Jim Al-Khalili
Świat według fizyki

Tytuł oryginału
The World According to Physics

ISBN

Copyright © 2020 by Jim Al-Khalili
All rights reserved
Copyright © for the Polish translation by Tomasz Lanczewski 2022
Copyright © 2022 for the Polish edition by Zysk i S-ka Wydawnictwo s.j., Poznań

Redaktor prowadzący
Dariusz Wojtczak

Redakcja
Zofia Domańska

Skorowidz opracował
Bogusław Jusiak

Projekt graficzny okładki
Tobiasz Zysk

Opracowanie graficzne i techniczne
Barbara i Przemysław Kida

Wydanie 1

Zysk i S-ka Wydawnictwo
ul. Wielka 10, 61-774 Poznań
tel. 61 853 27 51, 61 853 27 67
dział handlowy, tel./faks 61 855 06 90
sklep@zysk.com.pl
www.zysk.com.pl

Wszelkie prawa zastrzeżone. Niniejszy plik jest objęty ochroną prawa autorskiego i zabezpieczony znakiem wodnym (watermark).

Uzyskany dostęp upoważnia wyłącznie do prywatnego użytku. Rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci bez zgody właściciela praw jest zabronione.

Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w Zysk i S-ka Wydawnictwo.

Przedmowa

Ta książka jest odą do fizyki.

Po raz pierwszy zakochałem się w fizyce, kiedy byłem nastolatkiem. Muszę przyznać, że po części dlatego, iż zdałem sobie sprawę, że jestem w tym dobry. Przedmiot ten wydawał mi się zabawną mieszanką rozwiązywania zagadek i zdrowego rozsądku, a ja lubiłem bawić się równaniami, manipulować symbolami algebraicznymi i podstawiać do tego wszystkiego liczby, aby ujawniły tajemnice natury. Ale zdałem sobie też sprawę, że jeśli chcę uzyskać zadowalające odpowiedzi na wiele rodzących się w moim nastoletnim umyśle głębokich pytań dotyczących natury wszechświata i sensu istnienia, to fizyka była przedmiotem, którego musiałem się nauczyć. Chciałem wiedzieć: z czego jesteśmy zbudowani? Skąd pochodzimy? Czy wszechświat ma początek lub koniec? Czy jest skończony, czy może rozciąga się w nieskończoność? Czym była mechanika kwantowa, o której wspominał mi ojciec? Jaka jest natura czasu? Poszukiwania odpowiedzi na te pytania spowodowały, że poświęciłem całe życie na studiowanie fizyki. Znalazłem już kilka odpowiedzi na swoje pytania; innych wciąż szukam.

Niektóre osoby zwracają się ku religii lub innej ideologii albo systemowi wierzeń, by odkryć tajemnice życia. Ale moim zdaniem nic nie zastąpi ostrożnego stawiania hipotez, weryfikowania i wnioskowania na temat faktów o świecie, które są znakiem rozpoznawczym metody naukowej. Wiedza, jaką osiągnęliśmy dzięki nauce — a szczególnie dzięki fizyce — o budowie świata i jego działaniu, w mojej opinii nie jest zaledwie jednym z wielu równoważnych sposobów docierania do „prawdy” o rzeczywistości. To jedyny wiarygodny sposób, jakim dysponujemy.

Bez wątpienia wielu ludzi nigdy nie zakochało się w fizyce tak jak ja. Być może zniechęcili się do nauk ścisłych, bo uznali albo ktoś im powiedział, że jest to trudny — bądź nudny — przedmiot. I prawdę mówiąc, zajmowanie się subtelnościami mechaniki kwantowej może wywołać ból głowy. Ale cuda wszechświata mogą i powinny zachwycać wszystkich, a zdobycie podstawowego zrozumienia nie wymaga kontynuwania nauki przez całe życie. W tej książce chcę opisać, dlaczego fizyka jest tak cudowna, tak fundamentalna i tak ważna dla naszego zrozumienia świata. Ogromny zakres i rozmach dzisiejszej fizyki zapiera dech w piersiach. Zdumiewające jest to, że obecnie już (prawie) wiemy, z czego się składa każdy dostrzegalny element naszego świata i w jaki sposób to wszystko trzyma się razem; że możemy prześledzić ewolucję całego wszechświata aż do ułamków sekundy po narodzinach przestrzeni i czasu; że dzięki naszej wiedzy o fizycznych prawach przyrody opracowaliśmy i nadal rozwijamy technologie, które zmieniły nasze życie. Wciąż zastanawiam się, kiedy piszę te słowa, jak można nie kochać fizyki.

Ta książka ma służyć jako wprowadzenie do kilku najgłębszych i najbardziej fundamentalnych koncepcji fizyki. Ale z tematami, które tu poruszam, prawdopodobnie nie spotkacie się w szkole. Dla niektórych czytelników książka ta może być pierwszym zaproszeniem do nauki fizyki — zachęcającym do poznania, a może nawet wybrania jej jako trwającej całe życie podróży wypełnionej badaniami i odkryciami, tak jak to było w moim przypadku. Innym, którzy już na samym początku zostali zniechęceni do fizyki, może służyć jako delikatne ponowne wprowadzenie do tego przedmiotu. Wiele osób może się zastanawiać, jak daleko zaszła ludzkość w swym dążeniu do zrozumienia.

Aby przekazać praktyczną wiedzę na temat tego, co fizyka mówi nam o naturze naszego świata, wybrałem najważniejsze pojęcia współczesnej fizyki i spróbowałem pokazać, w jaki sposób wiążą się ze sobą. Przyjrzymy się szerokiemu zakresowi tego koncepcyjnego krajobrazu, od fizyki największych skal kosmicznych do fizyki na najmniejszym poziomie kwantowym; od dążenia fizyków do ujednolicenia praw przyrody po poszukiwanie najprostszych możliwych zasad fizycznych rządzących życiem; od spekulatywnych granic badań teoretycznych po fizykę, która stanowi podstawę naszych codziennych doświadczeń i technologii. Zaproponuję również czytelnikom kilka nowych perspektyw: idee, które my, fizycy, nauczyliśmy się akceptować, ale z których nie zrobiliśmy zbyt dobrego użytku, przekazując je osobom spoza naszych najgłębszych kręgów eksperckich. Na przykład w skali subatomowej poszczególne cząstki — mimo że znajdują się daleko od siebie — komunikują się ze sobą natychmiast, w sposób naruszający zdrowy rozsądek. Ta właściwość, zwana nielokalnością, może ostatecznie zmusić nas do zweryfikowania całego naszego rozumienia struktury samej przestrzeni. Niestety, wielu niefizyków — a nawet niektórzy fizycy — błędnie rozumie lub interpretuje prawdziwe znaczenie tego faktu.

Krytyka wymierzona (zazwyczaj przez fizyków teoretycznych) w wiele książek popularnonaukowych przedstawiających podstawowe pojęcia w fizyce polega na tym, że nie zawsze pomagają one zwykłemu czytelnikowi zrozumieć, co te pojęcia faktycznie oznaczają. Moim zdaniem dzieje się tak dlatego, że fizycy, którzy naprawdę rozumieją te koncepcje, którzy piszą artykuły naukowe i wymyślają nowe teorie, nie zawsze potrafią wyjaśnić swoje własne pomysły niefizykom. Z kolei ci, którzy mają większe doświadczenie i sukcesy w przekazywaniu opinii publicznej wyników swojej pracy, mogą nie znać pewnych pojęć na tyle głęboko, aby wyjść poza poziom prostych analogii. Nawet jeśli ktoś pojmuje fizykę i potrafi z powodzeniem (mam nadzieję) komunikować się z niefizykami, sporym wyzwaniem jest wyjaśnienie takich pojęć jak: niezmienność cechowania, dualizm, wieczna inflacja, zasada holograficzna, konforemne teorie pola, przestrzenie anty-de Sittera lub energia próżni — wyjaśnienie w sposób pozwalający na prawdziwy wgląd w związaną z tym fizykę bez angażowania skomplikowanej matematyki. Zrobiłem wszystko, co w mojej mocy, ale być może niektórzy czytelnicy będą uważać, że mogłem zrobić to lepiej. I oczywiście będzie to prawda.

Niemniej, jeśli chcecie zgłębić konkretne tematy poruszone tutaj jedynie pokrótce, to dostępnych jest wiele publikacji, które znakomicie się do tego nadają. Na końcu książki wymieniam te, które moim zdaniem można uznać za najbardziej przystępne i pouczające. Wiele pozycji z tej listy opisuje drogę postępu naukowego — w jaki sposób fizyka rozwijała się przez tysiąclecia od czasów starożytnych Greków, jak dokonywano odkryć oraz jak proponowano i odrzucano teorie i hipotezy. Książki te często skupiają się na rewolucjach, które obaliły dotychczasowe poglądy na wszechświat, i opisują kluczowe postacie w tych historycznych relacjach. Jednak w tej krótkiej publikacji nie będę patrzeć wstecz i zastanawiać się, jak daleko zaszliśmy; nie powiem też zbyt wiele o tym, jak daleko jeszcze musimy podążać (ponieważ sam tego nie wiem, a także dlatego, że moim zdaniem jeszcze długa droga przed nami), choć skupię się w rozdziale 8 na tym, o czym wiemy, że tego nie wiemy.

Nie będę się też opowiadać za żadną konkretną teorią. Jeśli chodzi na przykład o pogodzenie mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności (święty Graal współczesnej fizyki teoretycznej), nie zgadzam się z żadnym z dwóch głównych nurtów dążących do tego celu: nie jestem ani zwolennikiem teorii strun, ani fanem pętlowej grawitacji kwantowej1, ponieważ żadna z tych teorii nie mieści się w ramach mojej specjalizacji; a jeśli chodzi o interpretację znaczenia mechaniki kwantowej, nie jestem ani „kopenhagianinem”, ani entuzjastą pomysłu „wielu światów”2. Ale to nie powstrzyma mnie przed wejściem od czasu do czasu w polemikę w tych kwestiach.

Postaram się również nie wdawać zbytnio w filozoficzne lub metafizyczne rozważania, nawet jeśli istnieje pokusa, aby tak postąpić, gdy dyskutuje się o niektórych głębszych ideach leżących u samych podstaw fizyki: o naturze przestrzeni i czasu, różnych interpretacjach mechaniki kwantowej, a nawet znaczeniu samej rzeczywistości. Nie mam na myśli tego, że fizyka nie potrzebuje filozofii. Aby dać wam wyobrażenie o tym, w jaki sposób filozofia wpływa na mój przedmiot na najbardziej podstawowym poziomie, możecie być zaskoczeni tym, że fizycy nie mogą nadal dojść do porozumienia, czy zadaniem fizyki jest odkrycie, jaki naprawdę jest świat, jak wierzył Einstein — osiągnąć pewną ostateczną prawdę, która wciąż czeka na odkrycie, czy też jest to budowanie modeli świata i wymyślanie najlepszego obecnie podejścia do tego, co możemy powiedzieć o rzeczywistości, której być może nigdy w pełni nie poznamy. W tej kwestii stoję po stronie Einsteina.

Mówiąc prościej, twierdzę, że fizyka daje nam narzędzia do zrozumienia całego wszechświata. Zajmowanie się fizyką to poszukiwanie wyjaśnień, ale by rozpocząć te poszukiwania, musimy najpierw zadać właściwe pytania, a to jest domeną filozofów.

Tak więc zaczniemy naszą podróż z odpowiednio skromnej perspektywy, którą, jeśli podejdziemy do niej uczciwie, dzielimy ze sobą wszyscy — dzieci, dorośli oraz przeszłe i przyszłe pokolenia: perspektywy niewiedzy. Myśląc o tym, czego jeszcze nie wiemy, możemy się zastanowić, jak najlepiej się tego dowiedzieć. To dzięki wielu pytaniom, które zadaliśmy w trakcie naszej ludzkiej historii, otrzymujemy coraz dokładniejszy obraz naszego znanego i ukochanego świata.

Oto świat według fizyki.

1 Oczywiście wyjaśnię później, z czym wiążą się te idee.

2 Również wyjaśnię później.

1. Podziw dla zrozumienia

Chociaż opowieści zawsze będą istotną częścią ludzkiej kultury — bez nich nasze życie byłoby uboższe — współczesna nauka zastąpiła dziś wiele starożytnych mitologii oraz towarzyszących im przesądów i wierzeń. Dobrym przykładem tego, jak pozbawiliśmy baśniowej otoczki nasze podejście do rozumienia świata, są mity o stworzeniu. Od zarania dziejów ludzkość wymyślała historie o początkach naszego świata i bóstwach, które odegrały kluczową rolę w jego stworzeniu, od sumeryjskiego boga Anu, czyli Ojca Nieba, przez greckie mity o narodzinach Gai z Chaosu po opisy z Księgi Rodzaju wspólne dla wszystkich religii abrahamowych, które w wielu społeczeństwach na całym świecie nadal są uważane za dosłowne prawdy. Wielu osobom niebędącym naukowcami może się wydawać, że nasze współczesne teorie kosmologiczne dotyczące początków wszechświata nie są wcale lepsze od mitologii religijnych, które zastępują. a jeśli przyjrzycie się niektórym z bardziej spekulatywnych pomysłów współczesnej fizyki teoretycznej, możecie się zgodzić, że ci, którzy tak myślą, mają trochę racji. Ale poprzez racjonalną analizę i uważną obserwację — żmudny proces testowania i budowania dowodów naukowych zastępujący akceptowanie historii i wyjaśnień ze ślepą wiarą — jesteśmy dziś w stanie twierdzić z dużym stopniem pewności, że wiemy całkiem sporo o wszechświecie. Możemy również z przekonaniem powiedzieć, że pozostałych tajemnic nie trzeba przypisywać działaniu nadprzyrodzonych sił. Są to zjawiska, których jeszcze nie rozumiemy — i które mamy nadzieję pewnego dnia wyjaśnić dzięki intelektowi, racjonalnym badaniom i, tak… dzięki fizyce.

Wbrew temu, co niektórzy mogą twierdzić, metoda naukowa nie jest tylko odmiennym sposobem patrzenia na świat ani nie jest po prostu kolejną ideologią kulturową czy systemem wierzeń. To sposób, w jaki poznajemy przyrodę metodą prób i błędów, za pomocą eksperymentów i obserwacji, poprzez przygotowanie się do zastąpienia błędnych lub niekompletnych pomysłów lepszymi oraz przez dostrzeganie wzorców w naturze i piękna w matematycznych równaniach opisujących te wzorce. Cały czas pogłębiamy nasze zrozumienie i zbliżamy się do ostatecznej „prawdy” — czyli do tego, jaki naprawdę jest świat.

Nie da się zaprzeczyć, że naukowcy mają takie same marzenia i uprzedzenia jak wszyscy inni i mają poglądy, które nie zawsze są w pełni obiektywne. To, co jedna grupa naukowców nazywa konsensusem, inni postrzegają jako dogmat. To, co jedno pokolenie uważa za ustalony fakt, następne traktuje jako naiwne nieporozumienie. Tak jak w religii, polityce czy sporcie, w nauce od zawsze toczyły się spory. Często istnieje niebezpieczeństwo, że przez ten cały czas, gdy kwestia naukowa pozostaje nierozwiązana lub przynajmniej otwarta na uzasadnione wątpliwości, stanowiska zajmowane przez każdą ze stron sporu mogą się przekształcić w głęboko zakorzenione ideologie. Każdy punkt widzenia może być zróżnicowany i złożony, a jego zwolennicy mogą przyjmować tak samo niewzruszone stanowisko jak w każdej innej debacie ideologicznej. I tak jak w przypadku postaw społecznych wobec religii, polityki, kultury, rasy czy płci czasami potrzebujemy nowego pokolenia, które nadejdzie, zrzuci okowy przeszłości i posunie dyskusję do przodu.

Ale istnieje również zasadnicza różnica między nauką a innymi dyscyplinami. Pojedyncza uważna obserwacja lub wynik eksperymentu może sprawić, że szeroko rozpowszechniony pogląd naukowy lub długoletnia teoria staną się przestarzałe i zostaną zastąpione nowym obrazem świata. Oznacza to, że teorie i wyjaśnienia zjawisk naturalnych, które przetrwały próbę czasu, są tymi, którym najbardziej ufamy — to te, których jesteśmy najbardziej pewni. Ziemia krąży wokół Słońca, a nie na odwrót; wszechświat się rozszerza, a nie jest statyczny; prędkość światła w próżni zawsze ma taką samą wartość, bez względu na to, jak szybko porusza się obserwator mierzący tę prędkość, i tak dalej. Kiedy dokonuje się nowego i ważnego odkrycia naukowego zmieniającego sposób naszego postrzegania świata, nie wszyscy naukowcy natychmiast to akceptują, ale to jest ich problem; postęp naukowy jest nieubłagany, co zresztą zawsze jest dobre: wiedza i oświecenie są zawsze lepsze niż ignorancja. Wychodzimy od niewiedzy, ale staramy się dowiedzieć... i chociaż możemy po drodze się spierać, nie wolno nam ignorować naszych odkryć.

Jeśli chodzi o nasze naukowe zrozumienie obrazu świata, przekonanie, że „niewiedza jest błogosławieństwem”, to stek bzdur. Jak to swego czasu ujął Douglas Adams: „Każdego dnia wybieram podziw dla zrozumienia nad podziw dla ignorancji”1.

CZEGO NIE WIEMY

Prawdą jest również to, że ciągle odkrywamy, jak wiele jeszcze nie wiemy.

Nasze rosnące zrozumienie daje rosnące zrozumienie naszej niewiedzy! Jak wyjaśnię, pod pewnymi względami jest to sytuacja, z którą mamy do czynienia teraz w fizyce. Obecnie znajdujemy się w takim momencie historii, kiedy wielu fizyków dostrzega jeśli nie kryzys w tej dziedzinie, to przynajmniej narastanie problemów. Wydaje się, że coś trzeba zmienić.

Kilkadziesiąt lat temu wybitni fizycy, tacy jak Stephen Hawking, pytali: „Czy koniec fizyki teoretycznej jest w zasięgu naszego wzroku?”2, skoro „teoria wszystkiego” właściwie czai się tuż za rogiem. Mówili, że to tylko kwestia postawienia kropki nad „i”. Ale mylili się, i to nie po raz pierwszy. Fizycy wyrażali podobne opinie pod koniec XIX wieku; tuż potem nastąpiła eksplozja nowych odkryć (elektron, promieniotwórczość i promieniowanie rentgenowskie), których nie można było wyjaśnić fizyką znaną w tamtym czasie i które zapoczątkowały narodziny współczesnej fizyki. Wielu dzisiejszych fizyków uważa, że przypuszczalnie możemy stać u progu kolejnej rewolucji w fizyce tak wielkiej jak ta, której byliśmy świadkami sto lat temu wraz z narodzinami teorii względności i mechaniki kwantowej. Nie sugeruję bynajmniej, że wkrótce odkryjemy jakieś fundamentalne nowe zjawisko, takie jak promieniowanie rentgenowskie czy promieniotwórczość, ale być może potrzeba nam kolejnego Einsteina, który przełamie obecny impas.

Wielki Zderzacz Hadronów jakoś nie kontynuuje sukcesu z 2012 roku, jakim było odkrycie bozonu Higgsa, a tym samym potwierdzenie istnienia pola Higgsa (które omówię później); wielu fizyków miało nadzieję na odkrycie innych nowych cząstek, które pomogłyby rozwiązać wieloletnie zagadki.

I nadal nie rozumiemy natury ciemnej materii utrzymującej galaktyki w jednym kawałku ani ciemnej energii, która rozrywa wszechświat na strzępy. nie mamy też odpowiedzi na fundamentalne pytania, takie jak dlaczego jest więcej materii niż antymaterii; dlaczego właściwości wszechświata są tak precyzyjnie dostrojone, że umożliwiają istnienie gwiazd, planet i życia; czy istnieje wieloświat; czy przed Wielkim Wybuchem istniało coś, co stworzyło obserwowany przez nas wszechświat. Jest jeszcze tyle rzeczy, których nie potrafimy wyjaśnić. A jednak trudno nie dać się olśnić naszym dotychczasowym sukcesom. Podczas gdy niektóre teorie naukowe mogą się okazać powiązane ze sobą na głębszym poziomie, niż myśleliśmy, a inne mogą się okazać całkowicie błędne, nikt nie może zaprzeczyć, że daleko zaszliśmy.

Niekiedy w świetle nowych dowodów empirycznych zdajemy sobie sprawę, że skupiliśmy się na niewłaściwym problemie. Innym razem po prostu dopracowujemy pomysł, który nie okazuje się błędny, lecz jest tylko zgrubnym przybliżeniem, które poprawiamy, aby uzyskać dokładniejszy obraz rzeczywistości. Istnieją pewne obszary fizyki fundamentalnej, z których możemy nie być w pełni zadowoleni, ale co do których w głębi duszy wiemy, że nie usłyszeliśmy od nich ostatniego słowa, lecz na których nadal polegamy, ponieważ są one przydatne. Dobrym tego przykładem jest prawo powszechnego ciążenia Newtona. Nadal jest określane bardzo często jako „prawo”, ponieważ naukowcy w tamtym czasie byli tak pewni, że stanowiło ostateczną prawdę, iż podnieśli jego status ponad zwykłą „teorię”. Nazwa się przyjęła, mimo że teraz wiemy, iż ich zaufanie było nieuzasadnione. Ogólna teoria względności Einsteina (zauważcie, że nazywa się ją teorią względności) zastąpiła prawo Newtona, ponieważ daje nam głębsze i dokładniejsze wyjaśnienie grawitacji. A jednak do tej pory używamy równań Newtona do obliczania trajektorii lotu misji kosmicznych. Przewidywania mechaniki Newtona mogą nie być tak precyzyjne jak teorii względności Einsteina, ale nadal są wystarczająco dobre dla niemal wszystkich codziennych celów.

Innym przykładem, nad którym wciąż pracujemy, jest model standardowy fizyki cząstek elementarnych. Jest to połączenie dwóch oddzielnych teorii matematycznych, zwanych teorią elektrosłabą i chromodynamiką kwantową, które razem opisują właściwości wszystkich znanych cząstek elementarnych i ich wzajemne oddziaływania. Niektórzy fizycy uważają model standardowy jedynie za tymczasowe rozwiązanie, dopóki nie zostanie odkryta dokładniejsza i ujednolicona teoria. A jednak niezwykłe jest to, że w obecnej formie model standardowy może nam powiedzieć wszystko, co musimy wiedzieć o naturze materii: jak i dlaczego elektrony rozmieszczają się wokół jąder atomowych; w jaki sposób atomy współdziałają ze sobą, tworząc cząsteczki; jak te cząsteczki pasują do siebie, tworząc wszystko wokół nas; jak materia oddziałuje ze światłem (a zatem jak można wyjaśnić prawie wszystkie zjawiska). Tylko jeden jej aspekt — elektrodynamika kwantowa — stanowi podstawę całej chemii na najgłębszym poziomie.

Ale model standardowy nie może być ostatnim słowem na temat natury materii, ponieważ nie uwzględnia grawitacji i nie wyjaśnia natury ciemnej materii ani ciemnej energii, które łącznie stanowią większość substancji wszechświata. Odpowiedź na niektóre pytania w naturalny sposób prowadzi do innych pytań, więc fizycy kontynuują poszukiwania fizyki „poza modelem standardowym”, próbując znaleźć odpowiedzi na te uporczywe, ale kluczowe niewiadome.

JAK POSTĘPUJEMY

Fizyka — bardziej niż każda inna dyscyplina naukowa — rozwija się dzięki nieustannej interakcji między teorią a eksperymentem. Teorie przetrwają próbę czasu tylko tak długo, jak ich przewidywania będą potwierdzane przez eksperymenty. Dobra teoria to taka, która tworzy nowe przewidywania dające się przetestować w laboratorium, ale jeśli wyniki doświadczalne okażą się sprzeczne z teorią, należy ją zmodyfikować, a nawet odrzucić. I odwrotnie, eksperymenty laboratoryjne mogą wskazywać niewyjaśnione zjawiska wymagające nowych rozwiązań teoretycznych. W żadnej innej nauce nie widać tak pięknego partnerstwa. Twierdzenia w czystej matematyce są udowadniane za pomocą logiki, dedukcji i użycia prawd aksjomatycznych. Nie wymagają potwierdzenia w świecie rzeczywistym. W przeciwieństwie do niej geologia, etologia lub psychologia behawioralna to głównie nauki obserwacyjne, w których postęp w naszym rozumieniu odbywa się poprzez żmudne zbieranie danych ze świata przyrody lub poprzez starannie zaprojektowane testy laboratoryjne. Ale fizyka może się rozwijać tylko wtedy, gdy teoria i eksperyment idą ramię w ramię, ciągnąc się nawzajem w górę i wskazując na następny przyczółek na zboczu klifu.

Rzucenie światła na nieznane to kolejna dobra metafora tego, jak fizycy opracowują teorie i modele oraz w jaki sposób projektują eksperymenty, by przetestować pewne aspekty funkcjonowania świata. Jeśli chodzi o poszukiwanie nowych pomysłów w fizyce, to mamy do czynienia, bardzo ogólnie rzecz biorąc, z dwoma rodzajami badaczy. Wyobraźcie sobie, że wracacie do domu w ciemną, bezksiężycową noc, kiedy zdajecie sobie sprawę, że w kieszeni płaszcza jest dziura, przez którą w pewnym momencie przechadzki musiały wypaść wam klucze. Wiecie, że muszą leżeć gdzieś na ziemi, na odcinku chodnika, po którym właśnie szliście, więc wracacie po swoim śladzie. Ale czy przeszukujecie tylko miejsca skąpane w świetle latarni? Choć te obszary pokrywają tylko część chodnika, przynajmniej zobaczycie swoje klucze, jeśli tam są. A może przeszukujecie po omacku ciemne rejony rozciągające się między kręgami światła lamp? Jest większa szansa, że klucze mogą się tutaj znajdować, ale będą też trudniejsze do znalezienia.

Podobnie mamy do czynienia z fizykami latarnikami i poszukiwaczami w ciemności. Ci pierwsi zachowują się bezpiecznie i opracowują teorie, które można zweryfikować na podstawie eksperymentów — patrzą tam, gdzie mogą coś zobaczyć. Oznacza to, że są mniej ambitni w wymyślaniu oryginalnych pomysłów, ale osiągają wyższy wskaźnik sukcesu w poszerzaniu naszej wiedzy, choć dzieje się to stopniowo: poprzez ewolucję, a nie rewolucję. Natomiast poszukiwacze w ciemności to ci, którzy wpadają na bardzo oryginalne i spekulacyjne pomysły, które nie są tak łatwe do przetestowania. Ich szanse na sukces są mniejsze, ale nagroda może być większa, jeśli mają rację, a ich odkrycia mogą prowadzić do zmiany paradygmatu w naszym rozumieniu świata. To rozróżnienie jest znacznie bardziej rozpowszechnione w fizyce niż w innych naukach.

Rozumiem tych, których frustrują poszukiwacze i marzyciele, często pracujący w ezoterycznych dziedzinach, takich jak kosmologia czy teoria strun, ponieważ są to ludzie, którzy myślą tylko o dodaniu paru nowych wymiarów tu i tam, jeśli to upiększy ich matematykę, lub stawiają hipotezę nieskończenie wielu równoległych wszechświatów, jeśli zmniejsza to wyjątkowość naszego wszechświata. Ale można znaleźć kilka znanych przykładów poszukiwaczy, którzy trafili w dziesiątkę. Geniusz XX wieku, Paul Dirac, był człowiekiem kierującym się pięknem swoich równań, co skłoniło go do założenia istnienia antymaterii kilka lat przed jej odkryciem w 1932 roku. Podobnie Murray Gell-Mann i George Zweig w połowie lat sześćdziesiątych niezależnie przewidzieli istnienie kwarków, kiedy nie było żadnych eksperymentalnych dowodów na istnienie takich cząstek. Peter Higgs musiał czekać pół wieku na odkrycie swojego bozonu i potwierdzenie teorii, która nosi jego imię.

Nawet pionier mechaniki kwantowej Erwin Schrödinger wymyślił równanie nazwane jego nazwiskiem jedynie na podstawie inspirującego domysłu. Wybrał odpowiednią matematyczną formę równania, chociaż nie wiedział jeszcze, co oznaczało jego rozwiązanie.

Jakie wyjątkowe talenty mieli wszyscy ci fizycy? Czy była to intuicja? Czy to szósty zmysł pozwolił im podglądnąć sekrety natury? Możliwe.

Laureat Nagrody Nobla Steven Weinberg uważa, że to estetyczne piękno matematyki kierowało wielkimi teoretykami, takimi jak Paul Dirac i wielki dziewiętnastowieczny fizyk szkocki James Clerk Maxwell.

Ale prawdą jest również, że żaden z tych fizyków nie pracował w odosobnieniu, a ich idee musiały być zgodne ze wszystkimi ustalonymi faktami i obserwacjami eksperymentalnymi.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

1 Douglas Adams, Łosoś zwątpienia. Autostopem przez Galaktykę po raz ostatni, tłum. Paweł Wieczorek, Zysk i S-ka Wydawnictwo, Poznań 2003.

2 Taki był tytuł artykułu, który Hawking napisał w 1981 roku: S.W. Hawking, Is the End in Sight for Theoretical Physics? „Physics Bulletin” 32, nr 1 (1981): 15-17.