Bolesne przebudzenie

Najlepsze książki zabierają nas w podróż. Tym, co najbardziej porusza, jest właściwa podróżowaniu niepewność. Co czyha za rogiem? Czy ten wątek skończy się radośnie, czy tragicznie? Dynamikę tę trudno oczywiście uzyskać w książkach o nauce, które, w przeciwieństwie do literatury pięknej, rzadko grają na naszych emocjach. Szczególną grupą książek naukowych są więc te, które wydają się rozwijać razem z autorem – takie, przy lekturze których odnosi się wrażenie, że kolejne rozdziały były zaskoczeniem również dla tego, kto je napisał. Tak właśnie było chyba ze „Snem o teorii ostatecznej” Stevena Weinberga.

Książka ta, napisana przez jednego z najwybitniejszych fizyków XX w., noblistę, kluczowego architekta modelu standardowego cząstek elementarnych, miała być w zamierzeniu hymnem na cześć „teorii ostatecznej”. Najgłębszej, fundamentalnej teorii naukowej, z której wynikają wszystkie inne nauki, a ostatecznie wszelka wiedza o przyrodzie. Z każdym kolejnym rozdziałem wizja ta jest jednak coraz silniej podważana i obostrzona kolejnymi warunkami. Ostatecznie zostaje z niej ledwie cień pierwotnej świetności.

Oryginalny tytuł książki („Dreams of a final theory”) można by przetłumaczyć dwojako. Dream to zarówno sen, jak i marzenie. Problem ten pojawił się choćby przy okazji słynnej mowy Martina Luthera Kinga, którą do dziś niektórzy tytułują „I had a dream” („Miałem sen”), podczas gdy pastor King wypowiedział wówczas słowa „I have a dream” („Mam marzenie”). Piotr Amsterdamski, w którego przekładzie ukazała się książka Weinberga, był nie tylko fenomenalnym tłumaczem, ale przy tym świetnie rozumiał fizykę i filozofię. Wierzę, że celowo zdecydował się na słowo „sen”. Wizja „teorii wszystkiego”, z której wynikają wszystkie inne teorie naukowe, okazuje się bowiem właśnie tym: pięknym snem, z którego Weinberg zdaje się stopniowo na oczach czytelników wybudzać.

Twierdza spajana logiką

Czego dotyczy ta wizja? Zacytujmy samego Weinberga. „Nasze obecne teorie mają tylko ograniczony zakres ważności; są wciąż prowizoryczne i niekompletne. Jednak poza nimi widzimy czasami zarysy teorii ostatecznej, która miałaby nieograniczony zakres ważności i byłaby zupełna i spójna. Poszukujemy pewnych uniwersalnych prawd przyrody, a gdy takie prawdy znajdujemy, usiłujemy pokazać, jak można je wydedukować z prawd jeszcze głębszych”. W tym miejscu autor dzieli się z nami swoją wizją, w której wszystkie teorie naukowe – od teorii ewolucji, biomechaniki czy tektoniki płyt, aż po mechanikę klasyczną, dynamikę płynów czy teorię kwantową – połączone są strzałkami, wiodącymi od teorii „wyjaśniającej” do „wyjaśnianej”. Przykładowo, teoria ewolucji miałaby wynikać z genetyki populacyjnej, genetyka populacyjna z biologii komórki i genetyki molekularnej, te z kolei z biochemii... i tak dalej. I teraz puenta: „Gdybyśmy poruszali się w kierunku przeciwnym do owych strzałek, zawsze dotarlibyśmy do tego samego punktu początkowego. Ten punkt to właśnie teoria ostateczna”.

CZYTAJ TAKŻE: Spór o rozumienie - rozmawiają ks. Michał Heller, Bartosz Brożek i Jerzy Stelmach

Gdzie szukać teorii ostatecznej? Rzecz oczywista, na obszarze fizyki cząstek elementarnych. W jednym z wczesnych rozdziałów książki (zatytułowanym „Hurra, hurra! – na chwałę redukcjonizmu”) Weinberg stwierdza, że prawdopodobnie narazi się entomologom, jednak musi to powiedzieć: badanie motyli nigdy nie doprowadzi nas do naprawdę głębokiego zrozumienia świata przyrody, w przeciwieństwie do fizyki fundamentalnej. Dopiero w łonie fizyki kwantowej lub jej przyszłego, nieznanego jeszcze następcy „zbliżamy się do punktu, w którym zbiegają się wszystkie wyjaśnienia”.

Jakie byłyby korzyści z teorii ostatecznej? Gigantyczne! Po pierwsze, uzyskalibyśmy fundament, na którym opierałaby się cała nauka. Cała nauka musiałaby być z nim w zgodzie, stanowiłby więc on pewny probierz, pozwalający na osądzanie wszelkich przyszłych teorii. Weinberg wspomina w paru miejscach o pseudonauce – temacie, który interesował go przez całe życie – zaznaczając, że tylko zunifikowana, będąca organiczną całością nauka jest w stanie jednoznacznie wykluczyć telekinezę albo czytanie w myślach. Teoria ostateczna wyznaczałaby więc ostatecznie ramy tego, co może być realne.

To jednak nie koniec. Teoria taka stanowiłaby też wyzwanie rzucone filozofom i teologom. W książce przytoczone są wypowiedzi fizyków, m.in. Einsteina, zastanawiających się, czy „Bóg mógł mieć wybór, gdy tworzył Wszechświat”. Gdyby teoria ostateczna cechowała się logiczną koniecznością, argumentuje Weinberg, to nie dałoby się w niej nic zmienić, nie powodując jej rozpadu („jak piękna figurka z porcelany, której nie można odkształcić, nie niszcząc jej przy tym”) – stanowiłoby to wręcz ograniczenie nałożone na wolność Stwórcy! Choć sam Weinberg nie korzysta z tego akurat przykładu, dobrą demonstracją tej zasady jest matematyka. Liczby całkowite tworzą system, w którym nie można swobodnie manipulować żadnym elementem, nie wywołując katastrofy. Liczba 4 jest tym, czym jest, ponieważ 3, 2 i 1 są tym, czym są. Gdy już wiemy, że 2+2=4, to nie mamy możliwości manewru, gdy ktoś nas zapyta, ile to jest 4₋2. Odpowiedzią musi być 2. Inaczej mówiąc, w arytmetyce nie ma się swobody manipulacji pojedynczymi elementami. W najbardziej odważnej wersji wizji Weinberga teoria ostateczna miałaby być właśnie taką nienaruszalną, sztywną, konieczną twierdzą, spajaną przez moc czystej logiki.

Kwantowy model krowy

Cóż za wizja!... Dopiero gdy się ją wyartykułuje, staje się jasne, jak wygórowanym jest żądaniem. Pierwsza wątpliwość, która dopada Weinberga, to pytanie, czy z owej teorii ostatecznej naprawdę będzie się dało wyprowadzić wszystkie inne teorie naukowe. Po chwili namysłu autor uznaje, że owszem, istnieje kilka naprawdę złożonych problemów, których nie da się wyprowadzić z fizyki cząstek. „Rzecz jasna, teoria ostateczna nie będzie stanowiła kresu badań naukowych w ogólności ani czystych badań naukowych, ani nawet czystych badań fizycznych. Niektóre interesujące zjawiska, od turbulencji po procesy myślenia, pozostaną niewyjaśnione nawet po odkryciu teorii ostatecznej. Jej odkrycie nie musi wcale stanowić istotnej pomocy w zrozumieniu tych zjawisk”.

Można by jednak zapytać, co jest takiego szczególnego w turbulencji albo badaniach nad umysłem? Nic, jak się okazuje. Weinberg wymienia niedługo później również nadprzewodnictwo, genetykę i powstawanie galaktyk, a w innym miejscu książki również dalsze dziedziny jako posiadające tak dużą samodzielność, że odkrycie teorii ostatecznej mogłoby kompletnie się im na nic nie przydać. W pewnym momencie stwierdza już całkowicie ogólnie: „Nie ma żadnej gwarancji, że jakiekolwiek nowe odkrycia w dziedzinie cząstek elementarnych bezpośrednio wspomogą rozwój innych dziedzin nauki”.

W czym problem? Czy w łańcuchu wyjaśnień prowadzącym od teorii ostatecznej do wszystkich pozostałych dziedzin nauki mogą pojawić się „luzy”? Przecież teorie te miały sztywno wynikać z siebie nawzajem? Weinberg wymienia kilka takich przyczyn.

CZYTAJ TAKŻE: Nawet jeśli stworzymy teorię, która ujmowałaby wszystkie znane nam dzisiaj oddziaływania fizyczne w jeden matematyczny wzór, nie będziemy wiedzieć o świecie wszystkiego - pisze Michał Eckstein

Jedną z nich jest historyczność Wszechświata: „Ingerencja przypadkowych wydarzeń historycznych nakłada trwałe ograniczenia na to, co możemy kiedykolwiek wyjaśnić”. Weźmy pod uwagę choćby zoologię. Mogłoby rzeczywiście wydawać się, że pełnia wiedzy o życiu krowy wynika z jej anatomii i fizjologii, te z budowy tkanek i komórek... i tak dalej, aż do kwarków. Nie oznacza to jednak, że naukowiec wyposażony wyłącznie w wiedzę z zakresu fizyki będzie w stanie wyprowadzić z niej wiedzę o krowie. Dlaczego właściwie krowa ma cztery nogi, wymiona i jęzor? Dlaczego ma układ krwionośny i płuca? Jest to sumaryczny wynik milionów przypadkowych wydarzeń, które zaszły na powierzchni naszej planety w ciągu miliardów lat: uderzeń asteroid i wymierania gatunków, zderzeń kontynentów i układu stref klimatycznych... Nasz hipotetyczny fizyk musiałby więc odtworzyć całą historię Wszechświata, przewidując ruchy wszystkich drobin skalnych w Układzie Słonecznym, atom po atomie. To zaś, jak uczy fizyka kwantowa, jest po prostu niemożliwe – nie da się uzyskać pełni wiedzy o przyszłym stanie świata. Nawet gdybyśmy posiadali wiedzę o położeniu wszystkich cząstek we Wszechświecie, jego historia i tak pozostałaby dla nas nieznana, a z nią fundamentalne reguły wielu nauk przyrodniczych.

Drugą przyczyną, dla której poszczególne nauki przyrodnicze nigdy nie dadzą się zredukować do fizyki cząstek, jest ich praktyczna samodzielność: odrębność języka, metody, „stylu”. Oddajmy głos Weinbergowi: „Nie ma powodu, aby sądzić, że zbieganie się naukowych wyjaśnień do wspólnego punktu musi doprowadzić do ujednolicenia metod naukowych. Termodynamika, teoria chaosu i biologia populacyjna będą się posługiwać własnymi pojęciami i regułami niezależnie od tego, czego nauczymy się jeszcze o cząstkach elementarnych”.

Nauczyć psa mechaniki

Wróćmy do zoologii. Nawet gdyby, czysto hipotetycznie, rzeczywiście udało się stworzyć „kwantowy model krowy”, fizycy wciąż potrzebowaliby przy tworzeniu tego modelu gigantycznej ilości informacji od biologów. Informacji – podkreślmy – uzyskiwanych metodami właściwymi dla nauk biologicznych, wyrażonymi w ich języku. Budowę anatomiczną krowy oraz opis wszystkich jej organów i tkanek przygotowaliby anatomowie, przeprowadzając sekcje, preparując tkanki i opisując je zgodnie z prawidłami ich sztuki. Fizyk nie miałby tu nic do gadania, a sam nie miałby oczywiście pojęcia, jak się odnajduje, wycina i preparuje krowią szyszynkę. Gdyby zaś z „kwantowego modelu krowy” wynikły jakieś wnioski praktyczne, ich „przetłumaczeniem” na teorię i praktykę zootechniki czy weterynarii zajęliby się zootechnicy i weterynarze, a nie fizycy.

Ostatecznie okazuje się, że „teoria ostateczna”, nazywana dziś często pompatycznie „teorią wszystkiego”, byłaby w gruncie rzeczy po prostu teorią cząstek elementarnych, może tylko nieco głębszą i ogólniejszą niż obecna kwantowa teoria pola, bo obejmującą także podstawy teoretyczne kosmologii. Można by oczywiście uznać, że stworzenie takiej teorii to niemały sukces sam w sobie: czyż nie byłoby wspaniale mieć w zanadrzu opis najgłębszego poziomu rzeczywistości fizycznej? Weinberg dochodzi do smutnego wniosku, że i to raczej nigdy nie nastąpi.

Z jednej strony są ograniczenia czysto praktyczne. Sięganie do coraz głębszych warstw rzeczywistości może wymagać tworzenia coraz większych i bardziej kosztownych urządzeń, czego nie można robić w nieskończoność. Jest taki punkt, w którym optymista („fizycy wymyślą sposób, aby ominąć te ograniczenia”) przemienia się w naiwnego fantastę („ludzkie możliwości są nieograniczone”). Pieniądze czy możliwości technologiczne to jednak tylko wstęp do zasadniczego problemu. Kto właściwie może nam zagwarantować, że posiadamy możliwości poznawcze pozwalające na zrozumienie najgłębszych zasad kosmosu? Weinberg, trochę brutalnie, porównuje to do próby nauczenia psa mechaniki Newtonowskiej.

Na koniec koncepcji „teorii ostatecznej” zadany zostaje cios śmiertelny. A co, jeśli ona w ogóle nie istnieje? Dotychczas zakładaliśmy, że w łańcuchu wyjaśnień znajduje się „ogniwo pierwsze”, nic jednak tego nie gwarantuje. Ba, Weinberg stwierdza w pewnym momencie, że w gruncie rzeczy prawdopodobniej brzmi ewentualność przeciwna: łańcuch wyjaśnień nigdy się nie kończy. „Trudno sobie wyobrazić, że kiedykolwiek poznamy ostateczne prawa fizyki, których nie będzie już można wyjaśnić, odwołując się do głębszych zasad. Wielu ludzi uważa za oczywiste, że raczej znajdziemy nieskończony łańcuch coraz to głębszych zasad”.

Co więcej, takiego ostatniego ogniwa nie da się wyobrazić nawet czysto logicznie. „Nie jest trudno wyobrazić sobie teorię ostateczną, której nie można wyjaśnić, odwołując się do głębszych zasad, natomiast bardzo trudno wyobrazić sobie teorię, która by takiego wyjaśnienia nie potrzebowała”. Jak to rozumieć? Cóż, jest to w gruncie rzeczy pradawny problem pierwszej przyczyny, zdefiniowany przez Arystotelesa, a przez Tomasza z Akwinu przedstawiony jako „droga do Boga”, uświadamiająca nam, że łańcuch naturalnych wyjaśnień nigdy nas w pełni nie zadowoli. Rozumowanie jest wręcz dziecinnie proste: gdy zapytamy „dlaczego?”, to bez względu na uzyskaną odpowiedź zawsze będziemy mogli ponownie zadać to samo pytanie.

Dlaczego atom jest taki, jaki jest? Ponieważ jądra i elektrony są takie, jakie są. Dlaczego? Bo protony i neutrony są takie-a-takie. Dlaczego? Bo kwarki są takie-a-takie. Dlaczego? Bo struny są takie-a-takie. Dlaczego? Bo splątki są takie-a-takie. Dlaczego? Bo zwitki są takie-a-takie. Dlaczego?... Nie da się wyobrazić sobie takiej teorii fizycznej, która wyjaśniałaby samą siebie, nie pozostawiając miejsca na kolejne „dlaczego?”. Teoria ostateczna po prostu nie może istnieć. A przynajmniej nie może być nią teoria naukowa, w której wszystko musi posiadać swoje racjonalne uzasadnienie.

Przyjemność poszukiwania

Piękny sen Weinberga rozwiewa się więc na naszych oczach, a po lekturze jego książki staje się oczywiste, że (a) jeśli nawet teoria ostateczna mogłaby istnieć (a raczej nie może); (b) jeśli nawet potrafilibyśmy ją objąć rozumem (co nie jest pewne); (c) jeśli nawet udałoby się ją uzyskać czysto praktycznie (co może być niewykonalne) – to i tak nie będzie ona „teorią wszystkiego”, lecz po prostu nieco głębszą kuzynką obecnej kwantowej teorii cząstek, tłumaczącą zachowania cząstek elementarnych i ewolucję kosmosu w najszerszej skali oraz... niewiele więcej.

Skąd więc tyle zamieszania, skąd te tabuny podekscytowanych fizyków, tworzących z ogniem w oczach kolejne wersje teorii strun, superstrun i pętlowej grawitacji? W „Śnie o teorii ostatecznej” można odnaleźć odpowiedź, chociaż chyba nie taką, jakiej można się było spodziewać po jednym z najgorętszych XX-wiecznych bojowników o teorię ostateczną.

Weinberg aż dwukrotnie odwołuje się ostatecznie po prostu do przyjemności z uprawiania fizyki i znajdywania kolejnych wyjaśnień. „Przyjemność, jaką daje mi praca, zawsze była dla mnie wystarczającą motywacją”, stwierdza w pewnym momencie. Nieco dalej zaś, po długim fragmencie obrazującym nieskończony ciąg kolejnych „dlaczego?”, padają następujące słowa: „Nie jest łatwo wyjaśnić, co właściwie robimy, odpowiadając na takie pytanie. Na szczęście nie jest to rzeczywiście konieczne. Naukowe wyjaśnianie to pewien rodzaj zachowania, które sprawia nam przyjemność, podobnie jak miłość i sztuka. Najlepiej można zrozumieć istotę naukowego wyjaśnienia, osobiście przeżywając szczególny dreszcz podniecenia, jakiego się doświadcza, gdy rzeczywiście uda się coś wyjaśnić”.

A może wizja „teorii wszystkiego” to po prostu miłe, pobudzające, ale ostatecznie złudne marzenie, któremu fizycy lubią czasem się oddawać, ponieważ dodaje im ono sił? Pisząc „Sen o teorii ostatecznej”, Weinberg do końca nie mógł się chyba zdecydować, czy marzenie to pobudzać, czy się z nim twardo rozliczyć – i to dlatego powstała naprawdę świetna książka. ©℗

GRAWITACJA KWANTOWA W PIĘCIU SMAKACH

Teoria strun zakłada, że wszystkie cząstki elementarne – elektrony, kwarki, fotony, bozony Higgsa, a także hipotetyczne grawitony, odpowiadające za oddziaływania grawitacyjne – nie są bezwymiarowymi punktami, lecz jednowymiarowymi strunami. Mogą one drgać na różne sposoby i to właśnie te wibracje decydują o tożsamości danej cząstki. Rozwijana intensywnie od pół wieku, obecnie przyjęła postać tzw. M-teorii, która oprócz jednowymiarowych strun posługuje się także „branami” o większej liczbie wymiarów.

Pętlowa grawitacja kwantowa postuluje, że nie tylko materia ma strukturę ziarnistą (kwantową), lecz że dotyczy to także samej czasoprzestrzeni. Nieco konkretniej, jako pierwotne „cegiełki” czasoprzestrzeni rozważa się w jej ramach mikroskopijne pętelki (stąd nazwa), do których następnie stosuje się formalizm matematyczny mechaniki kwantowej. Uważana jest za najpoważniejszą rywalkę teorii strun.

Dynamiczna triangulacja przyczynowa inaczej podchodzi do kwestii kwantowania struktury czasoprzestrzeni. Według niej ta ostatnia zbudowana jest z „komórek” o kształcie stanowiącym czterowymiarowy odpowiednik trójkąta (i dlatego „triangulacja”). Sąsiednie komórki mogą tworzyć różne konfiguracje, co w dużej skali przekłada się na różne sposoby zakrzywiania się czasoprzestrzeni.

Geometria nieprzemienna wychodzi z założenia, że zamiast próbować kwantować geometrię czasoprzestrzeni, należy raczej rozszerzyć metody nowoczesnej geometrii na świat kwantów. Okazuje się, że wiąże się to z koniecznością rezygnacji z prawa przemienności mnożenia (A×B może być tu różne od B×A), ale za to pozwala przerzucić mosty między matematyką ogólnej teorii względności a tą stosowaną w mechanice kwantowej.

Teoria twistorów bazuje na idei Rogera Penrose’a, by w opisie czasoprzestrzeni zamiast liczb rzeczywistych wykorzystać liczby zespolone, czy raczej wyrastające z matematyki liczb zespolonych abstrakcyjne obiekty zwane twistorami. Po raz pierwszy zaproponowana 50 lat temu, ostatnio przeżywa renesans dzięki odkryciu jej związków z teorią strun. © TM

ZOBACZ WIĘCEJ: Wielkie Pytania na nowo - serwis specjalny