Nauka

Fizyka wysokiego ryzyka

Fizyk myli się tylko raz

My, małe żuczki, stanowimy część wiecznego, wszechogarniającego procesu kreacji. Religia stapia się z fizyką. My, małe żuczki, stanowimy część wiecznego, wszechogarniającego procesu kreacji. Religia stapia się z fizyką. Dan McCoy-Rainbowe / Science/AAAS
Saper i fizyk mają wiele wspólnego: jeden fałszywy ruch, jedna niepewna teoria i po karierze. Powstała przed pięciu laty organizacja FQXi jest dla fizyków tym, czym pancerz dla sapera.

Żywot ambitnego uczonego do najlżejszych nie należy. Ceniony wśród kontynuatorów tradycji Arystotelesa Max Tegmark z Massachusetts Institute of Technology zwierzał się dwa lata temu na łamach magazynu „Discover”, że gdyby skupił się wyłącznie na swoich ulubionych Wielkich Pytaniach, skończyłby pracując w McDonaldzie. Opracował więc strategię doktora Jekylla i pana Hyde’a polegającą na tym, że ubiegając się o pracę, na szczycie listy swoich publikacji umieszczał te z głównego nurtu naukowych dociekań, a potem, po cichu i na stronie, zaspokajał zainteresowania bardziej filozoficznej natury (ten fizyk amerykański szwedzkiego pochodzenia badał na przykład ewentualność, że Wszechświat jest matematyką).

Fizyk może zostać rozerwany przez nieumiejętnie zdetonowaną teorię. Jeśli wyzwanie okaże się zbyt trudne, czasochłonne lub przekraczające dopuszczalny w środowisku akademickim limit kontrowersyjności, zakończy swą karierę jeszcze przed doktoratem. I stanie się tak nawet mimo powoływania się na słowa Paula Feyerabenda, austriackiego filozofa, który przekonywał, że nauka nie jest systemem, ale kolażem, i że pewna doza łobuzerstwa w metodach poznawczych jest konieczna do podtrzymania jej postępu. Na nic też zdadzą się argumenty, że Kartezjusz, Newton, Thomson i Joule motywowali swe hipotezy w sposób dalece irracjonalny, a mimo to z wielkim pożytkiem dla nauki.

Szczęśliwie pięć lat temu, podczas konferencji Amazing Light: Visions for Discovery, w Berkeley powołano do życia Foundational Questions Institute (FQXi), którego celem jest dodawanie otuchy podobnym jednostkom. Instytut jest wprawdzie wirtualny, ale, po pierwsze, w radzie naukowej zasiadają najtęższe umysły współczesnej fizyki i matematyki (m.in. John Barrow, Gregory Chaitin, Alan Guth, Martin Rees, Lee Smolin, Frank Wilczek), a po drugie – dysponujący realnymi, pochodzącymi z donacji, pieniędzmi. Do dziś w formie grantów FQXi rozdał już ponad 5 mln dol. Jego szefem jest... Max (Hyde) Tegmark. Tenże FQXi organizuje otwarty (na wszelkie nacje, specjalizacje i afiliacje) konkurs na najlepszy esej poświęcony fizyce wysokiego ryzyka. Lektura prac nagrodzonych w drugiej jego edycji dowodzi, jak dalece ciekawsza jest fizyka od jej nauczania w szkołach.

Czasownicy kontra bezczasowcy

Rok temu dyskutowano o statusie czegoś, co potocznie nazywamy czasem. Niezależny fizyk brytyjski Julian Barbour spod Oksfordu (laureat pierwszej nagrody) i Carlo Rovelli z Centre de Physique Théoretique de Luminy w Marsylii (drugie miejsce w konkursie) dowodzili, że czas nie istnieje. Swój zdecydowany sprzeciw wyrażał natomiast m.in. Sean M. Carroll z California Institute of Technology w Pasadenie (również drugie miejsce).

Urodzony w 1937 r. Barbour (niebawem zamieścimy z nim wywiad – przyp. red.), autor kontrowersyjnej książki „The End of Time”, postulował, by wyeliminować czas z zestawu fundamentalnych pojęć nauki, ponieważ, mówiąc w skrócie, czas pojawiający się w równaniach jest wtórny wobec innych wielkości fizycznych. Upływ czasu to generowana przez świadomość iluzja – choć niezwykle przekonująca. Wszystko, czego potrzebujemy do uprawiania nauki, pisze Barbour, to bezczasowa teoria wzajemnych zależności. W zasadzie dowody istnienia takiej teorii „czasu bez czasu” można odnaleźć już w ogólnej teorii grawitacji Einsteina, twierdzi Barbour, inspirowany pismami Ernsta Macha, który uważał, że czas jest abstrakcją używaną, gdy mówimy o ruchu i przemianach.

Ta idea jest także dobrze znana poetom. Szekspir kreśląc w swoich sonetach obraz sytuacji, w której „Gdy zim czterdzieści obejmie twe czoło,/brużdżąc głęboko łąkę twej piękności,/Płaszcz twej urody, dziś ceniony wkoło,/Zmieni się w nędzny łachman bez wartości” (tłum. Maciej Słomczyński), nie opisał przecież czasu jako takiego, ale różnice zachodzące na „łące piękności” z upływem tego czasu związane, przypomina Barbour.

Zapomnijmy o czasie, wtórował mu młodszy o 20 lat Rovelli. Być może uświadamiając sobie to złudzenie, szybciej skonstruujemy kwantową teorię grawitacji (obiekt powszechnego pożądania we współczesnej fizyce). Powinniśmy wyjść z „ogródka codziennych przyzwyczajeń”, pisał Rovelli, gdyż intuicja nie jest najlepszym przewodnikiem po odległych od niego domenach rzeczywistości.

Innego zdania był Sean Carroll (1966 r.). To najzwyklejsze zaprzeczactwo, pisał o Barbourze i innych bezczasowcach: „Kiedy coś jest tak oczywiste i ważne jak czas, oświadczenie, że to coś nie istnieje, jest oczywistą próbą zdobycia paru punktów za zuchwałość”. Czas jest realny, twierdzi Carroll (oczywiście popierając wywód stosownymi rachunkami), trzeba się z nim zmierzyć i poważnie rozważyć implikacje jego istnienia, by wejrzeć w naturę rzeczywistości. Kiedy się przyjmie takie założenie, można zacząć rozważać możliwość, że sama czasoprzestrzeń jest tylko objawem jakiegoś zjawiska zachodzącego głębiej w trzewiach rzeczywistości, co z kolei pozwoli odpowiedzieć na pytanie np. o tak zwaną strzałkę czasu, czyli przyczynę, dla której czas odliczany od chwili Wielkiego Wybuchu zdaje się mieć jeden wyróżniony kierunek.

Precz z wszystkoidalnością

W drugiej edycji konkursu FQXi zapytał, co w fizyce – w nieograniczonej perspektywie czasu (niezależnie od tego, czy ten istnieje, czy nie) – w ogóle jest możliwe? Za najciekawszą odpowiedź jury uznało esej Louisa Crane’a, w którym matematyk (doktorat w 1985 r.) z Kansas State University rozważa wytwarzanie sztucznych czarnych dziur.

Ogólna teoria grawitacji oraz kwantowe teorie pola, wielkie współczesne konstrukcje matematyczne wyjaśniające oddziaływania podstawowe, nie wykluczają takiej możliwości (może to uczynić kwantowa teoria grawitacji, ale – przede wszystkim – najpierw musi powstać). Ponieważ nawet najczarniejsza czarna dziura nie jest doskonale czarna – to znaczy emituje pewnego rodzaju promieniowanie (tzw. promieniowanie Hawkinga), można ją zaprząc do pracy: generowania energii cieplnej (a więc i elektrycznej) lub jako silnik odrzutowy, napędzający statki kosmiczne kolonizujące odległe rejony Wszechświata. W tej drugiej roli czarna dziura byłaby znacznie bardziej ekonomiczna niż, na przykład, silnik o napędzie jądrowym i nieporównanie bezpieczniejsza w użyciu niż (hipotetyczny) napęd antygrawitacyjny.

Stworzenie użytecznej czarnej dziury o promieniu attometra (10-18 m), masie około miliona ton i trwałości rzędu dziesięcioleci wymagałoby energii wprawdzie ogromnej, ale osiągalnej (do pozyskania np. z kosmicznej farmy słonecznej). Zasilono by nią układ emitujących promieniowanie gamma laserów, których skupione w jednym punkcie wiązki wygenerowałyby maleńką czarną dziurę (co jest teoretycznie wykonalne). Oczywiście wymagałoby to zbudowania w przestrzeni kosmicznej struktury o masie rzędu dziesiątków miliardów ton, uruchomienia megaprojektu porównywalnego do budowy piramid, z czasem realizacji wykraczającym daleko poza żywoty jego uczestników.

Crane zauważa, że takie przedsięwzięcie mogłoby mieć zaskakujące, nie tylko praktyczne, implikacje. Przypomina pomysł Lee Smolina (ur. 1995), szefa Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo (Kanada), mówiący o tym, że konsekwencją powstania czarnej dziury są narodziny bąbla nowego Wszechświata. Odpowiednio zaawansowane technicznie, wyrabiające czarne dziury cywilizacje powoływałyby więc do istnienia całe nowe światy, a zatem teoria wszystkiego opisująca ewolucję Wszechświata powinna uwzględniać obecność życia, które w ten sposób może wpływać na jej przebieg. Dostrzeglibyśmy, że my, małe żuczki, stanowimy część wiecznego, wszechogarniającego procesu kreacji. Religia stopiłaby się z fizyką, pisze Crane.

Amedeo Balbi z Universitŕ Tor Vergata w Rzymie (trzecie miejsce w konkursie) każe jednak powściągnąć entuzjazm. To, że możemy parać się kosmologią, zawdzięczamy przypadkowi. Tylko za sprawą szczęśliwego zbiegu okoliczności przyszło nam żyć w regionie Wszechświata, który daje się przebadać. Mając tylko jedno niebo nad sobą, nie możemy wykonywać żadnych operacji uśredniających. Słowem – nie powinniśmy przeceniać ogólności naszych modeli kosmologicznych, twierdzi Balbi. Zrozumienie jego elementarnych praw może być najzwyczajniej niemożliwe.

Jeszcze bardziej stanowczy jest Giovanni Amelino-Camelia (ur. 1965) z Universitŕ di Roma La Sapienza. Wszelkim teoriom wszystkiego należy wydać wojnę, pisze ceniony włoski badacz teorii grawitacji kwantowej (jedno z trzecich miejsc w konkursie). Nadzieje związane z opracowaniem pełnego opisu rzeczywistości należy uznać za płonne. Przenoszą nas one raczej poza terytorium nauki – w regiony wiary. Dowodzą one, pisze Amelino-Camelia, jedynie naszego zadufania i agresywnego stosunku do rzeczywistości, który cechuje całą naszą dążącą do fizycznej i intelektualnej kontroli cywilizację. Ani Planck poszukujący rozwiązania problemu promieniowania ciała doskonale czarnego, ani Einstein wyjaśniający istotę zjawiska fotoelektrycznego – pionierzy „cudownie obrzydliwej” mechaniki kwantowej – nie byli przesadnie zatroskani o „niewszystkoidalność” własnych przełomowych interpretacji. „Szczęśliwie epidemia teorii wszystkiego wówczas była jeszcze pod kontrolą” – wyjaśnia Amelino-Camelia. „Fascynuje mnie myśl, że nasza naukowa podróż może się nigdy nie skończyć” – dodaje.

Niemożliwe możliwości

Gdyby podjąć się (karkołomnej) próby podsumowania 19 nagrodzonych w konkursie FQXi esejów, należałoby się zapewne zapożyczyć u Sabine Hossenfelder z założonego przez Nielsa Bohra kopenhaskiego instytutu Nordita, badaczki dzikich połaci rozciągających się poza ogólnie akceptowanym w fizyce tzw. modelem standardowym, a pozanaukowo – całkiem niezłej malarki. 33-letnia Hossenfelder w brawurowej, okołofilozoficznej rozprawce (nagrodzonej jedną z dwóch drugich nagród) dowodzi, że zdefiniowanie tego, co w fizyce i w związku z fizyką jest możliwe, jest – z racji uwarunkowań narzuconych przez logikę – absolutnie niemożliwe. Jednakże, pisze Szwedka, w żadnym razie nie powinno to nas zniechęcać do poszukiwań, bo wówczas niemożliwy będzie również jakikolwiek postęp. Postęp, pisze dalej Hossenfelder, „jest napędzany przez ciekawość i żądzę poszerzenia wiedzy; żywi się kreatywnością wynikającą z uporu, i z nadziei”.

Niezależne, nonprofitowe, ale poddane bezwzględnej kontroli merytorycznej inicjatywy w rodzaju Foundational Questions Institute (wbrew pozorom w FQXi nie ma miejsca na pseudofilozoficzne bajania), meandrujące dopływy głównego nurtu nauki uprawianej na uczelniach, pozwalają płomyk tej nadziej skuteczniej podsycać. Jednocześnie utwierdzają skupioną wokół nich społeczność w przekonaniu, że nie ma nic wstydliwego w zadawaniu Wielkich Pytań i że (znowu cytat z Feyerabenda) badania naukowe prowadzić należy w duchu anarchizującym, konfrontując ze sobą nierzadko sprzeczne teorie. Dzięki temu doktor Jekyll nie (zawsze) musi się już wypierać pana Hyde’a, jak to czynił Max Tegmark.

Więcej o Foundational Questions Institute, nagrodzone eseje: fqxi.org

Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Ja My Oni

Czym są uczucia między robotami a ludźmi?

Jak autorka niemieckiego „Die Zeit” próbowała zaprzyjaźnić się ze „sztucznym inteligentem”, Botrisem.

Ana Mayr, [tł.] Adam Krzemiński
14.05.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną