Reklama

Wydanie specjalne TP "Smak wolności"

Kosmiczne przypadki Paula Daviesa

Kosmiczne przypadki Paula Daviesa

13.05.2019
Czyta się kilka minut
COPERNICUS FESTIVAL Cząstki elementarne, czarne dziury, powstanie Wszechświata i początek życia, regulacje ekspresji genów, nowotwory, filozofia i teologia – trudno Paulowi Daviesowi odmówić szerokich zainteresowań.
Paul Davies TOM STORY / Arizona State University
N

North Finchley, przedmieścia Londynu, rok 1962. Szesnastoletni Paul Charles William Davies, w uznaniu za celujący wynik na egzaminach, otrzymuje atlas gwiazd i postanawia zostać naukowcem. Nagrodę na szkolnej uroczystości wręcza mu lokalna posłanka Margaret Thatcher. Trzydzieści trzy lata później emerytowana Żelazna Dama, zasiadając w kapitule Nagrody Templetona, uhonoruje go po raz kolejny, tym razem w uznaniu za jego dorobek naukowy i działalność popularyzatorską, między innymi na polu relacji między naukami ścisłymi i teologią.

Paul Davies to postać nietuzinkowa. W dobie wąsko wyspecjalizowanych ekspertów rzadko się zdarza, by uznany fizyk teoretyk zostawał („przy okazji”!) astrobiologiem. Co więcej, choć wśród popularyzatorów nauki znajdziemy wielu „filozofujących fizyków”, Paul Davies należy do wąskiego grona tych, którzy wychodzą poza naiwny scjentyzm i nie boją się stawiać pytań najważniejszych.

Nieskończona liczba wymiarów

Davies studiował i obronił doktorat z fizyki teoretycznej w Londynie, dokąd powrócił po dwuletnim stażu podoktorskim w Cambridge pod kierunkiem znakomitego astrofizyka i kosmologa Freda Hoyle’a. Wtedy to zainteresował się nową, rodzącą się właśnie dziedziną badań na styku mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności: kwantową teorią pola w zakrzywionych czasoprzestrzeniach. Tak duże nagromadzenie trudnych słów może przyprawić o dreszcze nie tylko laików, ale nawet młodych adeptów fizyki teoretycznej. Aby zrozumieć, czemu temat jest fascynujący, spróbujmy rozwikłać tę nazwę krok po kroku.

W królestwie atomów obowiązują prawa mechaniki kwantowej. Jeśli jednak chcemy zajrzeć głębiej, co wiąże się z wyższymi energiami, musimy uwzględnić poprawki wynikające ze szczególnej teorii względności Einsteina. Połączenie zasad kwantowych ze (szczególną) relatywistyką prowadzi na grunt kwantowej teorii pola. Jednym z jej flagowych przewidywań jest kwantowa natura próżni. Okazuje się oto, że istotnie natura horret vacuum (natura nie znosi próżni), a pozornie pusta przestrzeń tętni życiem „wirtualnych” cząstek i antycząstek. Choć cząstki te są „wirtualne”, tzn. nie można ich zobaczyć bezpośrednio w żadnym procesie fizycznym, to jednak wywierają zupełnie realny wpływ na obserwowane zjawiska.

Dzięki koncepcji próżni kwantowej udało się wyjaśnić szereg efektów fizycznych, w szczególności tzw. przesunięcie Lamba w widmie atomowym. Okazuje się, że tumult wirtualnych par cząstek i antycząstek „rozsuwa” dwa poziomy energetyczne w atomie wodoru. Pomiar przesunięcia Lamba w 1947 r. stanowił prawdziwe experimentum crucis dla kwantowej teorii pola i zapewnił jej miejsce w podręcznikach akademickich. Dzisiaj stanowi ona fundament całej fizyki cząstek elementarnych. Fotony, elektrony, kwarki, a także bozon Higgsa, to wszystko kwanty pewnych pól.

Trzeba dodać, że uprawianie kwantowej teorii pola wymaga swobodnego poruszania się w matematycznych meandrach mechaniki kwantowej, tyle że… w nieskończonej liczbie wymiarów! Nie chodzi tu o przestrzeń fizyczną – ta pozostaje trójwymiarowa – ale o przestrzeń parametrów. Pole, mimo iż kwantowe, jest obiektem rozciągłym, a zatem do jego opisu potrzebujemy zasadniczo nieskończonej liczby parametrów. Tę nieskończoność można jednak okiełznać przy użyciu odpowiednio abstrakcyjnych narzędzi matematycznych. Widać zatem, że instrumentarium teoretyczne młodego doktora Daviesa musiało być potężne. Ale przecież wytłumaczyliśmy dopiero pierwszą część nazwy dziedziny, w którą się zagłębił!

Otóż „zwykła” kwantowa teoria pola rozgrywa się na scenie „płaskiej” czasoprzestrzeni. Innymi słowy, uwzględnia fakt skończonej prędkości światła, ale ignoruje zjawiska grawitacyjne. W latach 60., kiedy „zwykła” kwantowa teoria pola trochę już okrzepła, teoretycy zaczęli się zastanawiać, jakie novum wprowadziłoby uwzględnienie grawitacji. Okazało się, że jeśli czasoprzestrzeń jest zakrzywiona (tj. grawitacja jest niezerowa), to niektóre z wirtualnych par cząstek mogą się spontanicznie wyłonić z próżni. Innymi słowy, grawitacja powoduje, że próżnia kwantowa paruje!

Jarząca się próżnia

Pierwszym badaczem, który natknął się na ten efekt w kontekście kosmologicznym, był Leonard Parker. Prawdziwą burzę wywołała jednak praca Stephena Hawkinga z roku 1974 o parowaniu czarnych dziur. Rozważając zachowanie kwantowych pól materii w pobliżu horyzontu czarnej dziury Hawking pokazał, że te ostatnie emitują promieniowanie termiczne. Odkrycie Hawkinga zapoczątkowało zupełnie nową dziedzinę termodynamiki czarnych dziur i stanowiło inspirację do powstania m.in. teorii strun czy pętlowej kwantowej grawitacji.

Wyliczenia Hawkinga miały jednak pewną wadę – implikowały, że w okolicy horyzontu czarnej dziury gęstość pewnych „cząstek” robi się nieskończona. Okazało się, że sęk tkwi w samym pojęciu „cząstki”, a tym samym w próżni kwantowej. „Cząstka” jest bowiem, z definicji, wzbudzeniem pola ze stanu próżni kwantowej. Dopóki zaniedbujemy oddziaływanie grawitacyjne, to istnieje tylko jeden stan próżni kwantowej i, w konsekwencji, jednoznaczne pojęcie cząstki. Jeśli jednak czasoprzestrzeń się zakrzywia, to pojęcia próżni i cząstki kwantowej zależą od wybranego układu współrzędnych. To konsekwencja ogólnej zasady względności: Podobnie jak różni obserwatorzy przyjmują różne pojęcia czasu i przestrzeni, choć mają wspólną czasoprzestrzeń, tak też każdy z nich co innego nazwie „próżnią”, choć same kwantowe pola materii są wspólne.

Odkrycie tego subtelnego efektu zależności próżni od obserwatora przypisywane jest zwykle Williamowi Unruhowi, choć niezależnie od niego na ten sam pomysł wpadli Stephen Fulling i właśnie Paul Davies. To, co dziś nazywa się efektem Unruha (lub Fullinga–Daviesa–Unruha), najlepiej wytłumaczyć rozważając przyspieszającego obserwatora w płaskiej czasoprzestrzeni. Zgodnie z prawidłami kwantowej teorii pola powinien on zaobserwować słabiutkie promieniowanie termiczne pochodzące od próżni kwantowej. Takiego efektu nie zobaczy jednak obserwator inercyjny, tj. nieprzyspieszający. Podobnie astronauta spadający swobodnie do czarnej dziury niczego szczególnego nie zaobserwuje przy przejściu pod horyzont zdarzeń. Jeśli jednak będzie się starał pozostać na zewnątrz (do czego potrzebuje autonomicznego napędu), to próżnia kwantowa wokół niego się rozjarzy.

Drugi istotny wkład Paula Daviesa w rozwój kwantowej teorii pola w zakrzywionych czasoprzestrzeniach dotyczył kosmologii kwantowej. Ponieważ Wszechświat się rozszerza, czyli „krzywi”, również tu pojawia się problem wyboru właściwego stanu próżni. W 1978 r. Paul Davies wspólnie z Timothym Bunchem znaleźli taki stan, który był wyjątkowo symetryczny, a zatem uniwersalny. Dziś nazywany „próżnią Buncha–Daviesa”, stał się podstawą kosmologii inflacyjnej, starającej się opisać ewolucję Wszechświata na (bardzo!) wczesnym stadium – ok. 10-32 sekundy po Wielkim Wybuchu.

Trzeba jednak uczciwie przyznać, że o ile „zwykła” kwantowa teoria pola została potwierdzona w wielorakich eksperymentach, o tyle jej „zakrzywiona” wersja pozostaje w domenie teorii. Dzieje się tak dlatego, iż przewidywane przez nią efekty niezwykle trudno zaobserwować. Przykładowo, żeby zaobserwować promieniowanie próżni kwantowej o temperaturze 1 kelwina, trzeba by się rozpędzać z gigantycznym przyspieszeniem stu milionów miliardów km/s2 (przypomnijmy, że grawitacyjne przyspieszenie ziemskie to zaledwie 10 m/s2!). Podnoszone są również obiekcje natury teoretycznej (np. przez Sir Rogera Penrose’a) dotyczące adekwatności teorii inflacji kosmicznej. Niemniej fizycy nie ustają w wysiłkach, aby sprawdzić, czy próżnia kwantowa rzeczywiście może parować.

Niezależnie od tego, jak jest naprawdę, nie ulega jednak wątpliwości, że Paul Davies wniósł istotny wkład w zrozumienie podstaw fizyki na najgłębszym dostępnym dzisiaj poziomie. Jego książka, napisana w 1982 r. wespół z Nicholasem Birrellem, była pierwszym podręcznikiem kwantowej teorii pola w zakrzywionej czasoprzestrzeni i doczekała się blisko 10000 cytowań.

Życie na Ziemi i w kosmosie

W 1990 r. Davies przeniósł się na Uniwersytet w Adelajdzie, gdzie objął stanowisko profesora fizyki matematycznej, a trzy lata później powołane specjalnie dla niego stanowisko profesora filozofii naturalnej. To właśnie w Australii zainteresował się na poważnie astrobiologią, czyli interdyscyplinarną dziedziną na styku bio-, geo- i astrofizyki zajmującej się powstaniem, naturą i powszechnością życia we Wszechświecie. Podówczas dziedzina ta była traktowana z przymrużeniem oka przez „poważnych” naukowców. Jednak wszystko zmieniło się w 1996 r., kiedy to naukowcy z NASA obwieścili na łamach „Science” odkrycie wewnątrz słynnego marsjańskiego meteorytu ALH84001 mikroskopijnych form, które przypominały skamieniałe bakterie. W związku z tym należało ściśle przeanalizować możliwość scenariusza, w myśl którego powstałe na Czerwonej Planecie mikroorganizmy zostały wyrzucone w kosmos na kawałku skały (w wyniku katastroficznego impaktu), by po milionach lat trafić na Ziemię, nie ulegając po drodze zniszczeniu.

Brzmi mało prawdopodobnie? A jednak Davies już w 1991 r. zaczął się poważnie zastawiać, czy taki scenariusz nie jest stosunkowo powszechny w sięgającej kilku miliardów lat historii Układu Słonecznego. Nie był zresztą pierwszy – już w XIX w. wielu uczonych spekulowało na ten temat, a w roku 1903 szwedzki chemik Svante Arrhenius sformułował hipotezę tzw. panspermii, według której mikroorganizmy miałyby pokonywać przestrzeń międzyplanetarną, a nawet międzygwiezdną, zapładniając całą Galaktykę. Do gorących zwolenników panspermii należeli wspomniany już Fred Hoyle oraz jeden z odkrywców struktury DNA Francis Crick. Na jej korzyść, zdaniem Daviesa, przemawiają odkrywane w latach 80. i 90. tzw. ekstremofile – mikroby żyjące w tak skrajnych warunkach środowiskowych (wysokiej temperatury, ciśnienia, zasolenia, toksyczności czy radioaktywności), że najpewniej byłyby w stanie przetrwać nawet pobliskie uderzenie meteorytu, późniejszą podróż na kawałku wyrzuconej w kosmos skały i wreszcie gwałtowne lądowanie na innej planecie. W swoich pracach Davies wnikliwie analizuje możliwość, iż życie powstało najpierw na Marsie i dopiero później dotarło na Ziemię na drodze panspermii. Być może, twierdzi Davies, wszyscyśmy dziećmi marsjańskich mikrobów.

Niezależnie od tego, gdzie powstało życie, pozostaje pytanie, jak do tego doszło i czy stało się to więcej niż raz, być może w oparciu o zupełnie różną biochemię. W 2005 r. Paul Davies wespół z Charleyem Lineweaverem wysunęli hipotezę „drugiej genesis”, w myśl której obok znanego nam życia opartego na DNA mogą istnieć na Ziemi mikroorganizmy żyjące według zupełnie innych reguł. W tym samym roku z analogiczną hipotezą wyszły Carol Cleland i Shelley Copley z Uniwersytetu Kolorado, a ukuta przez nie nazwa „biosfery cieni” (shadow biosphere) weszła do słownika astrobiologów, którzy ruszyli na poszukiwania „obcych” form życia na Ziemi.

Jak jednak rozpoznać mikroorganizmy żyjące według nieznanych reguł alternatywnej biochemii? To szukanie igły w stogu siana, przy czym nie wiemy, jak wygląda igła! Davies proponuje patrzeć tam, gdzie znane nam życie nie ma szans się utrzymać: w morderczym ukropie wokół kominów hydrotermalnych, w mikroskopijnych porach skał zbyt ciasnych nawet dla prymitywnych bakterii albo w silnie zasolonych i toksycznych jeziorach.

Ten ostatni pomysł podchwyciła i rozwinęła młoda mikrobiolożka Felisa Wolfe-Simon. W 2009 r. wspólnie z Paulem Daviesem i Arielem Anbarem opisali hipotetyczne mikroorganizmy, które w warunkach wysokich stężeń arsenu byłyby w stanie wbudowywać ten toksyczny pierwiastek w strukturę podwójnej helisy DNA w miejsce fosforu. Wkrótce potem kierowany przez nią zespół udał się nad silnie alkaliczne i bogate w arsen jezioro Mono w Kalifornii, gdzie natrafił na nowy gatunek bakterii, który zdawał się realizować dokładnie taką strategię biochemiczną. Ogłoszone w 2011 r. odkrycie wstrząsnęło światem nauki niemal tak mocno, jak piętnaście lat wcześniej meteoryt ALH84001, i natychmiast zostało poddane surowej, wszechstronnej krytyce środowiska naukowego. Niestety, ostatecznie okazało się – podobnie jak w przypadku marsjańskiej skały – że wszystko da się wyjaśnić bez pisania podręczników biochemii od nowa. Jednakże choć astrobiologia zaczęła się od dwóch falstartów, wniosła ona ogromny wkład w głębsze zrozumienie fenomenu życia. Obecnie większość uczonych (w tym Davies, choć z pewnymi zastrzeżeniami) jest przekonanych, że odkrycie pozaziemskiej biosfery jest tylko kwestią czasu.

Tryb awaryjny

W swojej najnowszej książce („The Demon in the Machine”, Penguin, 2019) Davies podkreśla, że biochemia i genetyka to tylko pewne etapy na drodze do zrozumienia, czym jest życie. DNA stanowi swoisty „hardware” materii ożywionej, ale opisanie funkcji życiowych nawet najprostszych organizmów wymaga również znajomości „software’u” – instrukcji obsługi. Analogicznie, próba zrozumienia nawet najprostszego urządzenia elektronicznego bez znajomości zasad jego działania, tylko na podstawie analizy jego podzespołów, byłaby beznadziejna. W jakim jednak języku zapisane jest oprogramowanie organizmów żywych? Davies twierdzi, że jest nim informacja epigenetyczna kontrolująca ekspresję genów.

Zrozumienie „informatyki życia” mogłoby otworzyć zupełnie nową gałąź medycyny. Lekarze przyszłości badaliby nasze schematy ekspresji genów i zalecali aktualizację oprogramowania. Idąc tym tropem Paul Davies, wraz ze współpracownikami z Centrum Zbieżności Fizyki i Biologii Nowotworów, zaproponował nowe spojrzenie na jeden z największych problemów medycyny – raka. Wysunął on odważną hipotezę głoszącą, iż rak jest swoistym „trybem awaryjnym” organizmu żywego. W normalnych warunkach wysokopoziomowe procesy epigenetyczne kontrolują zachowania pojedynczych komórek, niektórym nakazując namnażanie się, innym mutację, a jeszcze innym popełnić harakiri – dla dobra ogółu, czyli wielokomórkowego organu. Jeśli jednak organizm dozna traumy biochemicznej lub biofizycznej spowodowanej na przykład reakcją ze szkodliwą substancją, to komórki mogą się zbuntować. Aby chronić pierwotną istotę życia – replikację materiału genetycznego – ignorują one instrukcje „z góry”, namnażając się bez umiaru. Przeważnie sprowadza je do pionu układ immunologiczny, jednak czasami rewolucja komórkowa rozlewa się na cały organizm powodując jego szybką śmierć.

Hipoteza Daviesa i kolegów jest niewątpliwie bardzo kontrowersyjna i daleka od powszechnego uznania onkologów. Jednak ma ona bardzo konkretne przewidywania: Wynika z niej m.in., że geny podatne na raka (tzw. onkogeny) są „stare ewolucyjnie”, tzn. wykształciły się już w pierwotnych organizmach wielokomórkowych. Wstępne badania zdają się faktycznie potwierdzać tę tezę, ale do triumfu nad „rakiem – trybem awaryjnym” jeszcze długa droga.

W 2006 r. Paul Davies przeniósł się na Uniwersytet Stanu Arizona, gdzie założył Centrum Fundamentalnych Idei w Nauce BEYOND, którym kieruje do dziś. Jak sam mówi, jest to swego rodzaju „kosmiczny think tank”, zajmujący się „wielkimi pytaniami” leżącymi u podstaw wszystkich nauk. Davies wciąż prowadzi badania i publikuje prace z kosmologii (m.in. na temat zasady antropicznej, a także hipotezy symulacji), astrobiologii, mechaniki kwantowej, a także dotyczące podróży kosmicznych oraz... istnienia pozaziemskiej inteligencji. Od 2005 r. jest kierownikiem grupy „postdetekcyjnej” w ramach projektu SETI, której zadaniem jest opracowanie protokołów postępowania w przypadku nawiązania kontaktu z „braćmi w rozumie” lub natrafienia na ich ślady w obserwacjach astronomicznych.

Przywilej racjonalności

Szerszej publiczności Paul Davies jest znany jako autor kilkudziesięciu (!) książek oraz kilkuset (!) artykułów popularnonaukowych. O jego imponującym zacięciu popularyzatorskim niech zaświadczy to, że w latach 1978–95 wydawał średnio jedną pozycję popularnonaukową rocznie, w tym przetłumaczonego także na język polski „Boga i nową fizykę” (1984) oraz „Plan Stwórcy” (1992), w których rozważa i przystępnie omawia filozoficzno-teologiczne źródła i uwarunkowania nowożytnej nauki. Oddajmy głos samemu Daviesowi, który w rozmowie z nami przy okazji swojej wizyty w Polsce w 2017 r. mówił:

„Ponieważ nauki przyrodnicze osiągają takie sukcesy, to przyjmujemy za pewnik, iż ilekroć przyjrzymy się bliżej Naturze, odkryjemy porządek, a nie nonsens. Nie wydano by 8 miliardów euro na budowę Wielkiego Zderzacza Hadronów, gdyby nie oczekiwano, że to, co dzięki niemu odkryjemy, będzie sensowne!

Nie sposób być naukowcem, nie zakładając istnienia głębokiego porządku w przyrodzie. Choć można wierzyć, że nie wymagał on ustanowienia przez racjonalnego Prawodawcę, w sam porządek wierzyć trzeba. Ponadto trzeba też wierzyć, że prawa przyrody są pojmowalne; że leżą w zasięgu ludzkiego rozumu. Gdyby nie były, uprawianie nauki byłoby z góry skazane na porażkę.

Przekonanie o pojmowalności świata w pewnym sensie odzwierciedla teologiczne stanowisko, że ludzie zostali stworzeni na obraz Boga, a zatem w pewnym ograniczonym stopniu dzielą z Nim Jego racjonalność. To pozwala nam niekiedy przelotnie dostrzec Jego stwórczy zamysł.

Było to oszałamiające odkrycie u zarania nauki: oto ludzie są w stanie podejrzeć ukryty porządek Natury w jego matematycznej strukturze. Eugene Wigner pisał o »niepojętej skuteczności matematyki w naukach przyrodniczych« i ja to traktuję bardzo poważnie. To naprawdę zaskakujące, jak daleko udało nam się zajść. Można spotkać się ze stwierdzeniem, że to nic dziwnego, iż odkrywamy w przyrodzie porządek, bo w końcu rozpoznawanie wzorców było cenną umiejętnością w ewolucyjnym wyścigu. Ale że potrafimy rozpoznać takie wzorce jak symetrie cechowania albo Einsteinowska zasada równoważności...? W jakiś sposób umiemy zrozumieć ze świata znacznie więcej, niż jest konieczne do przeżycia w dżungli.

To niezwykłe, że jesteśmy tak uprzywilejowani”. ©

DR MICHAŁ ECKSTEIN pracuje w Krajowym Centrum Informatyki Kwantowej w Gdańsku. Dr Tomasz Miller pracuje w Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych UJ. Obaj autorzy są fizykami matematycznymi.

Ten materiał jest bezpłatny, 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

Fizyk i matematyk, pracuje w Krajowym Centrum Informatyki Kwantowej na Uniwersytecie Gdańskim. Jego zainteresowania badawcze sięgają od abstrakcyjnej algebry i geometrii nieprzemiennej po...

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.

całe zagadnienie niełatwe - ale ta akurat fraza chyba bałamutna?... Autorzy rzeczywiście tak sądzą, że rozszerzanie to z definicji "krzywienie"??...
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]