fizyce, naukach fizycznych, naukach przyrodniczych i naukach ścisłych. Przez pierwsze z tych określeń rozumiem badanie zjawisk, które są na tyle proste, że mogą służyć do sprawdzenia teorii fizycznych będących użytecznym przybliżeniem tego, co – jak zakładamy – jest swego rodzaju obiektywną, racjonalnie zachowującą się rzeczywistością. Nauki fizyczne, takie jak na przykład chemia, dodają do fizyki prawidłowości i teorie fenomenologiczne, które są zbyt złożone, by można było łatwo wyprowadzić z nich przybliżenia obiektywnej rzeczywistości odkryte na gruncie fizyki. Zakładam, że zjawiska chemiczne bazują na tej samej rzeczywistości co fizyka, ale sprawdzenie tego byłoby dużym wyzwaniem. Nauki przyrodnicze zajmują się badaniem różnorodnych zagadnień, od chemii przez geologię, botanikę i biologię po naturę istot żywych i funkcjonowanie ludzkiego umysłu. Wymieniłem tu te dyscypliny w porządku odpowiadającym coraz większej złożoności. Pragnę podkreślić, że w żadnym razie wybrana przeze mnie kolejność nie ma związku z tym, jak ważna lub godna uwagi jest dana dziedzina – wszystko to są potrzebne i fascynujące obszary nauki zajmujące się badaniem otaczającego nas świata. Jak wspomniałem, w tej książce omawiam kosmologię jako przykład działania nauk przyrodniczych z tego powodu, że jest ona względnie prosta i dość łatwo można w niej ocenić relacje między teorią i obserwacjami.

Najczęściej przyjmuje się, że przedmiotem badań nauk przyrodniczych jest „natura” lub „przyroda”. Ja wybrałem pojęcie „rzeczywistość”, dzięki czemu mogę używać określenia „natura rzeczywistości”. Stosuję kilka wyjątków od tej reguły, które wynikają z kontekstu. Często posługuję się terminem „obiektywna rzeczywistość”, który jest nadmiarowy, ale podkreśla istotę tego, o co mi chodzi. Wszyscy mamy z góry przyjęte wyobrażenia na temat natury, czyli rzeczywistości. Widzimy ją wszędzie wokół siebie, zawsze mamy ją przed oczami. Zakładam, że krzesło, na którym siedzę, jest rzeczywiste, ponieważ byłoby niemądre, gdybym uważał, że teraz śnię. Nauki przyrodnicze w sposób niejawny opierają się na takim samym założeniu, że natura świata jest niezależna od naszych wyobrażeń na jego temat. Społeczeństwo wpływa na nasze myślenie, ale przyjmujemy, że analiza dowodów empirycznych pozwala nam korygować wszelkie błędne wyobrażenia.

Unikam słów „wiara” i „wierzę” z powodu ich religijnych konotacji, staram się też nie posługiwać określeniami „dowód”, „udowodnienie” i „weryfikacja”, ponieważ wiąże się z nimi zbyt duże poczucie pewności, które wydaje mi się nieodpowiednie w odniesieniu do nauk przyrodniczych. Posługuję się słowem „fakt”, ponieważ występuje w interesujących rozważaniach, które warto omówić, ale rozumiem je z zastrzeżeniem, że w naszej dziedzinie fakt jest zawsze tylko przybliżeniem, tak dobrym, jak potwierdzające go dane. To samo odnosi się do określenia „prawda” i przyznaję, że pojawia się tu ono o wiele częściej, niżbym sobie tego życzył, głównie dlatego, że jest tak bardzo wygodne. Wolę posługiwać się terminem „wskazówka” na określenie sensownej interpretacji obserwacji, a także niezręcznymi, ale trafnymi moim zdaniem określeniami „przekonująco potwierdzony” i „przekonująca argumentacja” w odniesieniu do teorii, które przeszły pozytywnie na tyle dużą liczbę testów swoich przewidywań, że społeczność naukowa zdecydowała się je zaakceptować, zawsze jednak pamiętając o tym, iż jakieś nowe dowody mogą nas zmusić do poszukiwania jeszcze lepszej teorii. Oczywiście, im większa jest liczba poprawnych przewidywań danej teorii, tym bardziej jesteśmy skłonni do jej zaakceptowania. Posługuję się frazą „przyjęte przez społeczność” w odniesieniu do idei, które szeroko rozumiana społeczność naukowa uznała za sensowne, natomiast określenia „standardowe” i „zaakceptowane” oznaczają idee tak głęboko zakorzenione w naszych umysłach, że wydają się kanoniczne. Samo słowo „kanoniczny” sugeruje coś trwałego, ustalonego raz na zawsze, ale oczywiście w nauce nie zawsze tak musi być.

Zazwyczaj uważa się, że „teoria” pełniej opisuje dane zjawisko i jest lepiej sprawdzona od „modelu”, który z kolei bywa nieco bardziej schematyczny i w większym stopniu oparty na domysłach. Jednak w kosmologii idee znajdują się najczęściej w sytuacji pośredniej, dlatego zgodnie z przyjętym zwyczajem w tej książce używam słów „teoria” i „model” zamiennie, z wyjątkiem przypadków, gdy jakiś szczególnie schematyczny opis idei zasługuje na to, by nazywać go wyłącznie „modelem”. Terminem „kosmologia fizyczna” określam teorię i badania obserwacyjne wielkoskalowej natury Wszechświata, z tym że przymiotnik „fizyczna” ma za zadanie odróżnienie tej dziedziny od wielu innych rodzajów kosmologii.

Przestrzeń kosmiczna jest niemal jednorodnie wypełniona promieniowaniem mikrofalowym i udało się przekonująco ustalić, że stanowi ono pozostałość z przeszłości, swoistą skamielinę z wczesnego okresu istnienia Wszechświata. Zazwyczaj nazywa się je kosmicznym mikrofalowym promieniowaniem tła, w skrócie CMB od ang. cosmic microwave background. Mam pewne opory przed używaniem tej nazwy, ponieważ długości fali owego promieniowania były znacznie krótsze w przeszłości, a ponadto, chociaż faktycznie z naszego ziemskiego punktu widzenia tworzy ono tło dobiegające ze wszystkich stron nieba, to jednak bylibyśmy bliżsi prawdy, gdybyśmy traktowali je jak morze wypełniające niemal jednorodnie całą przestrzeń. Czasami nazywam je więc „morzem starego promieniowania”.

Długość fali światła dobiegającego z galaktyk jest przesunięta w kierunku czerwonego krańca widma w wyniku tego, że galaktyki się od nas oddalają. Ruch ten jest potocznie nazywany powszechną ucieczką galaktyk. Każdy obserwator w dowolnej innej galaktyce zobaczyłby, że rozbiegają się one w taki sam sposób. W standardowej kosmologii nie ma żadnego wyróżnionego miejsca w przestrzeni. Średnio rzecz biorąc, pominąwszy ruch względny galaktyk wynikający z lokalnych zaburzeń ich przyciągania grawitacyjnego, odległość między dwiema galaktykami mierzona za pomocą standardowych linijek i zegarów rośnie z prędkością proporcjonalną do dzielącej je odległości. Tak właśnie brzmi prawo Hubble’a, a stałą proporcjonalności, która występuje w opisującym je równaniu nazywamy stałą Hubble’a i oznaczamy symbolem H0. (A zatem prędkość ucieczki galaktyki v znajdującej się w odległości r wynosi v = H0 r). Międzynarodowa Unia Astronomiczna przyjęła rezolucję, zgodnie z którą prawo to powinno być znane jako prawo Hubble’a–Lemaître’a, ponieważ zanim Edwin Hubble przeprowadził obserwacje potwierdzające jego prawdziwość, Hermann Weyl przeczuwał istnienie takiej zależności, a Georges Lemaître przedstawił model przewidujący ów związek. W imię zwięzłości będę się tu jednak dalej posługiwał dawną nazwą.

Czasami mówi się, że przestrzeń się rozszerza, ale takie stwierdzenie może być mylące. Przecież ani ty, ani ja się nie rozszerzamy, pominąwszy zwyczajny wpływ procesów biologicznych, i podobnie galaktyki również się nie rozszerzają, jeśli pominiemy efekty związane ze zwiększaniem się ich masy w wyniku akrecji i utraty materii przez emisję wiatrów. Najlepiej więc będzie, jeśli powiemy, że to przestrzeń między galaktykami się rozszerza, a więc że średnio rzecz biorąc, galaktyki oddalają się od siebie.

Newtonowski opis grawitacji jest nierelatywistyczną granicą ogólnej teorii względności Einsteina. Tam, gdzie ma to znaczenie, posługuję się tą pełną nazwą, ale w wielu przypadkach ograniczam się po prostu do określenia „teoria względności” lub „fizyka relatywistyczna”.

Potoczna nazwa relatywistycznej teorii rozszerzającego się Wszechświata brzmi „teoria Wielkiego Wybuchu”. Simon Mitton (2005) twierdzi, że autorem tej nazwy jest Fred Hoyle. Termin ten nie jest jednak odpowiedni, ponieważ „wybuch” kojarzy się ze zdarzeniem dziejącym się w określonym miejscu i czasie. Ta dobrze już sprawdzona kosmologia opisuje niemal jednorodny Wszechświat, w którym nie ma żadnego brzegu ani szczególnego miejsca czy ustalonego środka – a więc sytuację w niczym nieprzypominającą „wybuchu”. Ba, nie mówi się w niej nawet o zdarzeniu, ale opisuje ewolucję Wszechświata do jego obecnej postaci, która rozpoczęła się od stanu początkowego o niezwykle dużej gęstości, czyli od gorącej, szybko rozszerzającej się materii wczesnego Wszechświata. Jednak nazwa „Wielki Wybuch” tak bardzo wryła się w naszą zbiorową świadomość, że będę się nią nadal posługiwał.

Na zakończenie tych drobiazgowych wyjaśnień pragnę jeszcze zwrócić uwagę na różnicę między pomiarami precyzyjnymi i dokładnymi. Ma ona istotne znaczenie w analizie wyników badań obecnej kosmologii standardowej, włącznie z wynikami omawianymi w podrozdziale 6.10. Przypuśćmy, że zmierzyłem wielokrotnie długość pewnego przedmiotu i ustaliłem, iż średnia wartość wyników pomiaru wynosi L = 1,11 ± 0,01 centymetra. Udało mi się zmniejszyć niepewność każdego pojedynczego pomiaru przez uśrednienie wyniku wielu prób. W tym przykładzie niepewność pomiaru pozostająca po obliczeniu średniej wynosi około 0,01 centymetra. Jednak zawsze gdy przeprowadzamy jakiś pomiar, musimy się liczyć z pojawieniem się błędów systematycznych. Może używany przeze mnie przyrząd pomiarowy uległ nieznacznemu wygięciu, gdy go upuściłem? A może jest odrobinę źle wykalibrowany? Powiedzmy, że według mojej najlepszej oceny po uwzględnieniu wszystkich możliwych błędów systematycznych wynik pomiaru powinien wynosić L = 1,2 ± 0,1 centymetra. Pierwszy wynik, L = 1,11 ± 0,01, jest bardziej precyzyjny. Drugi, L = 1,2 ± 0,1, dokładniejszy. Z zażenowaniem stwierdzam, że czasem nawet wybitni teoretycy nie dostrzegają tej różnicy. Rozróżnienie obu pojęć jest ważne.

Uważam, że należy jak najdokładniej wyjaśnić, co myśleli i robili uczeni zajmujący się naszą dziedziną. Zamieszczam więc w tekście wiele cytatów, ponieważ lepiej będzie, jeśli zamiast mnie głos zabiorą autorzy omawianych prac. Już w szkole średniej wpojono mi szacunek do danych i dlatego często przytaczam cytaty zawierające dane. Niektóre z cytatów mogą być mylące, czasami dane przedstawione są w formie, która również może wprowadzać w błąd, ale niemal zawsze zawierają cenne informacje i należy je traktować z szacunkiem. W świetle tego, co tu napisałem, muszę wyznać, że z pewnym niepokojem przytaczam fragmenty prac napisanych po niemiecku i francusku. Jeśli było to możliwe, korzystałem z dostępnych przekładów na angielski, a gdy nie, tłumaczyłem cytaty samodzielnie, wykorzystując moją ogólną znajomość tych języków i narzędzia dostępne w serwisie Google. Niewątpliwie zawsze coś się traci w tłumaczeniu, ale chyba musimy się z tym pogodzić.

W tekście zamieszczam odsyłacze do artykułów naukowych dla tych, którzy być może będą mieli ochotę przejrzeć dowody potwierdzające omawianą tezę lub choćby tylko upewnić się, że takie dowody w ogóle istnieją. Odwołując się do pracy The Collected Papers of Albert Einstein (Dzieła zebrane Alberta Einsteina; Stachel, Klein, Schulman i in. 1987), podaję w przypisie tom i numer dokumentu zgodnie z klasyfikacją wprowadzoną w serwisie https://einsteinpapers.press.princeton.edu (dostęp: 25 października 2022), w którym przytaczane przeze mnie cytaty są dostępne w języku angielskim.

Dzięki książkom Cambridge Pragmatism: From Peirce and James to Ramsey and Wittgenstein (Pragmatyzm w Cambridge: od Peirce’a i Jamesa do Ramseya i Wittgensteina) Cheryl Misak (2016) i Exact Thinking in Demented Times: The Vienna Circle and the Epic Quest for the Foundations of Science (Dokładne myślenie w szalonych czasach: Koło Wiedeńskie i szeroko zakrojone poszukiwania podstaw nauki) Karla Sigmunda (2017) poznałem różne sposoby myślenia o fizyce, jakie obowiązywały sto lat temu. Książka Życie laboratoryjne Bruna Latoura i Steve’a Woolgara (2020) pozwoliła mi zrozumieć, w jaki sposób socjologowie postrzegają społeczne aspekty prowadzenia badań w ramach nauk przyrodniczych. Dzieło The Science of Mechanics (Mechanika) Ernsta Macha w angielskim przekładzie z 1902 roku i późniejszych tłumaczeniach wspaniale opisuje to, co obecnie nazywamy mechaniką klasyczną. Nadal warto przeczytać tę książkę. Zamieszczona w niej krytyka zjawiska, które Mach nazywa „niewspółmiernie dużym formalnym rozwojem fizyki”, stawia przed nami fascynujące pytanie: co Mach miał na myśli? Dużo nauczyłem się też z książek wielu innych autorów, włącznie z tymi, które zamieszczam w spisie literatury.

Pisząc o filozofii nauki, stąpam po nieznanym mi gruncie, co zawsze jest niebezpieczne, i w związku z tym szczególnie jestem wdzięczny Paulowi Hoyningenowi-Huenemu, Davidowi Kaiserowi, Krystynie Koczanski, Peterowi Koczanskiemu i Cheryl Misak za sprawdzenie moich rozważań na ten temat, ale jeśli mimo to pozostały gdzieś jeszcze jakieś błędne stwierdzenia, to są one z pewnością moje. Fizyk Peter Saulson jest członkiem zespołu naukowego detektora LIGO, który wykrył fale grawitacyjne powstałe w obiektach astronomicznych. Peter przyglądał się kiedyś pracy socjologa Harry’ego Collinsa, który obserwował fizyków prowadzących badania w tym zespole. Bardzo cenię sobie przemyślenia Petera na temat tego doświadczenia i jego uwagi dotyczące socjologii. Socjologia nauki jest złożoną dziedziną i dziękuję Angeli Creager, Reginie Kennan, Janet Vertesi i Harriet Zuckerman za pouczające rozmowy na temat ich pracy. Michel Janssen, Jürgen Renn i Cliff Will podzielili się ze mną mądrymi przemyśleniami na temat genezy ogólnej teorii względności Einsteina. Dziękuję Charlesowi Robertowi O’Dellowi za podzielenie się wspomnieniami z astronomicznych badań obfitości helu w przełomowym okresie dla kosmologii. Virginii Trimble jestem wdzięczny za wspomnienia dotyczące pomiarów grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni światła białych karłów, które odegrały ważną rolę w pierwszych testach ogólnej teorii względności. Dziękuję też Stanislasowi Leiblerowi za omówienie intrygującej roli cząsteczek biofizycznych w tej historii. Jestem wdzięczny Florianowi Beutlerowi za przygotowanie niezwykle ważnego dla mnie wykresu. Ingrid Gnerlich, redaktorka działu naukowego wydawnictwa Princeton University Press, przekazała mi trafne rady dotyczące możliwości poprawienia struktury książki, zebrała również cenne uwagi dwóch wnikliwych czytelników. Dzięki nim książka jest zdecydowanie lepsza – ich pytania zmusiły mnie na przykład do lepszego wyjaśnienia, co w istocie zamierzam osiągnąć. Alison Peebles i Lesley Peebles przekazały mi ważne wskazówki odnośnie do wstępu i wyjaśnienia celu książki. Pisanie jej sprawiło mi dużą przyjemność między innymi dlatego, że starałem się brać pod uwagę przemyślenia Alison i Lesley, a także wielu innych osób, które spotkałem w trakcie mojej długiej kariery naukowej. Na wiele różnych sposobów wszyscy oni podsuwali mi pomysły, które doprowadziły do powstania tej książki.

Miałem ogromne szczęście, że trafiłem na Uniwersytet w Princeton, gdzie mogłem wyjaśniać fizykę zainteresowanym studentom i współpracować z inspirującymi kolegami. Najważniejszą rolę w moim życiu zawodowym – i karierze wielu innych osób – odegrał profesor fizyki Robert Henry Dicke, Bob dla znajomych. W 1958 roku przyjechałem do Princeton z Uniwersytetu w Manitobie jako świeżo upieczony doktorant fizyki, by zająć się badaniami z zakresu fizyki cząstek. Tak się szczęśliwie złożyło, że inny absolwent Uniwersytetu w Manitobie, Bob Moore, poprosił mnie, bym razem z nim chodził na spotkania grupy badawczej Dicke’a poświęcone zagadnieniu poprawy podstaw empirycznych fizyki grawitacyjnej i teorii względności. W grupie Boba wychowało się wielu laureatów Nagrody Nobla, włącznie ze mną. Wszyscy jesteśmy świadectwem wielkości jego wspaniałej wizji.

Administracja Uniwersytetu w Princeton ani razu nie wyraziła zaniepokojenia tym, że poświęcam tyle czasu i wysiłku na prowadzenie badań, które zapewne nigdy nie przyniosą korzyści materialnych. Moim zdaniem jest to doskonały przykład tego, że społeczeństwo przywiązuje jednak dużą wagę do badań otaczającego nas świata, które nie służą niczemu innemu poza zaspokojeniem czystej ciekawości.

Mam nadzieję, że czynni zawodowo uczeni zechcą poświęcić kilka wieczorów na zapoznanie się z tą książką, by dowiedzieć się, co moim zdaniem jest sednem ich pracy, i porównać to z własnymi przemyśleniami na ten temat, które zapewne mają, nawet jeśli nigdy nie zastanawiali się dłużej nad tymi kwestiami. Osoby zainteresowane tym, co dzieje się w naukach fizycznych, ale niewładające językiem matematycznym stosowanym w tej dziedzinie, będą być może musiały poświęcić nieco więcej czasu na zastanowienie się nad naszymi badaniami niż ci z nas, którzy zajmują się tym zawodowo. Starałem się, by zamieszczone tu przemyślenia były zrozumiałe i pouczające również dla czytelników spoza środowiska naukowego. W głównym tekście znajduje się niewiele równań. Nieco więcej można ich znaleźć w nawiasach i przypisach, a oprócz tego przypisy służą mi do wyjaśnienia fachowej terminologii, której nie sposób uniknąć w tego typu publikacji. Zawodowi filozofowie i socjologowie nauki zapewne doskonale znają wnioski, które wyciągam z różnorodnych idei pojawiających się w ich dziedzinach, ale mam nadzieję, że z zainteresowaniem przeczytają, jak moim zdaniem wybrane przeze mnie koncepcje odnoszą się do działań tych z nas, którzy stąpają pewniej po ziemi.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI