Część 4: Wiedzieć, czego się nie wie
Czytaj poprzednie części rozmowy:
Superpozycja i mistycy
Nie ma różnicy, jest splątanie
Solidarność fotonów
Tomasz Stawiszyński: Dużo jeszcze nie wiemy o świecie?
Jan Chwedeńczuk: Trudno wymienić wszystko, czego jeszcze nie wiedzą fizycy. Przede wszystkim nie wiemy, z czego się składa 95% materii we wszechświecie.
Całkiem sporo.
Tak, całkiem sporo. „Tradycyjna” energia i materia, z którą obcujemy: gwiazdy, planety, światło, to jest najprawdopodobniej tylko 5% świata. Reszta to ciemna materia i ciemna energia, których natura nie jest jeszcze jasna.
Skąd więc wiemy, że jest?
Mamy pewne przesłanki. Od czasów Einsteina wiemy, że obecność materii, która generuje siłę grawitacji, przyciągającą nie tylko masywne przedmioty, tak jak my jesteśmy przyciągani do Ziemi, ale bardziej ogólnie: zakrzywia czasoprzestrzeń. Jeżeli z odległej gwiazdy zmierza do nas światło i na jego drodze do nas mija masywne obiekty, jego tor lekko się zakrzywi. Widzimy to zakrzywienie i na tej podstawie stwierdzamy, że było po drodze. Coś, czego poza tym nie widać. A zatem mówimy – to jest ciemna materia. I do tego dochodzi ciemna energia, coś co sprawia, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej, rozpycha go.
To robi wrażenie.
Mocne, prawda? Cały ten świat, który znamy, składa się z materii opisywanej przez mechanikę kwantową, elektronów, protonów, cząstek światła i tak dalej, zwanych ogólnie materią barionową. To jest raptem 5% zawartości wszechświata, reszta jest nieznana. Są różne hipotezy, łącznie z takimi lekko trącącymi science fiction, że istnieje jakiś inny wszechświat, który się z naszym pokrywa i obecność tych tajemniczych bytów jest wynikiem tego przekrywania.
Równoległy?
Który jednak jakoś z naszym oddziałuje, a ciemna materia to jest tego ślad.
Czy to może być wszechświat podobny do naszego?
Nie wiadomo.
To przypomina mi serial, który oglądałem niedawno, znakomity zresztą – Fringe. Tam był taki równoległy wszechświat, w którym wszystkie te przedmioty, które są w naszym, też były, tylko trochę inaczej. I każdy z nas miał swój tam odpowiednik.
Jedna z interpretacji mechaniki kwantowej próbuje tłumaczyć brak determinizmu mechaniki kwantowej jako przejaw istnienia równoległych wszechświatów. Mówiąc dość swobodnie. Problem z takimi stwierdzeniami jest taki, że nie bardzo wiemy jak je zweryfikować. Mogę ci na poczekaniu zaproponować parę takich „wyjaśnień”.
Jest wielu fizyków, popularyzatorów fizyki, już właściwie celebrytów, jak np. Michio Kaku, którzy przedstawiają takie niesamowite i fantastyczne koncepcje. Często trudno odróżnić, co jest jakąś sensowną hipotezą, a co propozycją, powiedziałbym, strzelistą.
Należy ostrożnie podchodzić do fantastycznych wizji popularyzatorów fizyki. Chodzi o to, aby rozbudzić ciekawość i rzeczywiście wielu studentów na wydziale mówi, że te książki były dla nich inspiracją. To nie szkodzi, że nie jesteś w stanie stwierdzić, gdzie przebiega granica między nauką a swobodną myślą. W związku z tym nie należy narzekać, że ktoś sobie lekko odpłynął, to naprawdę czemuś służy.
95% nieznanego wszechświata daje spore pole popisu dla wyobraźni.
Powiedziałbym, że samo to twierdzenie, że nie wiemy, z czego się składa znacząca większość wszechświata, jest dość frapujące. To więcej niż pole do snucia rozmaitych fantazji. Oznacza, że wiemy, że jest coś, o czym nie wiemy. Pytanie – co to jest? Jak należy poprawić Model Standardowy, opisujący w ramach mechaniki kwantowej typy cząstek elementarnych i ich oddziaływania?
Pytanie, czy kiedyś się okaże, że współczesna fizyka jest tylko przybliżonym opisem świata, a istnieje bardziej ogólna wiedza i lepsza teoria. I czy kiedyś będzie można powiedzieć: mamy ogólną teorię wszystkiego?
A może wystarczy załatać pewne dziury w teorii, by przywrócić spójność? To jest piękno współczesnej nauki: prowadząc bardzo subtelne obserwacje, widzimy drobne anomalie i na ich podstawie tworzymy nowe potężne teorie. Postęp w nauce wiąże się z tym, że zgadza się prawie wszystko, ale nie wszystko. Jeśli jesteś dobrym naukowcem, nie ignorujesz tego, drążysz, idziesz za tym i potem nazywają twoim imieniem ulicę.
Czy były w historii fizyki takie momenty, kiedy fizykom się wydawało. że wiedzą wszystko, że nie ma w tym wszechświecie właściwie nic takiego, co by przed ich wzrokiem umykało?
Tak naprawdę był tylko jeden taki moment, pod koniec XIX wieku. Przez setki lat tworzyliśmy spójny obraz „klasycznego” świata. Zaczęło się od starożytnej Grecji, potem były badania na Bliskim Wschodzie, w Indiach, i koniec końców w XVII i XVIII wieku zostały sformułowane prawa mechaniki klasycznej. Sformułował je Newton, a równolegle aparat matematyczny stworzył dla niej Leibniz, rachunek różniczkowy i całkowy to były narzędzia kluczowe. Do tego w XIX wieku sformułowano termodynamikę i mechanikę statyczną. No i elektrodynamika, której prawa można zapisać przy pomocy czterech równań Maxwella. Przewidują one istnienie klasycznej falą elektromagnetycznej i tłumaczą większość zjawisk, które obserwujemy. Jest koniec XIX wieku i wydaje się, że jest tak bezpiecznie, klasycznie, wszystko już wiemy, może tylko trzeba udoskonalić metody pomiarowe, pozostawało parę drobnostek do wytłumaczenia. I te drobnostki wszystko obróciły wniwecz, ukazały nam drugie dno, czyli mechanikę kwantową i teorię względności. Na przełomie wieków coś dziwnego dzieje się zarówno w nauce, jak i w stosunkach społecznych. I wojna światowa, upadek monarchii. W czasie zbiegły się rewolucje społeczne oraz rewolucje w fizyce. Kończy się klasyczna sztuka, „klasyczne” landszafty, „klasyczne” symfonie…
W literaturze poczciwa realistyczna narracja się kończy i się pojawia…
Joyce.
I Proust.
Wszystko się sypie.
Jeszcze Freud do tego ze swoją psychoanalizą.
Efektem tej rewolucji na wielu polach jest np. moim zdaniem to, że sztuka współczesna oderwała się od słuchacza, widza, stała się elitarna. Sztuka kiedyś oczywiście była elitarna w tym sensie, że była dostępna dla zamożnych mieszczan i wzwyż, ale to była elitarność finansowa, a teraz jest ona skrajnie elitarna intelektualnie.
Nie mając biegłej znajomości historii sztuki, wszystkich kontekstów uruchamianych w tych dziełach, nie jesteś w stanie tego w ogóle zasymilować.
A w nauce uznano, że „klasyczny” opis świata jest niepełny. Fizyka, w szczególności przez swoje zmatematyzowanie i coraz bardziej abstrakcyjny aparat, którym się posługuje, będzie coraz bardziej elitarna.
Chyba nie ma już powrotu do prostego opisu świata. Nauka wymaga coraz większego wyspecjalizowania.
Jest tu pewna analogia do tego, co stało się ze sztuką. Niemniej wynalazki powstałe w oparciu o znajomość zjawisk kwantowych dramatycznie zmieniły otaczający nas świat. Przykłady to twój telefon czy komputer. Działanie lasera oparte jest na kwantowym oddziaływaniu pola elektromagnetycznego z materią. Laser powstał w na przełomie lat 60. i 70. Początkowo to było kuriozum, które teraz jest wszędzie, w medycynie, służy do odczytu danych, płyt DVD…
Miecz laserowy…
Co jakiś czas słyszymy, że armia amerykańska stworzyła broń laserową. Niemniej nie mamy tak wydajnych baterii, które mogłyby dostarczyć przenośnemu mieczowi wystarczającą ilość energii, by stał się on skuteczną bronią. Parę lat temu uczestniczyłem w konferencji poświęconej optyce kwantowej w Zakopanem. Byli tam ludzie, którzy pracowali nad laserem te pięćdziesiąt lat temu, to byli już starsi panowie. Któregoś dnia jeden z nich w trakcie wygłaszania seminarium opowiedział, że poprzedniego dnia poszedł na targ w Zakopanem i za 10 zł kupił wskaźnik laserowy. Zminiaturyzowany produkt subtelnych rozmyślań nad mechaniką kwantową leżał na targu w Zakopanem i kosztował 10 zł.
Taki, który robi kropeczkę czerwoną.
Tak, taki wskaźnik, którego używa się do wystąpień albo kibice świecą nim piłkarzom po oczach. No i dla niego to było przejmujące, że on jest w Zakopanem, czyli z perspektywy Amerykanina na końcu świata. Idzie na targ i kupuje…
Owoc swojego wysiłku.
Może taki wskaźnik nie jest najbardziej spektakularnym zastosowaniem lasera, ale jednak. Wracając do tego momentu przełomu, kiedy to pozostało kilka zjawisk, które trzeba było wyjaśnić, drobnych szczegółów, fałdek które trzeba było wygładzić. To one wszystko wywróciły do góry nogami.
Czy byli tacy zwolennicy tego starego modelu świata, którzy trzymali się go rękami i nogami, nie chcieli przyjąć do wiadomości, że muszą porzucić obraz świata, który mieli?
Jednym z takich ludzi był Einstein, który wypowiedział słynne zdanie, że Bóg nie gra w kości. Otóż klasyczna fizyka jest deterministyczna. Jeżeli znam zbiór początkowych warunków, ustawień cząstek i sił, jakimi one oddziałują, to mogę przewidzieć stan układu w dowolnej chwili. Formalnie jest to wykonalne. Oczywiście nawet w klasycznej fizyce jest to bardzo trudne, przykładem jest sprawdzalność prognoz pogody. Tymczasem mechanika kwantowa posługuje się prawdopodobieństwami. Ona mówi, że jeśli przygotujesz układ, powiedzmy elektron, w stanie superpozycji, to z pewnymi prawdopodobieństwami będzie w każdym ze stanów. Póki nie zmierzysz, nie wiesz, co zastaniesz.
Czyli rzut kośćmi…
Ten rzut kośćmi jest wpisany w mechanikę kwantową. Einstein pojął konsekwencje: nie ma już bezpiecznego, deterministycznego świat, tylko jest coś fundamentalnie losowego. To mu nie pasowało. Pokazywał, że mechanika kwantowa prowadzi do pewnych paradoksów. My dziś wiemy, że to nie są paradoksy, tylko zaskakujące konsekwencje. Paradoksy w nauce to są albo błędy myślenia albo brak wiedzy.
W fizyce na szczęście fakty to są fakty. Jeżeli zaprezentuję ci doświadczenie, które stoi w jawnej sprzeczności z twoją teorią, to znaczy, że twoja teoria jest błędna. Koniec.
Nawet jak środowisko naukowe będzie się opierało, na końcu prawda zawsze się przebije.
W różnych dyskusjach ze strony osób, których przekonania nie noszą stempla: „naukowo potwierdzone”, pada zarzut dogmatyczności nauki. Że nauka odrzuca rozmaite dane czy fakty, które mogłyby podważyć światopogląd, który generuje. Opiera się przed ich uznaniem. Odrzuca pewne rzeczy a priori dlatego, że nie mieszczą się w aktualnie obowiązującym paradygmacie i ten paradygmat kosi wszystko, co się w nim nie mieści. Słowem, wcale nie jest zainteresowany własną zmianą czy poszerzeniem perspektywy. Tymczasem ty mi mówisz, że współczesna nauka to skromna dyscyplina, która jest cały czas otwarta na weryfikację swoich twierdzeń, w której każde ego, które się nadmiernie rozrośnie, zostanie sprowadzone do parteru, i tak dalej. Że ten system polegania na metodzie, w której eksperyment jest fundamentem – istnieje konieczność uzyskiwania powtarzalnych wyników, cały szereg różnych wymogów – sprawia, że nauka nieustannie sama siebie weryfikuje, sprawdza i koryguje.
Ale czemu opiera się nauka? Powiedziałeś takie zdanie: często ludzie zarzucają że nauka jest dogmatyczna i opiera się czemuś, to czemu?
Innemu paradygmatowi. Gościłem w „Niedzieli filozofów” w RDC raz czy dwa przedstawicieli czegoś, co się nazywa nowym paradygmatem. Oni uważają, że wszystko tak naprawdę jest umysłem. Twierdzą, że z mechaniki kwantowej wynika, że nasza świadomość jest nielokalna, że nasze umysły są tylko przejawami wielkiego kosmicznego umysłu, który jest miłością, i możemy mieć do niego dostęp poprzez wiele technik medytacyjnych.
No dobrze, ale czego oczekujesz od nauki? Bo ja oczekuję od nauki, w każdym razie od fizyki, że będzie tworzyła teorie, które po pierwsze będą wyjaśniały stan obecny, a po drugie będą pozwalały przewidywać wyniki przyszłych doświadczeń. Jeśli te teorie, który oni tworzą, spełniają te kryteria, jestem w pełni otwarty.
Nie zawsze muszą spełniać, bo to inny paradygmat. Zresztą może trochę spełniają. Doznania mistyczne zostawiają swój ślad w klasycznym świecie – pojawiają się doświadczenia, o których można w przybliżeniu opowiedzieć i porównywać te opowieści. Świata kwantowego też zazwyczaj nie widzisz, tylko poznajesz pośrednio. Astrologia, medycyna chińska, różne systemy dywinacyjne, niezwykłe synchroniczności, głęboko transformujące człowieka sny, czasami sny prorocze… To są wszystko zjawiska będące częścią doświadczenia wielu ludzi. A nauka kompletnie się nimi nie interesuje, albo okazuje im lekceważenie.
Nie można odrzucać żadnych dociekań czy metod badawczych, które koniec końców prowadzą do poszerzenia naszej wiedzy o świecie, pogłębienia zrozumienia. Tak długo jak stwierdzenia dotyczące natury świata można empirycznie zweryfikować, są one ważne z poznawczego punktu widzenia. Nie znaczy to, że należy się usztywniać i negować nawet dość luźne metody badawcze. Lecz na końcu zawsze mówimy „sprawdzam”.
Jako fizyk, którym z tych zjawisk byłbyś gotów się zainteresować?
Z tego, co wymieniłeś, najciekawsze są dla mnie teorie o snach. A to dlatego, że wiąże się to z próbą zrozumienia, jak działa mózg.
No właśnie.
Czy to jest obiekt, którego niezwykła elastyczność, zdolność kojarzenia, wynika ze zjawisk kwantowych? Być może.
I co to by znaczyło?
To by znaczyło, że nie da się go odtworzyć przy pomocy jakiejś prostej sieci neuronowej, gdzie wymianie podlegają tylko klasyczne bity informacji. Pytanie, dlaczego mózg jest tak wydajny, to nieskończenie ciekawe zagadnienie. Jak to jest możliwe, że taka mała kupa mięsa, produkuje to wszystko?
Szara breja. Może w niej mieszka dusza, konkretnie w szyszynce, której fizyka nie potrafi ogarnąć? Czy poznanie tajemnic mózgu pozwoli nam na jakieś nowe podejście do rozumienia fizyki?
Wybitni naukowcy, tacy jak Roger Penrose, ongiś współpracownik Hawkinga, twierdzą że tak. Jego zdaniem mózgiem rządzą subtelne zjawiska z pogranicza mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności. A zatem dopiero poznanie kwantowej teorii grawitacji doprowadziłoby nas do zrozumienia tego, jak działa mózg. Jego poglądy są krytykowane, niemniej również w tej kwestii mało jeszcze wiemy.
dr Jan Chwedeńczuk – adiunkt w Instytucie Fizyki Teoretycznej na Wydziale Fizyki UW. Doktorat tamże. Dwa lata na Uniwersytecie Trydenckim we Włoszech. Specjalizacja: splątanie kwantowe, kwantowa teoria pomiaru, nieklasyczne stany materii.
Tekst jest rozszerzoną i zredagowaną wersją rozmowy, która odbyła się 13 listopada w programie „Wieczór RDC”. / Oprac. Ula Lukierska
