Szanowny Użytkowniku,

25 maja 2018 roku zaczyna obowiązywać Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 r. w sprawie ochrony osób fizycznych w związku z przetwarzaniem danych osobowych i w sprawie swobodnego przepływu takich danych oraz uchylenia dyrektywy 95/46/WE (określane jako „RODO”, „ORODO”, „GDPR” lub „Ogólne Rozporządzenie o Ochronie Danych”). W związku z tym informujemy, że wprowadziliśmy zmiany w Regulaminie Serwisu i Polityce Prywatności. Prosimy o poświęcenie kilku minut, aby się z nimi zapoznać. Możliwe jest to tutaj.

Rozumiem

Reklama

Aż po granice Kosmosu

Aż po granice Kosmosu

28.09.2014
Czyta się kilka minut
Kosmologia jest nauką obserwacyjną, ale chce zaglądać poza nieprzeniknione bariery. Czy zdoła sięgnąć do początku Wszechświata?
Fot. Adhemar Duro / GETTY IMAGES
K

Kosmologia to nauka o Kosmosie: o galaktykach i ich gromadach, o promieniowaniu i materii, o początkach i losie Wszechświata. W zasadzie – zdawałoby się – nauka jak każda. Jeden naukowiec bada ptaki, inny Wszechświat; jeden ma lornetkę, a drugi teleskop. Czemu więc istnieje Watykańskie Obserwatorium Astronomiczne, a nie Watykańskie Centrum Badania Ptaków? Dlaczego nagrodę Templetona, przyznawaną od 1973 r. w celu promowania „postępu w badaniach i odkryciach na temat rzeczywistości duchowej”, otrzymało aż dziewięciu fizyków / kosmologów, a żaden ornitolog?
Okazuje się, że w ciągu ostatnich stu lat, zupełnie niepostrzeżenie, „przyziemna” procedura naukowa doprowadziła nas ku tematom, przy omawianiu których świetnie dotychczas działające metody opisu i interpretacji zaczynają zawodzić. Wygląda na to, że dające się rozwiązać zagadnienia naukowe mimochodem przechodzą w nierozwiązywalne problemy filozoficzne czy wręcz teologiczne. Jak to się dzieje? Spróbujmy odtworzyć tę ścieżkę krok po kroku.
Ogień zaskoczy, rozsądzi i ogarnie wszystko
Fundamentalny problem, przed którym stoi kosmologia, wynika z równie podstawowej własności Kosmosu: im bardziej cofamy się w czasie ku jego początkom, tym bardziej – nieograniczenie – rosną temperatura i gęstość Wszechświata. Mogłoby się wydawać, że to mało znaczący fakt fizyczny, który można postawić na naszej prywatnej półce z faktami tuż obok informacji, że temperatura i gęstość Ziemi również rośnie ku jej środkowi. Wiąże się z tym jednak doniosła kwestia: w miarę wzrostu temperatury następuje proces, który można obrazowo opisać jako demontaż świata.
Spójrzmy na to z punktu widzenia nas samych – delikatnych, ciepławych istot, niepewnie przytulonych do wielkiej kamiennej kuli. Po podniesieniu temperatury do 50°C przeżycie człowieka zaczyna być niemożliwe, a przy 100°C powoli przestaje być możliwe nawet dla najbardziej zahartowanych bakterii termofilnych. W temperaturze 250°C drewno, papier czy skóra spontanicznie się zapalają, a przy 300°C nietrwała jest większość organicznych związków chemicznych. Po przekroczeniu 1000°C rozpoczyna się topnienie metali. W temperaturze 3000°C cząsteczki wody zaczynają się rozpadać na atomy tlenu i wodoru, a większość metali wrze. Najbardziej trwały w wysokich temperaturach pierwiastek, wolfram, topi się w temperaturze 3695°C i wrze przy 5828°C. Dalsze podnoszenie temperatury prowadzi do rozpadu wszystkich znanych form uporządkowania atomów – materia zamienia się w pył, a potem w gaz. Ostatnie wiązania chemiczne pękają przy temperaturze rzędu 100 tys. stopni Celsjusza i w końcu spełnia się sen Heraklita o ogniu, który pochłania wszystko.
Zatrzymajmy się na moment, żeby docenić filozoficzne znaczenie tych faktów. Każdy narząd zmysłu i każdy instrument badawczy, jaki jesteśmy w stanie wymyślić, opiera się w swoim działaniu na detekcji pewnego typu informacji zawartej w Naturze. Funkcjonowanie zmysłu dotyku wymaga istnienia stawiających opór powierzchni – te zaś nie mogą istnieć w świecie składającym się wyłącznie z gorącego gazu. Węch i smak opierają się na wykrywaniu związków chemicznych – są więc bezużyteczne w świecie, w którym wszystkie związki chemiczne się rozpadły.
Wielka gęstość materii przewidywana we wczesnym Wszechświecie oznacza ponadto, że cząstki nieograniczenie wymieniają się energią, błyskawicznie „rozmywając” wszelkiego typu niejednorodności w rozkładzie materii i energii. Z każdym stopniem Celsjusza Kosmos zaczyna się robić coraz bardziej jednorodny.
Zastanówmy się teraz, czym są tak naprawdę odbierane przez nas na co dzień sygnały. Fakt, że widzę w tej chwili za oknem drzewo, wymaga tego, aby z odrobinę innego kąta trafiał do moich oczu nieco inny obraz. Mój mózg przetwarza uporządkowane przestrzennie plamki o odmiennym kolorze na bliski mi język: oto liście i gałęzie. Różne sygnały docierające z różnych miejsc to jednak przecież niejednorodność; w sytuacji doskonałej jednorodności (którą fizycy w tym kontekście określają precyzyjniej jako izotropowość) z każdego kierunku docierałoby do mnie światło o dokładnie takich samych właściwościach. To samo dotyczy dźwięku. Dźwięk to wędrujące zaburzenie gęstości i, żebym mógł cokolwiek usłyszeć, w jednym punkcie ośrodka musi występować inna gęstość niż w punkcie sąsiednim – a więc niejednorodność.
Hipotetyczny obserwator cofający się w czasie miałby więc wrażenie, że zaczynają go, zupełnie dosłownie, opuszczać zmysły. Po zniknięciu dających się dotykać powierzchni i rozpadzie dających się wywąchać lub posmakować substancji następuje rozmywanie się wszelkich różnic w jasności i kolorze – cały świat staje się niemal doskonale jednolitym morzem światła – oraz zamiana wszelkich rozpoznawalnych dźwięków w jednolity szum. Świat po prostu znika.
Wróćmy do kosmologii. Ten sam problem dotyczy wszelkich dających się wyobrazić metod pozyskiwania informacji. Istnieje skończona liczba źródeł wiedzy o wczesnym Wszechświecie i każde z tych źródeł – nośników informacji – ma ściśle określony zakres stosowania. Fotony „sięgają” wyłącznie do okresu, który nastąpił ok. 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu. Zjawisk czy obiektów spoza tej granicy nie da się więc bezpośrednio zobaczyć – zarejestrować fotony, które miały z nimi kontakt. Da się tylko wnioskować o ich istnieniu, opierając się na modelach teoretycznych. Neutrina penetrują nieco „głębiej” i Wszechświat staje się dla nich nieprzezroczysty ok. dwie sekundy po „punkcie zero”.
Naciąganie kołderki
Dane obserwacyjne są pokarmem nauki. Co się dzieje przy ich braku? Renesansowi kartografowie lubowali się w wypełnianiu białych plam na mapach, kreśląc nieistniejące rzeki na nieistniejących kontynentach. Współcześni kosmolodzy są bardziej ostrożni, wykazując się przy tym niebywałą pomysłowością przy próbach „dopowiedzenia” historii o początkach świata.
Część z tych prób to przezorne, trzeźwe ekstrapolacje. Badania prowadzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów potwierdzają skuteczność zastosowania teorii kwantowej do energii odpowiadających temperaturom rzędu 1016°C. Wydaje się dość naturalne, że pytając o stan Wszechświata przy temperaturze, powiedzmy, 1018°C, wciąż można ją stosować – bo to temperatury „zaledwie” stukrotnie wyższe. Ale ostrożność gładko przechodzi w brawurę. Czy teorię kwantową można stosować dla temperatur miliardy razy wyższych? Przypadek szczególnej teorii względności to pouczająca lekcja, że „demontaż fizyki” może nastąpić w wyniku tak trywialnego na pozór procesu, jakim jest zwiększanie prędkości.
Gdy rozciąga się zakres stosowania praw fizyki, pojawia się niepostrzeżenie pytanie o ich uniwersalność: czy znane przez nas prawa są tylko dogodnymi uogólnieniami, które mają nam pomagać w porządkowaniu wiedzy, czy też Prawdziwymi Prawami Przyrody, czyli niezmiennym fundamentem Kosmosu w świecie rzeczy zmiennych i przemijających? Gdyby udało nam się uchwycić jeden z tych „odłamków wieczności”, uzyskalibyśmy grunt dla poszerzania wiedzy poza granice obserwacji.
Sama idea Wielkiego Wybuchu rozumianego jako „punkt początkowy” wynika z tego samego odruchu przedłużania stosowalności teorii fizycznych. Istnieją dobre przesłanki obserwacyjne, by uważać, że przy cofaniu się w czasie następuje sprężanie się materii. W ramach ogólnej teorii względności Einsteina da się to modelować jako „obkurczanie się” czasoprzestrzeni, zaś najprostszy model przewiduje, że zbliżające się do siebie „linie świata” spotykają się w jednym punkcie, nazywanym „osobliwością początkową”.
Mówiąc obrazowo, tym, co jesteśmy w stanie zaobserwować, są coraz bardziej zbliżające się do siebie linie, które nikną w gorącej, świetlistej „zupie”. Choć nasza wyobraźnia widzi punkt, w którym mogłyby się one spotkać, sama teoria się tego jednak nie domaga. W języku matematyki można wyrazić dowolny stan rzeczy – czasoprzestrzeń może się kończyć punktem, ale też węzełkiem, bańką albo kształtem świńskiego ogonka. Punkt to jednak ewentualność najprostsza lub, mówiąc językiem niektórych fizyków-kosmologów, najbardziej elegancka. Poszukiwanie rozwiązań najprostszych to rozsądna reguła metodologiczna, znana jako brzytwa Ockhama. W XX w. coraz częściej mówi się dodatkowo w fizyce o kryterium elegancji (Weinberg, Greene) czy wręcz piękna (Feynman, Gell-Mann). Już sam ten fakt pokazuje, że naukowcom zaczyna brakować bazy obserwacyjnej. Czy ornitolodzy powołują się na piękno albo elegancję teorii, gdy trzeba zadecydować, która z koncepcji ewolucyjnego pochodzenia śpiewu ptaków jest prawdziwa?
Rozciąganie zakresu stosowania teorii bywa czasem doprowadzane jeszcze dalej i przypomina to, co Małgorzata Musierowicz nazwała przykrywaniem słonia kołderką. W 1983 r. James Hartle i Stephen Hawking opublikowali artykuł, w którym zastosowali jedno z narzędzi matematycznych teorii kwantowej do opisu powstania Wszechświata. Wykorzystali procedurę matematyczną, która pozwoliła na usunięcie z równań osobliwości początkowej, dzięki czemu z Wszechświata zniknęła wyraźna granica wyznaczająca jego „wnętrze”. Jest to o tyle istotne, że prawa fizyki definiowane są zawsze na określonym obszarze czasoprzestrzeni i granice tego obszaru stanowią jednocześnie granice stosowania praw fizyki. Założenie Hartle’a-Hawkinga bywa czasem określane po prostu jako warunek braku granic (no boundary condition), z czego wynikać może stosowanie się praw fizyki poza „miejscem”, gdzie tradycyjnie upatrywano początku Wszechświata. Dzięki temu zabiegowi Hartle i Hawking mogli zaproponować model „wyłaniania się” całego Wszechświata z odpowiednio zdefiniowanego stanu kwantowego.
To jednak nie koniec. Kosmolog amerykański Lee Smolin od lat bada możliwość istnienia nie tylko jednego („naszego”) Wszechświata, ale całego potężnego zbioru wszechświatów znanego jako Wieloświat (Multiverse). Aby jednak dało się uczynić z tego modelu wyjaśnienie istnienia i cech naszego Wszechświata, należy przyjąć, że w Wieloświecie obowiązuje przynajmniej część znanych nam praw przyrody – które „rozlewają się” teraz daleko poza dostępne nam granice Kosmosu na wielką społeczność miliardów i miliardów wszechświatów...
Jedną nogą w wieczności
Kosmologia stoi więc w rozkroku. Jest bowiem nauką obserwacyjną, którą zdradził sam Wszechświat, ustawiając nieprzeniknione – jak by się zdawało – bariery dla przepływu informacji. Na pierwszy plan wchodzą więc modele, teorie i prawa fizyki. Śmiałe spekulacje typu modelu Hartle’a-Hawkinga albo Smolina mają rację bytu tylko wtedy, jeśli prawa fizyki są jednocześnie wiecznymi i niezmiennymi prawami przyrody. Wiecznymi, ponieważ chcemy je stosować do opisu procesów dziejących się dowolnie daleko w przeszłości i przyszłości. Niezmiennymi, ponieważ chcemy je stosować w formie, którą ustaliliśmy tu i teraz. Naukowe wyjaśnienia Wszechświata jawnie domagają się istnienia elementu wiecznego i niezmiennego. Szczególnej ważności zaczyna nabierać więc matematyka, która jeszcze w XVII czy XVIII w. była zaledwie skromną służką „prawdziwego” przyrodoznawstwa, czyli pilnego obserwowania skał, roślin, zwierząt, chmur i oceanów.
W większości dziedzin nauki rola matematyki jest użytkowa – geolog badający formację skalną albo biotechnolog sekwencjonujący genom bakteryjny korzystają z wielu narzędzi matematycznych, jednak zasadniczym przedmiotem ich zainteresowania jest konkretny, namacalny obiekt przyrodniczy. Kosmolodzy podejmujący próby coraz bardziej wyczerpującego wyjaśnienia Wszechświata – podobnie zresztą jak ich koledzy zajmujący się coraz bardziej fundamentalnymi teoriami cząstek, pól i oddziaływań – od pewnego punktu mają do dyspozycji wyłącznie matematykę.
Wróćmy na chwilę do przedstawionego wyżej obrazu cofania się w czasie: w trakcie podróży ku najwcześniejszym chwilom istnienia świata jesteśmy stopniowo „opuszczani” przez świat zjawisk, a wszelkie realne i dające się wyobrazić zmysły natrafiają albo na pustkę, albo na jednolity, niedostarczający żadnych informacji szum. Jest to świat, który milczy. Eksperyment i obserwacja to nic innego, jak pytania zadane światu. Świat jednak nie odpowiada.
Zwieńczeniem tendencji do matematyzacji fizyki jest sugestia, że elementarne składniki Wszechświata są po prostu obiektami matematycznymi. Jest to stara hipoteza, wysuwana m.in. przez pitagorejczyków, którzy nadawali prymat Liczbie, a także niektórych platończyków, którzy u podstaw świata przyrody widzieli Formy Geometryczne. Dzisiaj propozycje tego typu – w których rolę obiektów fundamentalnych pełnią abstrakcyjne obiekty matematyczne, jak rozmaitości różniczkowalne albo wręcz rozwiązania pewnych równań – wyłaniają się niespodziewanie jako końcowy efekt „obierania” nauki z podłoża obserwacyjnego.
Dziwny Kosmos
Od tych tendencji dziwniejszy jest chyba tylko fakt, jak niepostrzeżenie wyrastają one z ciała nauki. Nie istnieje prosta metoda sprawdzenia, czy dany tekst lub wykład jest tekstem naukowym, czy nie. Nie ma w kosmologii wybojów na drodze wiodącej od skromnego, systematycznego badania struktury galaktyk na podstawie obfitych danych obserwacyjnych po konstruowanie najbardziej spekulatywnych scenariuszy matematyczno-fizycznych. Każdy naukowiec i komentator nauki wyrabia sobie zdanie na ten temat samodzielnie, a w przestrzeni publicznej nie brakuje ciągnących się latami dyskusji na temat tego, co jeszcze mieści się w ramach nauki o Przyrodzie, a co już nie.
Zostaliśmy postawieni w sytuacji, gdy docieramy do granic Kosmosu, które okazały się jednocześnie granicami kosmologii i nauki jako takiej. Sam świat – nie z naszej winy czy zaniedbania, lecz dzięki naszej staranności i dociekliwości – każe się nam zastanawiać nad kwestiami statusu praw przyrody i matematyki; roli obserwacji i teorii w nauce; wreszcie nad kosmicznym znaczeniem piękna, elegancji i prostoty.
I pomyśleć, że to wszystko wynikło z obserwowania małych świecących punkcików na nocnym niebie...

Dr ŁUKASZ LAMŻA jest filozofem, specjalizuje się w filozofii przyrody. Członek Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych. Autor książki „Przekrój przez Wszechświat” (Copernicus Center Press, 2014).

Czytasz ten tekst bezpłatnie, bo Fundacja Tygodnika Powszechnego troszczy się o promowanie czytelnictwa i niezależnych mediów. Wspierając ją, pomagasz zapewnić "Tygodnikowi" suwerenność, warunek rzetelnego i niezależnego dziennikarstwa. Przekaż swój datek:

Autor artykułu

Filozof przyrody i dziennikarz naukowy, specjalizuje się w kosmologii, astrofizyce oraz zagadnieniach filozoficznych związanych z tymi naukami. Pracownik naukowy Uniwersytetu Papieskiego...

Dodaj komentarz

Usługodawca nie ponosi odpowiedzialności za treści zamieszczane przez Użytkowników w ramach komentarzy do Materiałów udostępnianych przez Usługodawcę.

Zapoznaj się z Regułami forum
Jeśli widzisz komentarz naruszający prawo lub dobre obyczaje, zgłoś go klikając w link "Zgłoś naruszenie" pod komentarzem.

Zaloguj się albo zarejestruj aby dodać komentarz

© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]