Przypadkowy Wszechświat - Kryzys wiary w nauce.pdf - Fizyka, Kosmologia, Astronomia - EBooki - distee

Filozoficzne Aspekty Genezy — 2012, t. 9

http://www.nauka-a-religia.uz.zgora.pl/index.php?action=tekst&id=230

Alan P. Lightman

Przypadkowy Wszechświat:

kryzys wiary w nauce *

W piątym wieku p.n.e. filozof Demokryt stworzył koncepcję, zgodnie z któ-

rą cała materia składa się z maleńkich i niewidzialnych atomów, mających roz-

maite rozmiary i strukturę — jedne twarde, inne miękkie, niektóre gładkie,

a jeszcze inne chropowate. Atomy traktował on jako coś danego. W dziewiętna-

stym wieku naukowcy odkryli, że chemiczne własności atomów powtarzają się

okresowo (aby opisać ten fakt, stworzyli okresowy układ pierwiastków), jednak

pochodzenie takich wzorców pozostawało tajemnicą. Dopiero w dwudziestym

wieku naukowcy dowiedzieli się, że własności atomu określane są przez liczbę

i położenie jego elektronów, subatomowych cząstek orbitujących wokół jego ją-

dra. Wiemy też, że wszystkie atomy cięższe od helu powstały w nuklearnych

piecach gwiazd.

Historię nauki postrzegać można jako proces przemiany zjawisk uważanych

niegdyś za przypadkowe w zjawiska pojmowalne w kategoriach fundamental-

nych przyczyn i zasad. Lista zjawisk w pełni wyjaśnionych obejmuje między in-

nymi: kolor nieba, orbity planet, kąt śladu torowego łodzi płynącej po jeziorze,

sześciostronne wzorce płatków śniegu, ciężar dropia w locie, temperaturę wrzą-

cej wody, wielkość kropli deszczu czy okrągły kształt Słońca. Te oraz wiele in-

nych zjawisk, uznawanych kiedyś za ustalone od samego początku czasu lub za

rezultat późniejszych zdarzeń losowych, zostało wytłumaczonych jako koniecz-

ne następstwa podstawowych praw przyrody — praw odkrytych przez ludzi.

* Alan P. L IGHTMAN , „The Accidental Universe: Science’s Crisis of Faith”, Harper’s Maga-

zine December 2011, s. 34-40, http://www.harpers.org/archive/2011/12/0083720 (08.07.2012). Za

zgodą Autora i Redakcji z języka angielskiego przełożył: Dariusz S AGAN .

256

A.P. Lightman, Przypadkowy Wszechświat: kryzys wiary w nauce

Ten długi i interesujący trend może dobiec końca. Spektakularny rozwój ko-

smologii sprawił, że niektórzy czołowi fizycy przyjęli pogląd, zgodnie z którym

nasz Wszechświat jest tylko jednym z olbrzymiej liczby wszechświatów o bar-

dzo różnych własnościach, a część najbardziej podstawowych cech naszego

konkretnego Wszechświata jest zwyczajnie przypadkowa — jak losowy wynik

rzutu kosmiczną kostką. W takim wypadku nie ma nadziei, że kiedykolwiek wy-

jaśnimy cechy naszego Wszechświata w kategoriach fundamentalnych przyczyn

i zasad.

Stwierdzenie, jak bardzo odmienne od siebie mogą być różne wszechświaty

albo czy istnieją one równocześnie, jest prawdopodobnie niemożliwe. W niektó-

rych mogą występować podobne do naszych gwiazdy i galaktyki. W innych

może ich nie być. Niektóre mogą mieć skończone, a inne nieskończone rozmia-

ry. Cały zbiór wszechświatów nazywany jest przez fizyków „multiwersum”.

Alan Guth, pionier myśli kosmologicznej, twierdzi, że „idea wielu wszechświa-

tów nakłada poważne ograniczenie na możliwość zrozumienia świata dzięki

fundamentalnym zasadom”. Filozoficzny etos nauki został oderwany od swoich

korzeni. Jak powiedział mi ostatnio laureat Nagrody Nobla, fizyk Steven Wein-

berg — człowiek równie starannie dobierający słowa, jak przeprowadzający ob-

liczenia matematyczne — „Znajdujemy się obecnie na rozstaju drogi, którą po-

dążaliśmy, chcąc zrozumieć prawa przyrody. Jeżeli idea multiwersum jest słusz-

na, to styl uprawiania fundamentalnej fizyki ulegnie radykalnej zmianie”.

Naukowcami najbardziej zasmuconymi tego typu wizją, jaką prezentuje

Weinberg, są fizycy teoretyczni. Fizyka teoretyczna to sięgająca najgłębiej i naj-

czystsza gałąź nauki. To ostatni bastion nauki najbliższy filozofii i religii. Na-

ukowcy eksperymentalni zajmują się obserwowaniem i pomiarami kosmosu, od-

krywając, co istnieje, bez względu na to, jak bardzo może to być dziwne. Fizy-

kom teoretycznym, z drugiej strony, nie wystarcza obserwowanie Wszechświa-

ta. Pragną wiedzieć, dlaczego . Wszystkie własności Wszechświata chcieliby

wyjaśnić za pomocą kilku fundamentalnych zasad i parametrów. Owe funda-

mentalne zasady prowadzą z kolei do „praw przyrody”, które rządzą zachowa-

niem całej materii i energii. Oto przykład fundamentalnej zasady fizyki, zapro-

ponowanej po raz pierwszy w 1632 roku przez Galileusza i rozszerzonej w 1905

roku przez Einsteina: wszyscy obserwatorzy podróżujący ze stałą prędkością

Filozoficzne Aspekty Genezy — 2012, t. 9

257

względem siebie powinny podlegać identycznym prawom przyrody. Z zasady

tej Einstein wyprowadził szczególną teorię względności. Przykładem fundamen-

talnego parametru jest masa elektronu, uważanego za jedną z dwudziestu paru

„cząstek” elementarnych w przyrodzie. Z punktu widzenia fizyków, im mniej

fundamentalnych zasad i parametrów, tym lepiej. Zawsze żywili oni nadzieję

i wierzyli, że te podstawowe zasady są tak restrykcyjne, że możliwy jest tylko

jeden spójny Wszechświat, podobnie jak krzyżówka z tylko jednym rozwiąza-

niem. Tym jedynym Wszechświatem byłby oczywiście Wszechświat, w którym

żyjemy. Fizycy teoretyczni są platonikami. Jeszcze do niedawna byli zgodni, że

cały, jedyny Wszechświat wywodzi się z kilku prawd matematycznych i zasad

symetrii z dodatkiem być może garści parametrów, jak masa elektronu. Wyda-

wało się, że jesteśmy blisko uzyskania obrazu Wszechświata, w którym wszyst-

ko da się obliczyć, przewidzieć i zrozumieć.

Jednakże dwie teorie fizyczne — teoria wiecznej inflacji i teoria strun — su-

gerują, że te same fundamentalne zasady, z których wywodzą się prawa przyro-

dy, mogą być źródłem wielu różnych spójnych wszechświatów z wieloma róż-

nymi parametrami. To tak, jakby pójść do sklepu obuwniczego, zmierzyć wiel-

kość stóp i odkryć, że równie dobrze pasują na nie buty w rozmiarach 35, 40

i 45. Takie niejednoznaczne wyniki doprowadzają fizyków teoretycznych do

rozpaczy. Najwyraźniej podstawowe prawa przyrody nie określają jednego, uni-

katowego Wszechświata. Obecnie wielu fizyków sądzi, że żyjemy w jednym

z ogromnej liczby wszechświatów. Żyjemy w przypadkowym Wszechświecie

— we Wszechświecie wymykającym się obliczeniom naukowym.

„W latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych dwudziestego wieku”,

mówi Alan Guth, „czuliśmy, że jesteśmy tak mądrzy, że rozumiemy już niemal

wszystko”. Fizycy znali już wtedy bardzo dokładne teorie trzech z czterech od-

działywań fundamentalnych w przyrodzie: silnego oddziaływania jądrowego,

które wiąże ze sobą jądra atomowe, oddziaływania słabego odpowiedzialnego

za pewne formy rozpadu promieniotwórczego oraz oddziaływania elektroma-

gnetycznego między naładowanymi elektrycznie cząstkami. Istniała też szansa

na połączenie teorii zwanej fizyką kwantową z Einsteinowską teorią czwartego

oddziaływania — grawitacji — dzięki czemu wszystkie one byłyby ujęte w ra-

my czegoś, co fizycy nazywają Teorią Wszystkiego lub Teorią Ostateczną. Teo-

rie z tamtych lat wymagały specyfikacji dwudziestu kilku parametrów odpowia-

258

A.P. Lightman, Przypadkowy Wszechświat: kryzys wiary w nauce

dających masom cząstek elementarnych oraz około pół tuzina parametrów od-

powiadających siłom oddziaływań fundamentalnych. Następnym krokiem było-

by wyprowadzenie większości mas cząstek elementarnych z jednej lub dwóch

mas podstawowych, a także zdefiniowanie wszystkich oddziaływań fundamen-

talnych w kategoriach jednego oddziaływania fundamentalnego.

Istniały dobre powody, by sądzić, że fizycy byli gotowi na wykonanie tego

następnego kroku. Od czasów Galileusza fizyka niebywale skutecznie odkrywa-

ła zasady i prawa, w których występuje coraz mniej wolnych parametrów i które

charakteryzują się bardzo dużą zgodnością z faktami. Na przykład obserwowana

rotacja elipsoidalnej orbity Merkurego, wynosząca 0,012 stopnia na sto lat, zo-

stała z powodzeniem obliczona za pomocą ogólnej teorii względności, zaś ob-

serwowaną siłę magnetyczną elektronu, równą 2,002319 magnetonu, wyprowa-

dzono za pomocą teorii elektrodynamiki kwantowej. W fizyce, znacznie częściej

niż w innych naukach, obserwujemy wiele przypadków dużej zgodności teorii

z wynikami eksperymentów.

Guth, obecnie sześćdziesięcioczteroletni profesor MIT, rozpoczął karierę fi-

zyka w tym pogodnym świecie nauki. Miał nieco ponad trzydzieści lat, gdy za-

proponował gruntowną rewizję teorii Wielkiego Wybuchu, wysuwając koncep-

cję tak zwanej inflacji. Dysponujemy już wieloma świadectwami wskazującymi,

że na początku, około 14 miliardów lat temu, nasz Wszechświat był niesamowi-

cie gęstą i gorącą kulką, a od tamtej pory rozszerzał się, rozrzedzał i stygł. Teo-

ria inflacji głosi, że kiedy nasz Wszechświat liczył jedynie około jedną biliono-

wą bilionowej bilionowej sekundy, pewien szczególny rodzaj energii spowodo-

wał, że kosmos rozszerzał się bardzo szybko. Maleńki ułamek sekundy później

ekspansja Wszechświata znów miała spokojniejsze tempo, przewidywane przez

standardowy model Wielkiego Wybuchu. Teoria inflacji rozwiązała wiele nie-

rozstrzygniętych wcześniej problemów kosmologii — na przykład, dlaczego

Wszechświat jest jednorodny w większych skalach.

Gdy pewnego chłodnego dnia odwiedziłem Gutha w jego znajdującym się

na trzecim piętrze gabinecie w MIT, ledwie byłem w stanie dostrzec go za ster-

tami papierów i pustych butelek po dietetycznej coli na jego biurku. Jeszcze

więcej stert papierów i dziesiątki czasopism znajdowało się na podłodze. Kilka

lat wcześniej Guth wygrał nawet sponsorowany przez Boston Globe konkurs na

Filozoficzne Aspekty Genezy — 2012, t. 9

259

najbardziej niechlujny gabinet w mieście. Nagrodą były jednodniowe usługi

specjalistki od organizacji miejsca pracy. „Okazała się bardziej uciążliwa niż

pomocna. Wzięła sterty kopert z podłogi i zaczęła sortować je według rozmia-

ru”. Guth nosi okulary w stylu lotniczym, ma długie włosy i pije jedną diete-

tyczną colę za drugą. „Powodem, dla którego wybrałem fizykę teoretyczną”, po-

wiedział mi Guth, „było to, że podobała mi się idea, że wszystko — to znaczy

Wszechświat — możemy zrozumieć w kategoriach matematyki i logiki”. W tym

momencie zaśmiał się ironicznie. Rozmawialiśmy o multiwersum.

Choć idea multiwersum stanowi przeszkodę dla ziszczenia się platońskiego

snu fizyków teoretycznych, wyjaśnia ona pewien aspekt naszego Wszechświata,

który przez lata niepokoił część naukowców: z różnych wyliczeń wynika, że

gdyby wartości pewnych podstawowych parametrów naszego Wszechświata

były nieco większe lub nieco mniejsze, nie mogłoby powstać życie. Gdyby na

przykład oddziaływanie jądrowe było o kilka punktów procentowych silniejsze

niż jest, to wszystkie atomy wodoru w młodym Wszechświecie połączyłyby się

z innymi atomami wodoru, tworząc hel, i nie pozostałby żaden wodór. Bez wo-

doru nie ma wody. Mimo iż daleko nam do pewności, jakie warunki są koniecz-

ne do życia, większość biologów uważa, że woda jest niezbędna. Z drugiej stro-

ny, gdyby oddziaływanie jądrowe było znacznie słabsze niż jest, to nie mogłyby

powstać konieczne dla struktur biologicznych złożone atomy. Rozważmy inny

przykład. Gdyby związek między siłami oddziaływania grawitacyjnego i od-

działywania elektromagnetycznego nie był bardzo bliski swojej obecnej warto-

ści, to w kosmosie nie byłoby ani żadnych gwiazd, które eksplodują i wyrzucają

w przestrzeń potrzebne dla życia pierwiastki chemiczne, ani innych gwiazd, wo-

kół których formują się planety. Oba typy gwiazd są wymagane do powstania

życia. Siły podstawowych oddziaływań oraz pewnych innych fundamentalnych

parametrów w naszym Wszechświecie wydają się „subtelnie zestrojone”, aby

umożliwiać istnienie życia. Odkrycie tego subtelnego zestrojenia skłoniło bry-

tyjskiego fizyka Brandona Cartera do sformułowania tezy nazwanej przez niego

zasadą antropiczną, zgodnie z którą Wszechświat musi mieć takie parametry, ja-

kie ma, ponieważ istniejemy i możemy to zaobserwować. Ściśle biorąc, słowo

antropiczny , które w grece odnosi się do „człowieka”, jest niewłaściwe: gdyby

te fundamentalne parametry były znacznie inne niż są, to nie tylko ludzie by nie

istnieli. Nie istniałaby żadna forma życia.

Przypadkowy Wszechświat - Kryzys wiary w nauce.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: