Lekkość bytu. Masa, eter i unifikacja sił - ebook

O tytule

Nieznośna lekkość bytu – tak brzmi tytuł znanej powieści Milana Kundery, jednej z moich ulubionych książek. Traktuje ona o wielu sprawach, ale najważniejsza jest w niej chyba próba doszukania się prawidłowości i znaczenia w pozornie przypadkowym, dziwnym i czasami okrutnym świecie, w którym żyjemy. Oczywiście sposób, w jaki Kundera zmaga się z tymi problemami, wykorzystując narrację i sztukę, jest odmienny od tego, jaki ja przyjąłem w niniejszej książce, w której posługuję się nauką i (lekką) filozofią. Przynajmniej w moim przypadku zrozumienie ukrytej głęboko struktury rzeczywistości sprawiło, że Byt stał się nie tylko znośny, ale wręcz magiczny – i czarowny. Stąd Nieznośna Lekkość bytu.

Tytuł ten ma również nieco żartobliwy wydźwięk. Głównym wątkiem niniejszej książki jest fakt, że udało nam się pokonać odwieczną sprzeczność między pochodzącym z niebios światłem a ziemską materią. We współczesnej fizyce istnieje tylko jedna forma bytu i bardziej przypomina ona tradycyjną ideę światła niż klasyczną ideę materii. Stąd Lekkość bytu.Wskazówki dla czytelników

Podstawowy układ niniejszej książki jest najprostszy z możliwych: została ona skonstruowana tak, aby można ją było czytać rozdział za rozdziałem, od początku do końca. Dodatkowo jednak zamieściłem w niej również:

• Rozbudowany słownik, żebyście się nie potykali o nieznane określenia ani nie musieli zaglądać pięćdziesiąt stron wstecz do miejsca, w których były one wcześniej objaśnione. W słowniku dodałem nawet kilka żartów.

• Uwagi końcowe, w których rozwijam pewne szczegółowe kwestie, podążam śladem niektórych istotnych wątków oraz zamieszczam odwołania do innych dzieł i źródeł.

• Trzy dodatki. Pierwsze dwa pogłębiają dyskusje zapoczątkowane w rozdziałach, odpowiednio, trzecim i ósmym; w trzecim dodatku zamieściłem relację z pierwszej ręki z dokonania odkrycia, o którym mowa w rozdziale dwudziestym.

• Oprócz tego przygotowałem stronę internetową w języku angielskim – frankwilczek.com – na której można znaleźć dodatkowe ilustracje, odsyłacze i najnowsze informacje związane z niniejszą książką.

Czytając książkę, możecie po ukończeniu odpowiednich rozdziałów przejść do lektury związanych z nimi dodatków albo zacząć od razu kolejny rozdział, który również w takim przypadku powinien być w pełni zrozumiały. Po napisaniu rozdziału ósmego zastanawiałem się, czy nie powinienem usunąć części zawartego w nim materiału, ale ostatecznie nie mogłem się na to zdobyć. Dlatego jest w nim wiele hałasu o Nic.Część I

Pochodzenie masy

Materia nie jest tym, czym się wydaje. Jej najbardziej oczywistą własność – nazywaną różnie: oporem wobec ruchu, bezwładnością lub masą – można zrozumieć dużo lepiej, posługując się zupełnie innymi pojęciami. Masa zwykłej materii jest przejawem energii bardziej podstawowych składników, które same masy nie posiadają. Również przestrzeń nie jest tym, czym się wydaje. W przestrzeni, która naszym oczom jawi się jako zupełnie pusta, umysły pozwalają nam odkryć złożone środowisko kipiące wprost od żywiołowej aktywności.Rozdział 1

Istota rzeczy

Wszechświat nie jest taki jak kiedyś ani taki, jaki się wydaje.

O co w tym wszystkim chodzi? Ludzie rozmyślający nad otaczającym ich rozległym światem, różnorodnymi i często zadziwiającymi doświadczeniami, jakie przynosi życie, a także nad perspektywą śmierci, często zadają sobie to właśnie pytanie. Poszukujemy odpowiedzi w wielu miejscach: w starożytnych pismach i zachowanych do naszych czasów tradycjach, miłości i mądrości innych ludzi, utworach muzycznych i sztukach pięknych. Każde z tych źródeł ma nam coś do zaoferowania.

Gdy podejdziemy jednak do tego problemu logicznie, pierwszym krokiem w poszukiwaniu odpowiedzi powinno być zrozumienie, czym jest owo „coś”. Nasz świat sam może nam powiedzieć kilka ważnych i zadziwiających rzeczy. Temu właśnie jest poświęcona niniejsza książka. Chciałbym poszerzyć wasze zrozumienie tego, czym jest owo „coś”, w którym wszyscy się znajdujemy.

Zmysły a modele świata

Zauważmy na początku, że nasze modele świata budujemy z dziwnych surowców: posługujemy się narzędziami do przetwarzania sygnałów „zaprojektowanymi” przez ewolucję specjalnie w celu filtrowania informacji pochodzących z Wszechświata, który aż buzuje od ich nadmiaru, i tworzenia z tego zaledwie kilku strumieni danych wejściowych.

Strumienie danych? Ich bardziej swojskie nazwy to wzrok, słuch, węch i tak dalej. Używając języka naukowego, powiedzielibyśmy, że wzrok służy do próbkowania promieniowania elektromagnetycznego wpadającego przez niewielkie otworki w oczach i wybierania jedynie wąskiego pasma barw ze znacznie szerszego widma. Słuch pozwala nam natomiast monitorować ciśnienie powietrza w pobliżu błony bębenkowej, węch zaś umożliwia przeprowadzenie swoistej analizy chemicznej powietrza odbijającego się od błony śluzowej nosa. Inne zmysły dają ogólną informację o przyspieszeniu naszego ciała (zmysł kinestetyczny), temperaturze i ciśnieniu wokół jego powierzchni (dotyk), pozwalają przeprowadzić kilka dosyć prostych pomiarów składu chemicznego substancji znajdujących się na języku (smak) i podają jeszcze kilka mniej istotnych danych.

Dzięki tym zmysłom nasi przodkowie – tak jak my – mogli skonstruować bogaty, dynamiczny model świata, pozwalający szybko reagować na docierające do nich bodźce. Najważniejszymi składnikami tego modelu są obiekty mniej więcej stałe (takie jak inni ludzie, zwierzęta, rośliny, skały, Słońce, gwiazdy, obłoki…); niektóre z nich się przemieszczają, są niebezpieczne, nadają się do zjedzenia, a inne – wybrana i szczególnie interesująca niewielka ich grupa – są pociągającymi partnerami płci przeciwnej.

Dzięki zastosowaniu przyrządów wzmacniających zmysły udało nam się odkryć jeszcze bogatszy świat. Gdy w latach siedemdziesiątych XVII wieku Antonie van Leeuwenhoek spojrzał na świat przez pierwszy porządny mikroskop, ujrzał zupełnie niespodziewanie ukryte dotychczas poziomy istot żywych. Mówiąc krótko, odkrył bakterie, plemniki i wiązki włókien mięśniowych. Dzisiaj wiemy, że bakterie wywołują wiele chorób (ale także przynoszą nam liczne korzyści), za dziedziczenie cech odpowiedzialny jest maleńki plemnik (mówiąc dokładniej, w połowie), a zdolność do poruszania się zawdzięczamy właśnie owym włóknom mięśniowym. Podobnie gdy w drugim dziesięcioleciu XVII wieku Galileusz po raz pierwszy skierował teleskop w niebo, zobaczył bogactwo nowych obiektów: odkrył plamy na Słońcu, góry na Księżycu, księżyce Jowisza i niezliczone gwiazdy Drogi Mlecznej.

Najdoskonalszym jednak narzędziem wzmacniającym działanie zmysłów jest myślący rozum. Dzięki niemu możemy uświadomić sobie, że świat jest bogatszy, niż można by sądzić na podstawie tego, co widzimy, a pod wieloma względami jest wręcz zupełnie inny. Za pomocą samej analizy bodźców odbieranych w danym momencie przez zmysły nie da się odkryć wielu kluczowych faktów związanych ze światem. Następstwo pór roku powiązane z rocznym cyklem wschodów i zachodów Słońca, obracanie się gwiazd na nocnym niebie czy bardziej zawiłe, ale wciąż możliwe do przewidzenia ruchy Księżyca i planet oraz ich związek z zaćmieniami – tych wzorców nie dostrzeżemy, jeśli będziemy polegać jedynie na wzroku, słuchu czy powonieniu. Myślący umysł może je jednak odkryć. A gdy już dostrzeże te prawidłowości, umysł taki szybko zorientuje się, że są one dużo bardziej regularne niż praktyczne zasady, którymi kierujemy się, tworząc plany i snując marzenia. Głębsze, ukryte regularności mają związek z liczbami i geometrią: mówiąc krótko, z matematyczną dokładnością.

Inne ukryte prawidłowości stały się widoczne dzięki rozwojowi techniki oraz, co niezwykłe, sztuki. Budowa strunowych instrumentów muzycznych jest tego pięknym i niezwykle ważnym z historycznego punktu widzenia przykładem. Około roku 600 p.n.e. Pitagoras zauważył, że dźwięki liry brzmią najbardziej zgodnie wtedy, gdy stosunek długości strun jest prostym ułamkiem liczb całkowitych. Zainspirowani tego typu wskazówkami zwolennicy Pitagorasa dokonali niezwykłego, intuicyjnego kroku w przód. Przewidzieli możliwość istnienia innych typów modeli świata, w mniejszym stopniu opierających się na przypadkowych informacjach odbieranych przez nasze zmysły, a bardziej dostrojonych do skrytych harmonii Natury i w efekcie lepiej oddających rzeczywistość. Tak właśnie należy odczytywać motto bractwa pitagorejczyków: „Wszystko jest liczbą”.

Rewolucja naukowa XVII wieku zaczęła potwierdzać owe marzenia starożytnych Greków. Wynikiem tego przewrotu były zasady dynamiki i prawo grawitacji Izaaka Newtona. Dzięki tym prawom można było przeprowadzić dokładne obliczenia ruchu planet i komet, stały się one również potężnymi narzędziami do opisu ruchu materii w ogóle.

A przecież prawa Newtona działają w modelu świata, który bardzo odbiega od naszych codziennych wyobrażeń. Ponieważ przestrzeń newtonowska jest nieskończona i jednorodna, Ziemia i jej powierzchnia nie są jakimiś szczególnie wyróżnionymi miejscami. Kierunki „góra”, „dół” i „na boki” są w gruncie rzeczy do siebie podobne. Nawet stan spoczynku nie jest uprzywilejowany względem ruchu jednostajnego prostoliniowego. Nic z tego nie pasuje do naszych codziennych doświadczeń. Nie dawało to spokoju współczesnym Newtona, a nawet jemu samemu. (Nie był zadowolony ze względności ruchu, mimo że logicznie wynika ona z jego równań, aby więc jej uniknąć, zaproponował istnienie „absolutnej” przestrzeni, względem której można zdefiniować prawdziwy stan spoczynku i ruch).

Kolejny wielki postęp dokonał się w XIX wieku, gdy James Clerk Maxwell przedstawił równania elektryczności i magnetyzmu. Te nowe równania objęły znacznie szerszy zakres zjawisk, między innymi zarówno znane wcześniej, jak i przewidywane dopiero rodzaje światła (które obecnie nazywamy na przykład promieniowaniem ultrafioletowym i falami radiowymi), i umieściły je w precyzyjnym matematycznym modelu świata. Jednak podobnie jak wcześniej wymagało to odpowiedniego dostosowania znacznych obszarów naszego postrzegania rzeczywistości. Tam gdzie Newton opisywał ruch cząstek pod wpływem grawitacji, równania Maxwella zapełniały przestrzeń grą „pól” i „eterów”. Według Maxwella to, co nasze zmysły odbierają jako pustą przestrzeń, jest w rzeczywistości miejscem występowania niewidzialnych pól elektrycznych i magnetycznych, które wywierają siłę na obserwowaną przez nas materię. Chociaż na początku były one jedynie tworami matematycznymi, pola szybko wyszły z równań i zaczęły żyć własnym życiem. Zmienne pola elektryczne powodują powstanie pól magnetycznych, a zmienne pola magnetyczne – pojawienie się pól elektrycznych. Pola te mogą zatem się wzajemnie pobudzać, dając początek samonapędzającym się zaburzeniom, które rozchodzą się z prędkością światła. Od czasów Maxwella rozumiemy, że światło jest właśnie takim zaburzeniem.

Odkrycia Newtona, Maxwella i wielu innych genialnych ludzi znacznie poszerzyły ludzką wyobraźnię. Jednak dopiero w fizyce wieku XX i XXI marzenia pitagorejczyków zaczęły naprawdę przynosić owoce. W miarę jak nasz opis podstawowych procesów staje się coraz pełniejszy, zaczynamy coraz więcej dostrzegać, a także patrzeć w sposób inny niż dotąd. Skryta głęboko struktura świata różni się znacznie od tego, co widać na jego powierzchni. Zmysły, z którymi się rodzimy, nie są dostosowane do postrzegania najpełniejszych i najbardziej dokładnych znanych nam modeli świata. Zachęcam więc do poszerzenia waszego obrazu rzeczywistości.

Moc, sens i metoda

Gdy byłem nastolatkiem, pociągała mnie idea, że za zwyczajnym wyglądem rzeczy kryją się wielkie moce i tajemne znaczenia1. Fascynowały mnie sztuczki magiczne i chciałem zostać iluzjonistą. Jednak już pierwszy zestaw do wykonywania sztuczek przyniósł całkowite rozczarowanie. Przekonałem się, że tajemnicą magii nie była jakaś prawdziwa moc, ale jedynie sprytne oszustwo.

Później urzekła mnie religia: w szczególności wiara Kościoła rzymskokatolickiego, w której się wychowałem. Dowiedziałem się, że za zwyczajnym wyglądem rzeczy kryją się tajemne znaczenia i wielkie moce, na które można wpływać modlitwą i rytuałami. Jednak w miarę jak coraz lepiej poznawałem naukę, okazywało się, że niektóre pojęcia i wyjaśnienia podane w starożytnych świętych tekstach wydają się całkowicie błędne; a gdy dowiedziałem się więcej o historii i historiografii (piśmiennictwie historycznym), prawdziwość niektórych opowieści zawartych w tych tekstach stała się bardzo wątpliwa.

Najbardziej jednak rozczarowujące było nie to, że święte pisma zawierają błędy, lecz to, że bledną wobec innych źródeł wiedzy. W porównaniu z tym, czego dowiadywałem się, poznając naukę, miały one do zaoferowania niewiele prawdziwie zadziwiających i głębokich przemyśleń. Jakaż wizja może się równać z pojęciami nieskończonej przestrzeni, olbrzymich połaci czasu, odległych gwiazd wielkich jak nasze Słońce, a nawet jeszcze większych? Ukrytych sił i nowych, niewidzialnych rodzajów „światła”? Czy też z potężną energią, którą ludzie mogliby nauczyć się wyzwalać i wykorzystywać dzięki zrozumieniu procesów naturalnych? Doszedłem do wniosku, że jeżeli Bóg istnieje, dużo większe wrażenie wywiera Jego (albo Jej, a może Ich) dzieło widoczne w świecie niż świadectwo przekazane w starych księgach – oraz że moc wiary i modlitwy jest ulotna i zawodna w porównaniu ze zdarzającymi się na co dzień cudami medycyny i techniki.

– Zaraz, zaraz – już słyszę sprzeciw ludzi wierzących, w tradycyjnym znaczeniu tego słowa – przecież badania naukowe świata przyrody nie pozwalają nam odkryć jego sensu.

Odpowiadam na to: dajcie im szansę. Nauka odkrywa niezwykle zadziwiające fakty dotyczące tego, czym jest świat. Czy sądzicie, że możliwe jest zrozumienie jego znaczenia bez wcześniejszego dowiedzenia się, czym on jest?

W czasach Galileusza profesorowie filozofii i teologii – dziedziny te były wówczas nierozłączne – pisali długie rozprawy na temat natury rzeczywistości, struktury Wszechświata i sposobu funkcjonowania świata, wykorzystując wyrafinowane metafizyczne wywody. W tym samym czasie Galileusz dokonywał pomiarów prędkości toczenia się kuli po równi pochyłej. Cóż za prozaiczne zajęcie! Jednak uczone wywody, choć nie brakowało im rozmachu, były niejasne. Badania Galileusza okazały się za to jasne i precyzyjne. Stara metafizyka nigdy się nie rozwinęła, natomiast dzieło Galileusza wydało obfite i po pewnym czasie spektakularne owoce. Galileuszowi także zależało na znalezieniu odpowiedzi na wielkie pytania, ale uświadomił sobie, że zdobycie wiarygodnych wyjaśnień wymaga cierpliwości i pokory wobec faktów.

Płynąca z tej opowieści nauka zachowuje swoją ważność również dzisiaj. Najlepszym sposobem na uporanie się z wielkimi fundamentalnymi pytaniami będzie zapewne prowadzenie dialogu z Naturą. Musimy postawić precyzyjne pytania pomocnicze, dzięki którym Natura będzie miała okazję do udzielenia czytelnych dla nas odpowiedzi, a w szczególności podania wyjaśnień, które okażą się dla nas nie lada zaskoczeniem.

Podejście takie nie jest dla nas naturalne. Życie, do którego przygotowała nas ewolucja, wymaga, aby ważne decyzje były podejmowane szybko, z wykorzystaniem dostępnej w danym momencie informacji. Ludzie musieli ugodzić włócznią swoją zdobycz, zanim sami stali się zdobyczą. Nie mieli czasu, by przystanąć i zastanowić się nad prawami ruchu, aerodynamiką włóczni i trajektorią jej lotu. Poza tym wielkie niespodzianki bez wątpienia nie były mile widziane. Ewolucja przystosowała nas do wyciągania wniosków i stosowania praktycznych zasad, a nie do poszukiwania pierwotnych przyczyn i dokonywania subtelnych rozróżnień. W jeszcze mniejszym stopniu przygotowała nas do przeprowadzania długich ciągów obliczeń wiążących prawa podstawowe z dającymi się zaobserwować ich konsekwencjami. Komputery są w tym znacznie lepsze!

By odnieść pełną korzyść z dialogu z Naturą, musimy się zgodzić na używanie jej języka. Sposób myślenia, dzięki któremu udało nam się przetrwać i rozmnożyć na afrykańskiej sawannie 200 tysięcy lat p.n.e., już nie wystarcza. Zachęcam was do poszerzenia horyzontów myślowych.

Znaczenie masy

W niniejszej książce zajmiemy się jednymi z najważniejszych pytań, jakie można sobie wyobrazić: pytaniami o ostateczną strukturę fizycznej rzeczywistości, naturę przestrzeni, zawartość Wszechświata i przyszłość badań naukowych. Biorąc jednak przykład z Galileusza, zajmę się tymi pytaniami dopiero wtedy, gdy wyłonią się z dialogu z Naturą dotyczącego jakiegoś konkretnego tematu.

Tematem, który stanie się dla nas furtką do znacznie ważniejszych pytań, jest masa. By dogłębnie ją zrozumieć, przyjrzymy się dokonaniom Newtona, Maxwella i Einsteina, poznamy wiele najnowszych i najdziwniejszych idei fizycznych. Przekonamy się, że dzięki zrozumieniu pojęcia masy możemy zająć się podstawowymi kwestiami dotyczącymi unifikacji i grawitacji, które są obecnie na pierwszej linii frontu badań naukowych.

Dlaczego masa ma takie znaczenie? Pozwólcie, że opowiem wam pewną historię.

Było sobie raz coś, co zwano materią. Była ona solidna, ciężka i trwała. I było też coś jeszcze, coś zupełnie innego, co nazywano światłem. Ludzie odbierali je za pomocą osobnych strumieni danych; pierwszą z nich dotykali, drugie widzieli. Pojęcia materii i światła były – i nadal są – trafnymi porównaniami wykorzystywanymi do opisu innych przeciwstawnych aspektów rzeczywistości: ciała i ducha, bycia i stawania się, tego co ziemskie i tego co niebiańskie.

Gdy materia pojawiała się znikąd, traktowano to jako cud, taki sam jak wtedy, gdy Jezus nakarmił tłum siedmioma bochenkami chleba.

Naukową duszą materii, jej nieredukowalną istotą, była masa. Stanowiła ona źródło bezwładności – oporu materii przed wprawieniem jej w ruch. Była też niezmienna, zawsze „zachowywana”. Można ją było przenieść z jednego ciała na drugie, ale nigdy nie mogła ani pojawić się, ani zniknąć. Dla Newtona masa określała ilość materii. W fizyce newtonowskiej masa jest ogniwem łączącym siłę z ruchem, jest też źródłem grawitacji. Dla Lavoisiera trwałość masy, spełniana z dużą precyzją zasada jej zachowania, stała się podstawą chemii i niezwykle owocną wskazówką, pomocną w dokonywaniu odkryć. Jeśli wydaje się, że masa znika, poszukaj jej gdzieś w nowej postaci – i voilà, mamy tlen!

Światło, jak ustalono, nie ma masy. Przemieszcza się od źródła do odbiornika z niewiarygodną prędkością, bez żadnego popychania. Można je bez trudu wytworzyć (wyemitować) i zniszczyć (zaabsorbować). Uważano również, że nie wywiera ono żadnego przyciągania grawitacyjnego. Nie było dla niego miejsca w układzie okresowym pierwiastków, który porządkował podstawowe składniki materii.

W ciągu wielu stuleci poprzedzających powstanie nowoczesnej nauki, a także przez pierwszych dwieście pięćdziesiąt lat jej rozwoju, podział rzeczywistości na materię i światło wydawał się kwestią oczywistą. Materia ma masę, a światło nie; obowiązywała też zasada zachowania masy. Tak długo, jak utrzymywał się podział na byty posiadające masę i bezmasowe, nie było możliwe stworzenie zunifikowanego opisu świata fizycznego.

Na początku XX wieku pojawienie się teorii względności i (szczególnie) teorii kwantowej wstrząsnęło podstawami, na których opierała się fizyka klasyczna. Obowiązujące dotychczas teorie materii i światła legły w gruzach. Dzięki owemu procesowi twórczej destrukcji w drugiej połowie ubiegłego stulecia możliwe stało się stworzenie nowej i głębszej teorii materii/światła, która znosiła obwiązujący w przeszłości podział. W nowej teorii świat opiera się na wielorakości wypełniających przestrzeń eterów, które jako całość nazywam Siatką. Taki nowy model świata jest niezwykle dziwny, ale odnosi spektakularne sukcesy i okazuje się bardzo dokładny.

Z nowego modelu świata wynika całkowicie nowe zrozumienie pochodzenia masy zwykłej materii. Jak nowe? Będziemy jeszcze o tym mówić, ale teraz wspomnijmy jedynie, że masa wynika z teorii względności, kwantowej teorii pola i chromodynamiki – specjalnych praw rządzących zachowaniem się kwarków i gluonów. Zrozumienie pochodzenia masy nie jest możliwe bez gruntownego opanowania tych trzech pojęć. Jednak wszystkie one pojawiły się dopiero w XX wieku i w tym gronie jedynie (szczególna) teoria względności jest naprawdę dojrzałą dziedziną. Kwantowa teoria pola i chromodynamika wciąż są obszarami intensywnych badań naukowych, a wiele ważnych kwestii w tej dziedzinie pozostaje wciąż otwartych.

Fizycy, uskrzydleni sukcesem tych teorii i zdobytą dzięki ich rozwojowi wiedzą, wkraczają w XXI wiek z pomysłami na dokonanie kolejnych syntez. Obecnie gotowe są już do sprawdzenia idee sięgające daleko w kierunku uzyskania zunifikowanego opisu pozornie różnych sił natury i przedstawienia jednorodnego wyjaśnienia zdawałoby się różnych eterów, jakimi się posługujemy w fizyce. Mamy kilka subtelnych, napawających optymizmem wskazówek przemawiających za tym, że prace te idą w dobrym kierunku. Najbliższe kilka lat będzie dla tych pomysłów okresem próby, ponieważ potężny akcelerator LHC (Large Hadron Collider – Wielki Zderzacz Hadronów) rozpoczyna właśnie swoją działalność.

słuchaj: jest śliczny, piekielnie dobry wszechświat tuż obok; chodź z nami2.

– e. e. cummings

1 Wciąż wydaje mi się to atrakcyjne!

2 e. e. cummings, Litość to ruchliwe monstrum, przeł. Stanisław Barańczak; w: E. E. Cummings, Wybór wierszy, PIW, Warszawa 1985 (przyp. tłum.).