Читать книгу Kosmiczne zachwyty - Neil deGrasse Tyson - Страница 8

Początki nauki

Sukcesy praw fizyki w wyjaśnianiu zachodzących w otaczającym nas świecie zjawisk często wpływają na formułowanie aroganckich sądów o stanie ludzkiej wiedzy – że to, czego jeszcze nie wiemy, to niemające wielkiego znaczenia szczegóły. Nawet niektórzy laureaci Nagrody Nobla i inni szacowni naukowcy nie uniknęli tej pułapki i narazili się na kompromitację.

Jedną ze słynnych proklamacji końca nauki wygłosił w 1894 roku podczas ceremonii otwarcia Laboratorium Fizycznego Ryersona na Uniwersytecie w Chicago późniejszy noblista Albert A. Michelson. Powiedział wówczas:

Najważniejsze z fundamentalnych praw i twierdzeń fizyki zostały już poznane i jednoznacznie potwierdzone, zatem wyparcie ich przez inne nowe zasady jest bardzo mało prawdopodobne. (…) Przyszłych odkryć należy oczekiwać na poziomie szóstego miejsca po przecinku.

Współczesny Michelsonowi genialny astronom Simon Newcomb, współzałożyciel Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego, nieco wcześniej, bo w 1888 roku, wyraził podobne do Michelsona poglądy, pisząc: „Najprawdopodobniej dochodzimy do kresu wszystkiego, czego można się dowiedzieć w astronomii”. Zbytnią pewnością siebie wykazał się nawet wielki fizyk lord Kelvin (na cześć którego nazwano bezwzględną skalę temperatury), który w 1901 roku stwierdził: „W fizyce nie ma już nic nowego do odkrycia. Jedyne, co nam pozostało, to coraz dokładniejsze pomiary”. Wszystkie te stwierdzenia padły w czasach, kiedy uważano, że światło w kosmosie rozchodzi się w ośrodku zwanym eterem, a niewielka różnica pomiędzy obserwowanym a wynikającym z obliczeń obiegiem Merkurego wokół Słońca wciąż pozostawała niewyjaśniona. Takie rozterki wydawały się w tamtych czasach drobnostkami i zakładano, że przy niewielkich modyfikacjach istniejących praw fizyki uda się je wyjaśnić.

Na szczęście Max Planck, jeden z twórców mechaniki kwantowej, był nieco bardziej przezorny niż przestrzegający go w 1874 roku nauczyciel, którego słowa wspominał w wykładzie z 1924 roku:

Kiedy po rozpoczęciu studiów fizycznych udałem się do mojego czcigodnego nauczyciela Philippa von Jolly’ego po poradę, (…) przedstawił mi fizykę jako dobrze rozwiniętą i niemal w pełni poznaną naukę. (…) Może w którymś zakamarku czaiła się jeszcze jakaś pojedyncza cząsteczka kurzu albo mały bąbel, który należało zbadać i sklasyfikować. Jednak systemowi jej zasad właściwie nic nie zagrażało, a fizyka teoretyczna osiągnęła niemal taki stan doskonałości, jaki od wieków posiadała na przykład geometria.

Początkowo Planck nie miał powodów, aby podważać poglądy swego mentora. Jednak kiedy okazało się, że klasyczne wyjaśnienie promieniowania cieplnego materii jest nie do pogodzenia z wynikami eksperymentu, Planck stał się w 1900 roku przypadkowym rewolucjonistą, postulując istnienie kwantu – niepodzielnej porcji energii. Otworzyło to zupełnie nowy rozdział w fizyce. W ciągu kolejnych trzydziestu lat sformułowane zostały szczególna i ogólna teoria względności, pojawiła się mechanika kwantowa i odkryto zjawisko rozszerzania się wszechświata.

Biorąc pod uwagę krótkowzroczność niektórych jego poprzedników, mogłoby się wydawać, iż błyskotliwy i bardzo twórczy fizyk Richard Feynman nie wpadnie w tę samą pułapkę. W swej znakomitej książce pod tytułem Charakter praw fizycznych pisze on jednak:

Mamy szczęście, że żyjemy w epoce wielkich odkryć. (…) Obecnie odkrywamy podstawowe prawa natury i ten okres nigdy się już nie powtórzy. To cudowne, podniecające czasy, ale kiedyś się skończą.

Nie twierdzę, że wiem, kiedy i gdzie nastąpi koniec nauki, ani czy kiedykolwiek do tego dojdzie. Wiem natomiast, że jesteśmy głupsi, niż potrafimy to przed sobą przyznać. To bardziej ograniczenia naszych zdolności umysłowych niż nauki jako takiej przekonują mnie, że dopiero zaczynamy odkrywanie wszechświata.

Załóżmy na chwilę, że ludzie są najinteligentniejszym gatunkiem na Ziemi. Jeśli na potrzeby dyskusji zdefiniujemy inteligencję jako umiejętność abstrakcyjnego matematycznego myślenia, to moglibyśmy stwierdzić, że ludzkość jako jedyna posiada tę cechę.

Jakie są szanse, że pierwszy i jedyny inteligentny gatunek w historii jest wystarczająco mądry, aby w pełni zrozumieć zjawiska zachodzące w kosmosie? Szympansy są ewolucyjnie tylko o krok za nami, a mimo to – jak długo byśmy je uczyli – raczej nie opanują trygonometrii. Spróbujmy sobie jednak wyobrazić, że na Ziemi lub gdzie indziej w kosmosie istnieje gatunek o tyle inteligentniejszy od człowieka, o ile człowiek przewyższa inteligencją szympansa. W jakim stopniu byłby on w stanie zrozumieć wszechświat?

Znający grę w kółko i krzyżyk wiedzą, że jej zasady są na tyle trywialne, iż jeśli wykona się odpowiedni ruch na początku, to albo się wygrywa, albo blokuje przeciwnika do końca rozgrywki. Małe dzieci jednak grają w tę grę tak, jakby jej wyniku nie dało się przewidzieć. Reguły gry w szachy też są proste i przejrzyste, ale przewidzenie sekwencji ruchów przeciwnika staje się tym trudniejsze, im dłużej trwa pojedynek. Nawet dla bardzo sprytnych i utalentowanych dorosłych gra w szachy jest więc sporym wyzwaniem i trudno przewidzieć, jak się zakończy.

Jednym z najmądrzejszych ludzi w historii był według mnie Isaac Newton. Ta opinia nie jest zresztą odosobniona. Na jego popiersiu w Trinity College w Anglii widnieje inskrypcja Qui genus humanum ingenio superavit, co w tłumaczeniu z łaciny oznacza mniej więcej: „największy intelekt wśród ludzi”. Newton podsumował stan swojej wiedzy w następujący sposób:

Nie wiem, co myślą o mnie inni. Ja postrzegam siebie jako małego chłopca, bawiącego się na plaży i cieszącego się ze znalezienia od czasu do czasu gładszego kamyka albo muszelki ładniejszej od innych, podczas gdy tuż obok znajduje się wielki ocean ukrytych przede mną prawd.

Kosmos jest jak gra w szachy, której zasady są tylko częściowo znane. Czasem zachowuje się on w sposób bardzo tajemniczy, trochę tak, jakby podporządkowywał się jakimś sekretnym, niejawnym regułom, których nie ma w spisanej do tej pory instrukcji.

Umiejętność odróżniania wiedzy o obiektach i zjawiskach przebiegających w oparciu o znane prawa fizyki od znajomości tychże praw leży u podstaw wszystkich przekonań, że nauka ma się ku końcowi. Odkrycie życia na Marsie lub pod lodową powłoką księżyca Jowisza, Europy, byłoby niewątpliwie największym odkryciem wszech czasów. Jednak własności fizyczne i chemiczne atomów znalezionych tam form życia byłyby zapewne takie same jak atomów tworzących ziemskie organizmy żywe. Nie potrzebowalibyśmy więc żadnych nowych praw.

Rzućmy jednak okiem na kilka nierozwiązanych problemów z newralgicznych obszarów współczesnej astrofizyki, które pokazują, jak rozległa jest nasza niewiedza. Ich rozwikłanie z dużym prawdopodobieństwem wpłynie na odkrycie zupełnie nowych dziedzin fizyki.

Choć mamy bardzo dużą pewność co do słuszności teorii Wielkiego Wybuchu jako modelu ewolucji wszechświata, to na temat tego, co znajduje się poza kosmicznym horyzontem, oddalonym od nas przynajmniej o 13,7 miliarda lat świetlnych, możemy tylko spekulować. To, co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem, i dlaczego musiał on nastąpić, pozostaje w strefie domysłów. Niektóre hipotezy formułowane w oparciu o zaawansowane teorie mechaniki kwantowej sugerują, że nasz rozszerzający się kosmos powstał wskutek pojedynczej fluktuacji pierwotnej piany czasoprzestrzennej, a wiele innych fluktuacji dało początek niezliczonej liczbie innych wszechświatów.

Kiedy próbujemy komputerowo symulować setki miliardów galaktyk w czasie krótko po Wielkim Wybuchu, dane z wczesnych i późnych etapów powstawania kosmosu nie zgadzają się ze sobą. Spójny opis początków wszechświata i ewolucji jego wielkoskalowej struktury nadal nam umykają i wszystko wskazuje na to, że jakieś elementy tej układanki nie zostały jeszcze poznane.

Sprawdzające się doskonale przez setki lat prawa ruchu i grawitacji Newtona zostały zastąpione prawami ruchu i grawitacji Einsteina, czyli teoriami względności, w które dziś nikt już nie wątpi. Powszechną akceptacją cieszy się też opisująca kosmos na poziomie atomowym i subatomowym mechanika kwantowa. Tyle tylko, że teoria względności Einsteina w postaci, w jakiej została pierwotnie sformułowana, jest nie do pogodzenia z fizyką kwantową, bowiem każda z nich przewiduje inne zjawiska dla obszaru, w którym się zazębiają. Któraś z nich musi dać za wygraną. Albo jakaś jeszcze nieodkryta część teorii Einsteina potwierdzi prawdziwość założeń mechaniki kwantowej, albo istnieje jakiś brakujący element mechaniki kwantowej, który pozwoli zaakceptować teorię względności.

A może potrzeba jeszcze ogólniejszej teorii, która te dwie połączy i w rezultacie zastąpi? Właśnie w tym celu została opracowana teoria strun. Sprowadza ona kwestię istnienia materii, energii i ich wzajemnych oddziaływań do wibrujących w wielu wymiarach strun energii. W naszej mizernej czasoprzestrzeni rozmaite drgania przybierają postać różnych cząstek i sił. Choć teoria strun od ponad dwudziestu lat ma zagorzałych zwolenników, jej założeń jak na razie nie udało się eksperymentalnie potwierdzić. Jednak mimo rosnącego sceptycyzmu niektórzy nadal wierzą, że uda się ją zweryfikować.

Nadal nie wiemy, co umożliwiło uformowanie się z nieożywionej materii żywych organizmów. Może istnieje jakiś mechanizm lub prawo chemiczne dotyczące samoorganizacji, którego nie znamy? Nie dysponujemy przecież niczym, do czego można by porównać ziemską biologię, więc nie możemy ocenić, co jest konieczne do powstania życia, a co nie odgrywa w tym żadnej roli.

Od momentu ogłoszenia nowatorskich prac Edwina Hubble’a w latach dwudziestych minionego wieku wiemy, że kosmos się rozszerza, a niedawno odkryliśmy, że dodatkowo przyspiesza pod wpływem ujemnego ciśnienia zwanego „ciemną energią”. Obecnie nie mamy nawet roboczych hipotez, które pomogłyby nam ją zrozumieć.

Bez względu na to, jak bardzo jesteśmy przekonani o słuszności naszych badań, eksperymentów, danych czy teorii, zawsze powinniśmy pamiętać, że 85 procent siły grawitacyjnej w kosmosie pochodzi z nieznanego, tajemniczego źródła, które opiera się wszystkim dotychczas wynalezionym narzędziom obserwacji. W tej chwili można się domyślać, że w źródle tym nie ma zwykłych cząstek, takich jak elektrony, protony czy neutrony, ani żadnych oddziałujących z nimi rodzajów materii i energii. Ten efemeryczny i gorszący twór wciąż pozostaje wielką niewiadomą i nazywany jest „ciemną materią”.

Czy brzmi to tak, jakby miał nastąpić koniec nauki? Czy powinno nam się wydawać, że wszystko już wiemy i że możemy sobie pogratulować? Według mnie jest dokładnie na odwrót – jesteśmy nieporadnymi durniami, przypominającymi naszego kuzyna szympansa próbującego zrozumieć prawo Pitagorasa.

Może jestem trochę niesprawiedliwy wobec Homo sapiens i analogia z szympansem jest nieco przesadzona. Może nie chodzi o to, jak inteligentni są pojedynczy przedstawiciele danego gatunku, ale o to, jakim zbiorczym potencjałem inteligencji on dysponuje. Ludzie nieustannie dzielą się i wymieniają swoimi odkryciami podczas konferencji, w publikacjach i w mediach, w tym także przez internet. W przeciwieństwie do napędzanej przez selekcję naturalną ewolucji darwinowskiej rozwój kultury w dużej mierze przebiega zgodnie z teorią ewolucji Lamarcka; nowe pokolenia otrzymują w spadku wszystkie dokonania przodków, dzięki czemu nasze poznawanie kosmosu może akumulować się bez końca.

Każde odkrycie naukowe staje się dzięki temu kolejnym szczeblem na drabinie wiedzy, której końca nie widać, bo cały czas ją konstruujemy. Jestem przekonany, że wspinając się po niej, zawsze będziemy szukać rozwiązań kolejnych zagadek wszechświata, jedna po drugiej.