70 lat tradycji. Inspirujemy Prowokujemy Dyskutujemy

Dlaczego jest, jak jest?

Za sprawą fizyki poznaję rzeczywistość, która z jednej strony nas przerasta, i to wielokrotnie, z drugiej – jednak daje się uchwycić. Jak celnie zauważył Einstein: Pan Bóg jest wyrafinowany, ale nie złośliwy.

Peter Higgs prawdopodobne istnienie nowej cząstki elementarnej opisał w artykule wielkości zaledwie półtorej strony – w przypisie do pracy Roberta Brouta i François Englerta z 1964 r. Nad sprawdzeniem tego założenia pracowała jednak przez następne pół wieku trudna do określenia liczba „osobogodzin”. Niełatwo chyba podać lepszy przykład siły myśli ludzkiej… Mnie jednak interesuje, w jaki sposób tak subtelna wiedza o rzeczywistości jak istnienie cząstek elementarnych, zmieniła człowieka. Skoro na sposób postrzegania świata przez homo sapiens wpłynęły teoria ewolucji i lądowanie na Księżycu, udowodnienie istnienia cząstek elementarnych też musiało nam pokazać świat od innej strony.

Fizyka XX-wieczna, która pozwoliła nam poznać m.in. cząstki elementarne i dowiedzieć się jeszcze więcej o budowie materii, dopuściła istnienie tajemnicy. Taki paradoks… Do końca XIX w. rozwoju fizyki upatrywano bowiem, z małymi wyjątkami, w gromadzeniu informacji i szukaniu pomiędzy nimi związków przyczynowo-skutkowych. Uważano, że wszystko jest do odkrycia, pozostawała tylko kwestia narzędzi, za pomocą których miało się to udać. Przystawało do tego wyobrażenie świata, w którym nie było miejsca na wolną wolę – ludzie byli marionetkami, bo ich działania miał zdeterminować stan cząstek ich ciała. Nawet to, że w środku lata mam ochotę na koktajl truskawkowy, miało być wynikiem konfiguracji atomów w moim mózgu, a nie przejawem osobistych upodobań smakowych.

Odpowiedź Pierre’a Simona de Laplace’a, matematyka: „ta hipoteza nie była mi potrzebna”, udzielona Napoleonowi na pytanie, dlaczego w pięciotomowym dziele Mechanika nieba nie uwzględnił istnienia Boga, mieści się w tak deterministycznie rozumianym rozwoju fizyki. Mechanika nieba była zgodna ze wszystkimi znanymi wówczas faktami i napisana z przekonaniem, że poznanie obecnego stanu świata pozwala przewidzieć jego przyszłość i odtworzyć przeszłość. Fizyka XX-wieczna odrzuciła takie myślenie – nie tylko uznała nieprzewidywalność świata, ale dopuściła możliwość istnienia zjawisk, których poznać nie możemy, bo są immanentnie przed nami zakryte. Świat nie jest przecież dany raz na zawsze – on się staje. Dzięki mechanice kwantowej zdajemy sobie sprawę, że każdy akt, choćby pomiaru, powoduje, że świat od momentu zaistnienia tego wydarzenia biegnie inaczej. Nieprzypadkowo to Albert Einstein, jeden z ojców mechaniki kwantowej, wprowadził zasadę, by w rozmowie o świecie przejść z obserwacji do poziomu, który sam określam jako logos.

Czyli słowo.

Albo sens. Tak się bowiem składa, że w XX w. obserwacja i opis, czyli teoria, rozeszły się na tyle poważnie, że – twierdzę – można byłoby całe dziesięciolecia obserwować wyniki zderzeń cząstek w wielkim zderzaczu hadronów (LHC) w CERN pod Genewą i nie wyprowadzić kwantowej teorii pola, która leży u ich podstaw. Przejście z poziomu obserwacji na poziom teorii wymaga zupełnie innego namysłu – takiego, który doprowadzi nas do znalezienia sensu obserwowanych zdarzeń.

Einsteina nie doprowadziła bowiem do ogólnej teorii względności obserwacja planet ani spadających jabłek – stworzył ją, zakładając, że każdy obserwator tak samo opisuje prawa fizyki, niezależnie od tego, jak się porusza: ruchem jednostajnym czy przyspieszonym. Pierwszym testem, który potwierdził słuszność jego założeń, było objaśnienie obrotu peryhelium Merkurego, czyli tego momentu kiedy planeta jest najbliżej Słońca – XIX-wieczne obserwacje wykazały obrót o 42 sekundy kątowe na stulecie, czego nikt nie potrafił wyjaśnić. Podejrzewano nawet istnienie nowej planety – nazywano ją Wulkanem – która miała wpływać na zmiany w położeniu peryhelium. Einstein dzięki swojej teorii obliczył poprawkę do orbity Merkurego w polu grawitacyjnym Słońca i potwierdził, że – w odróżnieniu od teorii Newtona – jego teoria przewiduje obrót peryhelium właśnie o 42 sekundy kątowe na stulecie. Obliczył również, że światło powinno zakrzywiać się wokół Słońca pod kątem dwa razy większym niż w teorii Newtona. Potwierdził to kilka lat później Arthur Eddington, dokonując podczas zaćmienia Słońca obserwacji zakrzywienia światła od odległej gwiazdy.

Wyraźnie trzeba jednak zaznaczyć, że sformułowanie teorii nie wynikało z chęci wyjaśnienia przez Einsteina jakichś rozbieżności obserwacyjnych – to był czysty namysł nad symetrią rzeczywistości.

Ilu fizyków potrafi stworzyć teorię, która mówi coś prawdziwego na temat rzeczywistości?

Tylko ci naprawdę wielcy potrafią zaproponować coś na poziomie logosu – teorię, która ma związek z rzeczywistością. Mniej wielkim udaje się to rzadziej. Mówiąc wprost: na ogół się to nie udaje. Nawet najwięksi fizycy mają na swoim koncie ponad 99% porażek, kiedy obserwacje nie potwierdzają teorii. Nieprzypadkowo Lew Landau stwierdził, że dobry fizyk to taki, który napisał w życiu choć jedną taką pracę, jaką obserwacje zweryfikowały pozytywnie. Namysł nad rzeczywistością jest więc w fizyce niesłychanie istotny – wręcz twierdzę, że droga w przeciwnym kierunku: od obserwacji do teorii, jest niemożliwa. Z drugiej strony, opisanie w języku współczesnej fizyki teoretycznej najprostszego zjawiska, nawet konstrukcji stołu czy palącej się świecy, wymaga użycia języka, w którym nikt, kto nie jest fizykiem, nie domyśliłby się, że jest mowa o zdarzeniach tak, wydawałoby się, prostych. Bo co słowa: oscylator, stałe sprzężenia, poziomy energetyczne, mogą powiedzieć laikom?

„Trudna jest ta mowa. Któż jej może słuchać?” (J 6, 60)…

Język fizyki, podobnie jak mowa eucharystyczna, do której odnosi się to zdanie, korzysta z innych pojęć niż te, które znamy z języka używanego na co dzień. Nawet nie jestem pewien, czy on opisuje znaną nam rzeczywistość – prędzej świat logosu, świat praw, które rządzą rzeczywistością.

Współczesna fizyka – fizyka cząstek elementarnych – byłaby więc nauką, która otworzyła człowieka na tajemnicę, uświadomiła mu zarówno to, że nie wszystko jest w stanie przewidzieć, jak i jego wpływ na rzeczywistość. Przynajmniej w tym sensie, że jest obserwatorem, więc zmusza obiekt kwantowy do pewnego zachowania. Nawet patrząc na zapaloną świecę, dokonuję pomiaru fotonów, które w stanie kwantowym mogą być splątane z innym fotonem, ale gdy już uderzą w siatkówkę mojego oka, stają się fotonami, które uderzyły w to, a nie inne miejsce siatkówki. Istnienie tajemnicy w świecie materialnym, czyli tam gdzie byśmy się jej nie spodziewali, prędzej oczekując wyjaśnienia wszystkiego, powinno nas otworzyć na istnienie tajemnicy w innych rejonach rzeczywistości.

Bliski jest mi Platon, i to nie tylko dlatego że moim pradziadkiem był Wincenty Lutosławski, który jako pierwszy ustalił chronologię dzieł filozofa i wskazał na ewolucję jego poglądów metafizycznych: od przypisywanego Platonowi idealizmu obiektywnego w kierunku bliskich Lutosławskiemu spirytualizmu i mistycyzmu.

Ponieważ Wincenty Lutosławski był osobowością bardzo bogatą, dopowiem, że był też nauczycielem akademickim, działaczem narodowym, założycielem towarzystw: Eleuteria do przeciwdziałania alkoholizmowi i Eleuzis, które stawiało sobie za cel walkę z wadami narodowymi Polaków (idee te wpłynęły później na kształt polskiego harcerstwa). Prywatnie był stryjem kompozytora Witolda Lutosławskiego.

I jeszcze jedno: poza filozofią studiował także bliską mi chemię na uniwersytecie w Dorpacie. Platon jest jednak dla mnie ważny nie tylko z powodów osobistych, także z racji pojęciowych. Pokażę to na przykładzie alegorii jaskini platońskiej: cienie rzucane na ściany to dla mnie świat rzeczywistości – obserwacji; rzeczywiste obiekty, które są ich źródłem, to świat idei – logosu; Słońce, dzięki któremu cienie widzimy, to wedle mnie transcendencja – coś, co przekracza ten świat; trzeci poziom, na który pierwsze dwa nie wskazują bezpośrednio. Bo jeden na pytanie o istnienie transcendencji powie prymarne „tak”, a ktoś inny – prymarne „nie”. Prymarne „tak” oznacza, że widzimy pierwotną doskonałość, ukrytą np. w prawach przyrody, która pochodzi z transcendentnego źródła. Kto istnienie transcendencji wyklucza, powie: „prawa są takie, bo takie są”, nie dostrzegając w tym nic ponad to.

Jednak już na pytanie, dlaczego istnieją prawa fizyki, nauka nie odpowie. Ich istnienie jest bowiem nieoczywiste. Więcej: ich nie powinno być. Tymczasem prawa są piękne, proste, eleganckie… Tak też nie powinno być – jeżeli wszechświat miałby być tworem wyciągniętym z kapelusza jako jeden z wielu możliwych do zaistnienia, spodziewalibyśmy się chaosu jako bardziej prawdopodobnego od porządku. Możemy więc szukać tych praw, odkrywać je, korzystać z ich istnienia, ale na gruncie nauki nie potrafimy wyjaśnić, dlaczego istnieją i dlaczego są właśnie takie.

Prawa są, bo są. Może to nie ma znaczenia?

Czyli: jest, jak jest, bo tak jest? To nie jest dla mnie żadne wyjaśnienie. Światem mógłby przecież rządzić chaos i wtedy nauka ani jakakolwiek kumulacja wiedzy nie byłyby możliwe. Dlaczego więc świat istnieje i jest poddany uniwersalnym prawom? Dlaczego są one takie same dziś i jutro, tutaj i dwie galaktyki stąd? Patrząc na prawa fizyki, widzę istnienie czegoś, co je przekracza, w jakimś sensie uzasadnia. Dla mnie to silna przesłanka istnienia transcendencji. Oczywiście można byłoby założyć, że jej nie ma, a świat, jakby nigdy nic, byłby zorganizowany wedle niezmiennych, uniwersalnych i pięknych w swej prostocie praw. Tyle że w takiej sytuacji nic bym z tego nie rozumiał – czułbym się jak ktoś, komu brakuje znajomości rzeczy podstawowej.

Może wszechświat uformował się w taki sposób przez przypadek?

To sugerowałoby, że choć jedna rzeczywistość jest ustalona i uniwersalna, mogłaby istnieć inna, o podobnych właściwościach. Pytanie dotyczy tymczasem czego innego: dlaczego prawa dotyczące rzeczywistości są uniwersalne? Czy mogłyby być inne? Może nie, bo nasz wszechświat jest emanacją jedynej spójnej teorii? Dlaczego świat podlegający tym prawom istnieje? Dlaczego wszechświat nie uformował się wedle inaczej pomyślanej teorii? Ci, którzy – jak ja – mają te wątpliwości, nie poradzą sobie z nimi, jeżeli będą się poruszać wyłącznie wewnątrz świata materialnego. Metoda naukowa jest bowiem wobec nich bezradna.

Bo to jest tak: jeżeli ktoś założył, że transcendencja istnieje, zobaczy ją wszędzie. Nie ma jednak ruchu w drugą stronę – od teorii do transcendencji. Żaden dowód nie przekona osoby, w której widzeniu świata wszystko przemawia za tym, że transcendencji nie ma. Ale nawet osoby, które nie wierzą w jakikolwiek byt transcendentny, muszą dostrzegać tę harmonię, choć na pewno nie zgodziłyby się na nazwanie w ten sposób. Skoro jednak ktoś się tym zachwyca, to przecież to widzi… Zachwyt budzi nie tylko sam fakt istnienia tych praw, ale także ich znaczenie, konstrukcja, co przecież nie jest w nie wbudowane. Docenienie piękna tych praw już jest metafizyką – jest fizyki przekraczaniem, bo sama fizyka zajmuje się wyłącznie tym, jakie one są.

A gdybym chciała zobaczyć, że jednak istnieje bardziej coś niż nic…

Odpowiem przekornie. Dzisiaj, inaczej niż w czasach wspomnianego Laplace’a, zdajemy sobie sprawę, że granice poznania są wbudowane w mikro- i makroświat, a ich przekroczenie jest poza zasięgiem ludzkich możliwości. Bo przecież: jeżeli stan elektronu przewiduje dwa możliwe rezultaty eksperymentu, w żaden sposób nie domyślę się, jaki będzie wynik. Innymi słowy: nie zapropognozuję przyszłości, bo świat się staje w momencie pomiaru. Jeżeli natomiast istnieje we wszechświecie stała kosmologiczna – dziwna substancja, która powoduje, że wszechświat coraz szybciej się rozszerza, zamiast, co byłoby naturalne, spowalniać rozszerzanie – tzn., że żyjemy w skończonej kuli. Niewiele większej od tej, którą widzimy już teraz i spoza której nigdy nie dojdzie do nas żaden sygnał, nawet gdybyśmy nieskończenie długo czekali.

Jeżeli więc nie możemy poznać całego wszechświata i precyzyjnie przewidzieć przyszłości, nawet najbliższej, to uprawniony wydaje się wniosek, że po prostu nie wszystko da się poznać do końca.

Z wykładu Pana Profesora, którego kiedyś wysłuchałam, zostały mi w głowie zaledwie pojedyncze wyrażenia, np. takie: „piękna symetria”, „wnęka o dużej dobroci”. Co fizyk ma na myśli, mówiąc o pięknie?

Opowiem to na przykładzie teorii względności, bo do niej to określenie w fizyce pasuje najbardziej. Einstein założył, że w sytuacji gdy działa grawitacja, każdy tak samo opisuje prawa fizyki: i ten, kto stoi i obserwuje kulkę, która porusza się jednostajnie; i ten, kto – chodząc w tę i z powrotem – obserwuje, jak kulka przyspiesza, hamuje, przyspiesza… Tej prostej zasadzie niezależności opisu od układu współrzędnych podlegają wszystkie ciała: pasażer windy, który po zerwaniu liny znalazł się w stanie nieważkości; prom w przestrzeni kosmicznej, poruszający się ruchem jednostajnym; satelita okrążający Ziemię. Z punktu widzenia teorii Einsteina każde z powyższych ciał porusza się po najkrótszej prostej w czasoprzestrzeni, najkrótszej w danym polu grawitacyjnym i przy danych warunkach początkowych. Na tym zasadza się elegancja i piękno tego prawa – jest nieskomplikowane i stosuje się do każdego ciała.

Kiedy Pan Profesor opowiadał o codzienności fizyka, którego teorie w ponad 99% przypadków zamiast okazywać się pełnymi elegancji, lądują w koszu na śmieci, zaczęłam się zastanawiać, czy fizycy mają problem z ustaleniem poczucia sensu życia, przynajmniej tego naukowego.

Sens życia, podobnie jak każda inna aksjologia, jest kategorią, której w fizyce nie ma – systemu wartości trzeba szukać gdzie indziej. Fizyk musi mieć natomiast wyobraźnię, bo to ona pozwoli mu zająć się pomysłem, który innemu badaczowi może wydać się zupełnie absurdalny. A także skórę hipopotama i niebywałą odporność na klęski. Jak inaczej miałby sobie poradzić z sytuacją, że co pomysł, to porażka?

Co otrzymujemy w zamian, uprawiając tak frustrującą dziedzinę naukową?

Nie sposób zadać bardziej podstawowych pytań o świat materialny niż na poziomie fizyki – oto, co zyskujemy. Jak działa świat na poziomie fundamentalnym? Jak zrozumieć mechanikę kwantową? Co to jest wszechświat? Czy ma granice w czasie i przestrzeni? Czy istnieją granice poznania w nauce? Rygor języka matematyki, w jakim zapisuje się prawa fizyki, nie nada życiu sensu, nie odpowie na pytanie, skąd się bierze zło na świecie ani jak ułożyć sobie relacje z innymi ludźmi. Fizyka może jednak dać uczucie zachwytu nad pięknem świata, nawet ekstatycznej przyjemności, kiedy uda nam się zrozumieć np. ogólną teorię względności.

Ekstatyczna przyjemność to nigdy nie jest mało.

Fizyka uczy też rygoru myślenia: jeżeli zaproponuję model, który się okaże zgodny z rzeczywistością, inny badacz musi dojść do tych samych wniosków. Nawet w filozofii, którą również rządzą rygory logiki, fałsz albo prawda twierdzeń nie uderzają nas z taką oczywistością.

Za sprawą fizyki poznaję rzeczywistość, która z jednej strony nas przerasta, i to wielokrotnie, z drugiej – jednak daje się uchwycić. Jak celnie zauważył Einstein: Pan Bóg jest wyrafinowany, ale nie złośliwy. Gdyby było inaczej, stała Plancka byłaby np. 1034 większa, niż jest, a stała Newtona 1040 razy większa, i wtedy: po pierwsze, by nas nie było, w każdym razie w takiej formie, w jakiej teraz istniejemy, a po drugie, nic byśmy nie rozumieli, bo musielibyśmy odkryć teorie cząstek i grawitacji od razu w formie kwantowej, co nawet dzisiaj nie jest możliwe. Dzięki temu, że te wielkości są dużo mniejsze, mogliśmy i możemy poznawać świat po kolei – obierając go niczym cebulkę z łupin. Od teorii prostych, ale mających istotne zastosowanie, do coraz ogólniejszych i bardziej wyrafinowanych. I coraz piękniejszych.

Kiedy Pan pomyślał po raz pierwszy, że tylko fizyka pozwala zajmować się tym, co dla zrozumienia świata jest najważniejsze?

W pierwszych klasach szkoły średniej zajmowałem się wyłącznie chemią, zostałem finalistą olimpiady z tego przedmiotu i miałem indeks w kieszeni. Najbliższa moich zainteresowań była chemia kwantowa i kiedy przeczytałem podręcznik prof. Włodzimierza Kołosa, oceniłem, że to jest to… A że z definicji tymi zagadnieniami zajmuje się fizyka, chemia jedynie korzysta z jej metod, wybór był oczywisty. Chciałem studiować taką dziedzinę nauki, która zadaje pytania fundamentalne. I tym się zająłem, w zasadzie samodzielnie. Nauczyciele po prostu mi nie przeszkadzali, choć na pewno sprzyjali.

I takie samouctwo nie zrobiło z Pana odludka?

Chyba nie… Trenowałem kilka lat siatkówkę, miałem kolegów. To kwestia osobowości, bo ja po prostu lubię ludzi – z każdym potrafię się porozumieć. Najważniejsze, by mieli pasję. Jeśli tak jest, będę słuchać, jak opowiadają z błyskiem w oku choćby o migrujących ptakach czy układaniu drogi.

A gdyby sobie pewnych pytań nie zadawać, np. o to, dlaczego stało się tak, że prawa fizyki istnieją, i to w postaci niezmienialnej, a stała Plancka ma wielkość odpowiednią do ludzkich mocy poznawczych?

Według Platona są dwie kategorie ludzi – tacy, którzy nie zadają takich pytań, i tacy, którzy je stawiają. Należę do tych drugich. Może za sprawą wspomnianego pradziadka? Albo Babunity, czyli jego żony, Sophii Casanovy, hiszpańskiej poetki? Z relacji ich córek wiem, że oboje byli wybitnymi intelektualistami i dominującymi osobowościami – to się odczuwało niemal fizycznie w ich obecności.

Ich córka a moja babcia Halita kształtowała mnie już bezpośrednio. Między innymi jej i rodzicom zawdzięczam to, w jaki sposób patrzę na świat: tak by widzieć więcej, nie wydawać sądów przed poznaniem i zrozumieniem przyczyn, być odpornym na pozory. To przekonanie w pewnym momencie przełożyło się na uprawianie fizyki, bo tutaj tak właśnie jest: to, co widzę, często jest jedynie powierzchnią, spod której niełatwo wydobyć rządzące rzeczywistością prawa. Trudno je dostrzec. Jeszcze trudniej zrozumieć, i to w taki sposób, który – bez popadania w zakłamujące rzeczywistość uproszczenie – pozwoli tę wiedzę przekazać innym, np. uczniom szkoły średniej. Im mniej bowiem rozumiemy, tym łatwiej jest się zasłonić kilkoma tablicami zapisanymi maczkiem.

Nie do wszystkich teorii da się takie podejście zastosować, z czego chyba wynika, że nie wszystkie rozumiemy wystarczająco dobrze… O teorii, którą zaproponowałem z kolegą, że cząstka Higgsa ma cięższego „brata”, może nawet „braci’’, co być może zostanie eksperymentalnie potwierdzone w CERN-ie, przystępnie opowiedzieć nie potrafię.

Kiedy Pan wie, że rozumie?

Gdy teoria przestaje być pustym schematem. Muszę zobaczyć za wzorami napisanymi w języku matematyki żywy świat i zrozumieć, że każdy z tych wzorów jest taki, jaki być powinien: niczego nie brakuje ani niczego nie mogę odjąć, wszystko jest na swoim miejscu. Kiedy już tego dokonam, bywa, że po latach pracy czuję się zobowiązany podzielić się tym, co zrozumiałem i co mnie zachwyciło, z innymi, których też ciekawi, jak jest naprawdę.

.

KRZYSZTOF A. MEISSNER – prof., fizyk teoretyk, specjalista w zakresie teorii cząstek elementarnych i teorii grawitacji. Pracownik naukowy Katedry Teorii Cząstek i Oddziaływań Elementarnych Instytutu Fizyki Teoretycznej UW oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych; uczestniczy w eksperymentach przeprowadzanych w centrum badawczym CERN pod Genewą. Autor monografii Klasyczna teoria pola (2002) oraz kilkudziesięciu prac opublikowanych w najważniejszych czasopismach naukowych. Ceniony dydaktyk i popularyzator nauki.

 
 

Zapisz się do newslettera!

Otrzymasz 35% kod rabatowy na dowolny numer miesięcznika oraz informacje o promocjach, wydarzeniach i spotkaniach autorskich

email marketing zapewnia MailPlanner

Newsletter