Studium naukowego paradoksu, czyli jaka jest zawartość wiedzy w wiedzy?

Podejrzewam, że od razu dostrzeżecie w powyższym, nieco paradoksalnym podtytule, nawiązanie do słynnego pomiaru zawartości cukru w cukrze z komedii Stanisława Barei Poszukiwany, poszukiwana. I całkiem słusznie. Czemu akurat taka forma przyszła mi do głowy, skoro zdecydowałem się napisać poważny artykuł na poważnego bloga o poważnej książce? Otóż postawiłem to pytanie, bo będę się zajmować publikacją dotyczącą naukowych paradoksów, pisaną w konwencji paradoksów i dającą spojrzenie na naukę z pozycji paradoksów. Ta książka to Kosmologiczne koany. Podróż do serca rzeczywistości fizycznej Anthony’ego Aguirre. Jak pisze sam autor:

Celem Kosmologicznych koanów jest zbadanie tych dziwnych rejonów rozpościerających się między głęboką strukturą świata fizycznego – od nieskończenie małej do największej skali kosmicznej – a naszym osobistym, subiektywnym doświadczeniem jako mieszkańców tego świata. Jest to zaproszenie do rozważania głębokich pytań z dziedziny fizyki poprzez osobiste doświadczenie i, mam taką nadzieję, do zyskania pewnego poczucia tajemnicy, ekscytacji i zadziwienia, jakie towarzyszyło mi podczas prowadzenia tych badań.

Większość pozycji popularnonaukowych skupia się na tym, co wiemy. Prezentuje fizykę jako niemal domkniętą i całościową strukturę. Nie jest to jednak, delikatnie rzecz ujmując, jej pełny obraz. Ta gałąź nauki na podstawowym poziomie obfituje w niejasności, zagadki, a nawet sprzeczności. I właśnie tę drugą stronę naukowego medalu odważył się zaprezentować czytelnikom Aguirre w swojej niezwykłej książce. Jej fabuła zbudowana jest na arcyciekawej konwencji koanów, czyli krótkich opowiastek mających zmusić czytelnika do rozmyślań dzięki swej pozornie paradoksalnej treści. Stosując ów nietuzinkowy zabieg, autor ukazuje luki w naszym zrozumieniu wszechświata i praw nim rządzących. W prosty i zajmujący sposób prezentuje najważniejsze koncepcje współczesnej fizyki, po czym skupia się na problemach i paradoksach, jakie się z nimi wiążą. W ramach 50 koanów omawiane są podstawowe zagadnienia fizyki klasycznej i kwantowej oraz mikroświata, świata dostępnego naszym codziennym doświadczeniom, jak również makroskopowych struktur kosmicznych. Jej fabuła zbudowana jest na achronologicznej relacji z podróży głównego bohatera przez Europę i Daleki Wschód, podczas której spotyka na swej drodze wiele ciekawych postaci i odwiedza interesujące miejsca. Wszystkie te wydarzenia prowokują go do stawiania fundamentalnych pytań i poszukiwania na nie odpowiedzi.

Oko w oko z paradoksem

Jak często zdarza nam się przejść do porządku dziennego nad wieloma nurtującymi nas fundamentalnymi pytaniami? Z własnego doświadczenia wiem, że wielokrotnie. Dzieje się tak głownie z obawy przed posądzeniem o ignorancję. „Co to za głupie pytanie?” – to dość powszechna, choć zazwyczaj niewerbalizowana reakcja. Paradoksalnie, dotyczy ona również – a może nawet w szczególności – osób zawodowo zajmujących się nauką. Panuje bowiem nieuzasadnione niczym przeświadczenie, że podstawy naukowego obrazu świata są obecnie doskonale poznane, bo tak wiele światłych umysłów łamało sobie nad nimi głowy i wszystko tak wspaniale działa. Fundamenty są solidne i trwałe. Sukcesy nauki i technologii są tego dowodem. A więc nie ma się nad czym głowić i nie warto na to tracić czasu, lecz należy po prostu zaakceptować taki stan rzeczy. Koniec, kropka. Naprzód marsz!

Tymczasem rzeczywistość naukowa wygląda zupełnie inaczej. Ten misternie ułożony obraz to tylko pozory dla niewtajemniczonych. Kiedy uda się profanowi zajrzeć za szczelną zasłonę przesłaniającą prawdziwe oblicze nauki przed wścibskim wzrokiem amatorów, jego oczom ukażą się ogromne przestrzenie niewiedzy.

Nasze czasy nie są bynajmniej pod tym względem w żaden sposób wyjątkowe. Pod koniec XIX wieku panowało przekonanie, że świat został poznany w stopniu absolutnym, a kilka niewielkich odchyłek od przewidywań spowodowanych jest jedynie brakami stricte technicznymi. Dostępnych jest mnóstwo świadectw potwierdzających owo przekonanie, niektóre z nich brzmią dziś dość humorystycznie. Na przykład w roku 1897 Albert Michelson wraz z Edwardem Morleyem wykonali jedno z najważniejszych doświadczeń w historii fizyki, które dowiodło, że słynny eter nie istnieje, tym samym burząc cały gmach fizyki zbudowany na tym pojęciu. Mimo to siedem lat później Michelson wypowiedział następujące słowa:

Wszystkie najważniejsze fundamentalne prawa i fakty w fizyce zostały już odkryte i tak dobrze ustalone, iż jest znikome prawdopodobieństwo, że zostaną one uzupełnione w wyniku nowych odkryć. (…) Przyszłych nowych prawd w fizyce trzeba będzie szukać na szóstym miejscu po przecinku.

Pech chciał, że już w 1900 roku Max Planck, a zaraz po nim Albert Einstein w 1905 roku obrócili wniwecz drobiazgowo dopracowany i starannie spasowany obraz świata i nadali całkowicie nowy kierunek rozwojowi nauki.

Wybierzmy się zatem wraz z autorem w krótką podróż śladami naukowego paradoksu.

Śladami paradoksu

Rozpoczynamy naszą wędrówkę od najbardziej podstawowych i klasycznych pojęć. Czym tak naprawdę jest ruch? Z tą kwestią zmagali się już starożytni, między innymi Zenon z Elei, który przedstawił swoje przemyślenia w postaci znanych chyba wszystkim zagadek. Aby poprawnie opisać ruch, potrzebujemy modelu przestrzeni i czasu. Czy są one absolutne? Tak właśnie uważał Newton, ale doprowadziło go to do pewnych nieusuwalnych sprzeczności w ramach wspaniałego modelu świata, który zbudował. Czym są jednak te wielkości i w jaki sposób od siebie się różnią? Na zdrowy rozum można powiedzieć, że w przestrzeni możemy się poruszać, a w czasie nie. Poza tym, czas posiada pewien wyróżniony kierunek, a przestrzeń nie. To wszystko poniekąd prawda, choć Einstein wprowadził tu pewne modyfikacje. A jak należy rozumieć podział czasu na przeszłość, teraźniejszość i przyszłość? Jak długo trwa teraźniejszość? Czy przeszłość i przyszłość można uważać za istniejące realnie, czy też dostęp do przeszłości mamy jedynie poprzez pamięć, a przyszłość pozostaje dla nas nieodgadnioną tajemnicą? I jak powiązać ten aspekt jego natury z einsteinowskim „krachem równoczesności”, w ramach którego zdarzenia w przyszłości jednego obserwatora mogą należeć do przeszłości obserwatora poruszającego się z inną szybkością. Poza tym, nadal nie wiemy, czy przestrzeń i czas są obiektami ciągłymi, jak zakładali Newton i Einstein, czy też ziarnistymi. Na podstawowym z dzisiejszego punktu widzenia poziomie rzeczywistości wydają się być nieciągłe, opisywane niewyobrażalnie mikroskopijnymi fundamentalnymi wielkościami zwanymi długością Plancka oraz czasem Plancka. Z fizycznego punktu widzenia mówienie o mniejszych odległościach i krótszych czasach nie ma po prostu sensu. A może sytuacja wygląda jeszcze inaczej? Może, jak pisze Aguirre:

Przyszłość, podobnie jak przeszłość, już istnieje. Teraźniejszość jest swego rodzaju złudzeniem – zaledwie jedną dowolnie wybraną chwilą z wielu możliwych, nieposiadającą żadnego szczególnego znaczenia. Nic nie powstaje, ponieważ przyszłość już istnieje. Moment ostatniego uderzenia naszego serca jest już określony, a my nieubłaganie poruszamy się przez czasoprzestrzeń, czyniąc wszystko, co w naszej mocy, aby do niego dotrzeć.

Kolejnym, niezwykle istotnym pytaniem z punktu widzenia współczesnej fizyki, jest to, czym jest cząstka elementarna i w jakim stopniu jest ona tak naprawdę „elementarna”, czyli niepodzielna. Jedna z odpowiedzi na to pytanie brzmi, że w świetle obecnych teorii naukowych taka cząstka jest wzbudzeniem określonego pola fizycznego, na przykład pola elektronowego, przypominającym nieco falę rozchodzącą się po jeziorze:

Jeśli zapytamy, z czego składa się ocean – jaka jest jego natura – odpowiedź brzmi, że składa się z wody. Jeśli zaś zapytamy, jaka jest natura pola elektronowego, uzyskamy odpowiedź: pole elektronowe to obiekt zdolny do tworzenia i usuwania elektronów! To dość nieprzyjemnie okrężna odpowiedź.

Można ją jednak również traktować jako obiekt posiadający pewien zbiór matematycznych symetrii, zachowujący się w sposób zadany przez zespół określających go liczb, takich jak spin, ładunek, masa, liczba leptonowa itp. Być może jest to jednak stan kwantowy zawierający odpowiedź na pewne ściśle określone pytania. Teoria kwantowa sugeruje, że poza stanem kwantowym nie istnieje absolutnie nic – żadna substancja, żaden fizyczny byt. W tym obrazie elektron jest rodzajem regularności, to po prostu porządek:

Tym sposobem dochodzimy do dziwnego miejsca. Rozkładamy obiekt na coraz mniejsze fragmenty, ale wówczas przy bliższym badaniu okazuje się, że tych fragmentów po prostu nie ma.

Skąd pojawia się porządek we wszechświecie, skoro wszystkie układy fizyczne muszą stosować się do drugiej zasady termodynamiki, która mówi, że w układzie izolowanym nieporządek, czyli tzw. entropia, nie może maleć? Entropię danego stanu można rozumieć jako prawdopodobieństwo znalezienia się układu w danym stanie. Wyobraźmy sobie pełny kolor karciany od dwójki do asa. Układ wszystkich kart po kolei ma bardzo niską entropię, gdyż jest tylko jeden, natomiast stan, w którym dwie karty są zamienione miejscami, ma znacznie większą entropię, gdyż takich układów jest dużo więcej. Wydaje się, że wszystkie otaczające nas obiekty stosują się do tego prawa. W oparciu o tę zasadę stworzono nawet pojęcie termodynamicznej strzałki czasu. Na tej podstawie Hermann von Helmholtz wysunął również hipotezę śmierci cieplnej wszechświata. Tymczasem w procesach astrofizycznych i kosmologicznych zasada ta wydaje się nie być spełniona. Na przykład entropia czarnej dziury z definicji jest zerowa, zatem jeśli wpada do niej materia o niezerowej entropii, entropia całego układu się zmniejsza. Z kolei wszechświat na początku swojego istnienia był absolutnie jednorodny, co potwierdza obraz mikrofalowego promieniowania tła, czyli miał ogromną entropię. Natomiast dziś obserwujemy wiele struktur we wszechświecie, a zatem jego uporządkowanie wzrosło, a entropia zmalała. Dlaczego? Czy możliwe jest, że grawitacja wymyka się drugiej zasadzie termodynamiki? A może mamy tu do czynienia z działaniem demona Maxwella? I jakie znaczenie ma w tym wypadku pojęcie informacji?

Ano właśnie – a jak to jest z tą całą informacją? Załóżmy, że pod wpływem sporej dawki ułańskiej fantazji napisałem pełen inwektyw komentarz na portalu społecznościowym, który jednak w ostatnim momencie przed wysłaniem resztkami przytomności skasowałem. Czy ta informacja zniknęła na zawsze, nie ma jej i nie będzie, czy też adresat może się dowiedzieć, co w głębi serca naprawdę o nim myślę? Z jednej strony wiadomość została usunięta, nie pozostał po niej żaden fizyczny ślad. I na przykład anihilacja cząstek wydaje się sugerować, że pewne informacje tracimy bezpowrotnie. Z drugiej zaś, skoro te słowa zostały napisane, to zostały również wyemitowane w przestrzeń w postaci obrazu pochodzącego z ekranu mojego smartfona. Jeśli założymy pełną odwracalność procesów, to teoretycznie nic nie stoi na przeszkodzie, by tę wiedzę – oraz każdą inną, choćby nawet ze spalonych ksiąg wielkich mistrzów – odzyskać.

Czym jest prawdopodobieństwo uzyskania określonego wyniku? Czy jest ono pewną właściwością otaczającego nas świata, czy też może jest własnością naszego opisu świata? Trzymając w ręce kostkę do gry, nie jesteśmy w stanie powiedzieć, jaka liczba wypadnie. Początkowe prawdopodobieństwa równe 1/6 wypadnięcia dowolnej ścianki są związane z jej symetrią. Kiedy jednak wprowadzimy ją w ruch, następuje wiele fizycznych zjawisk, które w rezultacie prowadzą do zmiany tych prawdopodobieństw i ostatecznie naszym oczom ukazuje się wynik – na przykład trójka. Co by się jednak stało, gdybyśmy mogli wykorzystać superkomputer do symulacji wszystkich parametrów rzutu? Z pewnością uzyskalibyśmy dokładniejszy wynik niż 1/6. Być może na przykład maszyna uznałaby, że szansa wypadnięcia trójki wynosi 99%? Czy zatem ścisły wynik jest określony przed rzutem i znany wszechświatowi, czy może przypadkowość jest wewnętrzną cechą zjawisk fizycznych:

Kiedy patrzycie na przedmiot w codziennym świecie, nawet jeśli wiecie, że wasze zmysły i percepcja są niedoskonałe, to intuicyjnie wyczuwacie, że „gdzieś tam” jest doskonale określony przedmiot. Dlatego niepokojące jest uświadomienie sobie, że najbardziej podstawowy, fundamentalny opis tego przedmiotu pozostaje zapisany nie tylko w kategoriach prawdopodobieństw, ale prawdopodobieństw prawdopodobieństw.

Kosmologia również obfituje w zagadki. Klasycznym przykładem jest paradoks Olbersa. Polega on na tym, że gdyby wszechświat był nieskończony czasowo i przestrzennie oraz jednorodny, wówczas w każdym miejscu na niebie znajdowałaby się jakaś gwiazda, a zatem całe nocne niebo powinno być jasne jak w dzień. Dopiero model Wielkiego Wybuchu poniekąd uporał się z tym problemem, oczywiście tworząc kolejne. Jednym z nich jest model inflacji kosmologicznej, czyli gwałtownego rozszerzania się przestrzeni u zarania dziejów wszechświata, mający na celu wyjaśnienie jego jednorodności. Inny paradoks dotyczy obserwacji wszechświata i tego, co się dla nas zdarzyło w odpowiednim momencie w przeszłości. Patrząc w niebo, widzimy kolejne, coraz dalsze sfery. 8 minut temu sfera ta przebiegała przez Słońce, 3 miliony lat temu obejmowała galaktykę Andromedy i tak dalej, w kolejnych sferach mieszcząc coraz więcej obiektów kosmicznych. Jednak gdy dochodzimy do momentu 9,6 miliarda lat temu, okazuje się, że kolejne sfery zaczynają być coraz mniejsze. Jak to możliwe? Wynika to ze współzawodnictwa dwóch efektów: rozszerzania się wszechświata i zwiększającej się odległości czasowej:

Tak więc siedzicie wewnątrz sfery o promieniu 10 metrów, wewnątrz następnej o promieniu 100 kilometrów, wewnątrz następnej o promieniu 100 lat świetlnych, wewnątrz następnej o promieniu 1 miliona lat świetlnych, wewnątrz następnej o promieniu 1 miliarda lat świetlnych, wewnątrz następnej o promieniu 1 miliona lat świetlnych, wewnątrz następnej o promieniu 100 lat świetlnych, wewnątrz następnej o promieniu 100 kilometrów, a wszystko zgrabnie mieszczące się w czymś mniej więcej wielkości mosiężnej sfery wyprodukowanej w Kaszmirze w 1611 roku.

W fizyce niebagatelną rolę odgrywa świadomy obserwator. Jakimi atrybutami musi się wykazywać? Czy istnieje coś takiego jak „jaźń”, niezależna od ciała i zachodzących w nim procesów cząstka duchowej materii, którą nazywamy „sobą”? Jaki jest związek między jaźnią a otaczającym światem? Czy można ją zmienić bądź podmienić, na przykład we śnie, a jeśli nie, to dlaczego? I co by się z nią stało, gdybyśmy potrafili się sklonować? Czy nasze „ja” też uległoby powieleniu, razem z całym wszechświatem?

Trudno nie dostrzec, że z tych wszystkich pytań płyną dla nas głębokie fizyczne, filozoficzne, a nawet metafizyczne wnioski.

Pytania bez odpowiedzi

Nie sposób w tak krótkim artykule przedstawić wszystkich opisywanych w książce Kosmologiczne koany paradoksów naukowych. Prawdę rzekłszy, zaledwie dotknąłem tego szalenie ciekawego tematu. Zauważyliście na pewno, że praktycznie pominąłem łamigłówki pojawiające się na każdym kroku w mechanice kwantowej. Chcąc poznać je wszystkie, warto sięgnąć po tę pozycję. Należy mieć jednak świadomość, że jeśli pragniecie znaleźć w niej jednoznaczne odpowiedzi, możecie się srogo zawieść. Gorzej nawet – wprowadza ona zamieszanie do starannie i nierzadko z wielkim trudem zbudowanego osobistego obrazu świata. Z każdym kolejnym kosmologicznym koanem niemal namacalnie daje się odczuć, jak fundamenty gmachu wzniesionego w ramach naszej dotychczasowej ścieżki edukacji trzeszczą, filary chwieją się, a z jego ścian i elewacji odpadają farby, tynk, a nawet poszczególne cegły. Jednak, jak pisze Aguirre:

Zawsze uważałem, że to pytania są najważniejsze. Odpowiedzi na głębokie i subtelne pytania mogą okazać się satysfakcjonujące, ale tylko na krótko i w niepełny sposób, dlatego też najlepiej postrzegać je jako przydatne w stawianiu jeszcze głębszych, subtelniejszych, ciekawszych pytań. Jeśli ta książka spełni swoje zadanie, wówczas zrozumiecie znacznie więcej, choć także znacznie mniej z tego, co trzeba zrozumieć, niż teraz.

Jest w tym podejściu coś odkrywczego i ożywczego, coś nadającego naszej martwej niekiedy wiedzy nowe życie, coś, co pozwala nam jeszcze raz wrócić do samych podstaw, zastanowić się nad nimi, zweryfikować je i ponownie wyruszyć na poszukiwanie najpiękniejszej i najbardziej cennej dla człowieka myślącego wartości, jaką jest prawda.

Autor: dr Tomasz Lanczewski