Nasz matematyczny Wszechświat - ebook

W serii ukazały się:

W 2013 ROKU:

- Lisa Randall, Pukając do nieba bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć Wszechświat
- Paul Davies, Milczenie gwiazd. Poszukiwania pozaziemskiej inteligencji
- Leon Lederman, Zrozumieć niepojęte. Fizyka kwantowa i rzeczywistość
- Christopher Hill, Frank Close, Zagadka nieskończoności. Kwantowa teoria pola na tropach porządku Wszechświata
- Stephen Oppenheimer,Pożegnanie z Afryką. Jak człowiek zaludniał świat…
- Bruce Rosenblum, Zagadka teorii kwantów. Zmagania fizyki ze świadomością

W 2014 ROKU:

- Lawrence M. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic
- Jim Baggott, Higgs. Odkrycie boskiej cząstki
- Caleb Scharf, Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami
- Sean Carroll, Cząstka na końcu Wszechświata. Bozon Higgsa i nowa wizja rzeczywistości
- Alfred S. Posamentier, Ingmar Lehmann, Niezwykłe liczby Fibonacciego. Piękno natury i potęga matematyki

W 2015 ROKU:

- Jim Baggott, Pożegnanie z rzeczywistością. Jak współczesna fizyka odchodzi od poszukiwania naukowej prawdy.
- Lee Smolin, Czas odrodzony. Od kryzysu w fizyce do przyszłości Wszechświata.WSTĘP

Z całego serca dziękuję wszystkim, którzy zachęcili mnie do napisania tej książki i pomogli mi w realizacji tego zamierzenia. Szczególne jestem wdzięczny:

mojej rodzinie, przyjaciołom, nauczycielom, kolegom z pracy i współpracownikom za wsparcie i inspirację;

Mamie za to, że przekazała mi swoją pasję i zainteresowanie wielkimi pytaniami na temat życia;

Tacie za to, że podzielił się ze mną swoją fascynacją i wiedzą na temat matematyki i jej znaczenia;

moim synom, Philipowi i Alexandrowi, za stawianie tak wspaniałych pytań na temat świata i za wiele anegdot, które znalazły się w tej książce;

entuzjastom nauki na całym świecie, którzy przesyłali mi w ciągu tych wszystkich lat swoje pytania, uwagi, a także zachęcali mnie do rozwijania i publikowania moich przemyśleń;

moim agentom literackim, Johnowi i Maksowi Brockmanom, za to, że namówili mnie do napisania tej książki i uruchomili całą machinę wydawniczą;

wszystkim, którzy podzielili się ze mną uwagami po przeczytaniu fragmentów rękopisu, między innymi Mamie, mojemu bratu Perowi, Joshowi Dillonowi, Marty’emu Asherowi, Davidowi Deutschowi, ­Louisowi Helmowi, Andriejowi Lindemu, Jonathanowi Lindströmowi, Royowi Linkowi, Davidowi Raubowi, Shevaun Mizrahi, Mary New, Sandrze Simpson, Carlowi Shulmanowi oraz Jaanowi Tallinnowi;

moim superbohaterom, którzy przekazali mi swoje uwagi po przeczytaniu całego rękopisu: Mei, Tacie, Paulowi Almondowi, Julianowi Barbourowi, Phillipowi Helbigowi, Adrianowi Liu, Howardowi Messingowi, Danowi Robertsowi, Edwardowi Wittenowi i mojemu redaktorowi Danowi Frankowi;

a najbardziej ze wszystkich ukochanej żonie Mei, mojej muzie i towarzyszce podróży, która mnie zachęcała, wspierała i inspirowała bardziej, niż mógłbym to sobie wymarzyć.Rozdział 1

Czym jest rzeczywistość?

drzewa składają się głównie z powietrza. Gdy ulegają spaleniu, wracają do postaci gazowej. Gorące płomienie są uwięzionym w drzewie słonecznym żarem, dzięki któremu kiedyś powietrze przekształciło się w roślinę, natomiast niewielka ilość popiołu jest pozostałością po tej części drzewa, która nie wzięła się z powietrza, ale z ziemi.

– Richard Feynman

Więcej jest rzeczy w niebie i na ziemi,

Niż się wydaje naszym filozofom,

Drogi Horacjo1.

– William Shakespeare, Hamlet, akt I, scena 5

NIE TO, CO SIĘ WYDAJE

Sekundę później już nie żyłem. Przestałem pedałować i nacisnąłem z całej siły na hamulce, ale było już za późno. Światła. Zderzak. Czterdzieści ton stali trąbiące z wściekłością niczym jakiś współczesny smok. Ujrzałem panikę w oczach kierowcy. Miałem wrażenie, że czas nagle zwolnił, a przed oczami przeleciało mi całe życie. Moją ostatnią myślą było: „Mam nadzieję, że to tylko koszmarny sen”. Niestety, każdą cząstką ciała czułem, że to się dzieje naprawdę.

Czy mogłem jednak mieć absolutną pewność, że to nie był sen? A jeśli tuż przed zderzeniem ujrzałbym coś, co może wydarzyć się tylko we śnie – gdybym na przykład zobaczył, że za moimi plecami, na bagażniku roweru, siedzi moja nieżyjąca już nauczycielka Ingrid, cała i zdrowa? Albo gdybym pięć sekund wcześniej ujrzał w lewym dolnym rogu pola widzenia komunikat: „Czy jesteś pewien, że wyjechanie z tego przejazdu podziemnego bez oglądania się w prawo było dobrym pomysłem?”, a obok niego guziki Dalej i Anuluj? Gdybym znał filmy takie jak Matrix lub 13. piętro, mógłbym zacząć się zastanawiać, czy przypadkiem całe moje życie nie było symulacją komputerową, kwestionując tym samym najbardziej podstawowe założenia na temat natury rzeczywistości. Niczego takiego jednak nie doświadczyłem i zginąłem w przekonaniu, że wypadek wydarzył się naprawdę. W końcu, czy może być coś bardziej namacalnego i rzeczywistego od czterdziestotonowej ciężarówki?

Nie wszystko jednak jest takie, jak się wydaje na pierwszy rzut oka, i uwaga ta dotyczy nawet ciężarówek i samej rzeczywistości. Do takiego stwierdzenia uprawniają nas nie tylko przemyślenia filozofów i autorów książek fantastycznonaukowych, ale także wyniki doświadczeń fizycznych. Fizycy wiedzą już od ponad stu lat, że twarda stal składa się w istocie z pustej przestrzeni, ponieważ jądra atomowe, stanowiące 99,95% masy atomu, są maleńkimi kulkami zajmującymi zaledwie 0,0000000000001% jego objętości. Stal składa się zatem niemal w całości z próżni i jest twarda tylko dlatego, że oddziaływanie elektryczne utrzymujące jądra atomowe na miejscu jest bardzo silne. Co więcej, dzięki starannym pomiarom cząstek subatomowych wiemy, że mogą one być w wielu różnych miejscach jednocześnie – jest to ogólnie znany zagadkowy fakt leżący u podstaw fizyki kwantowej (więcej na ten temat powiemy w rozdziale 7). Skoro więc jestem zbudowany z takich cząstek, to może również ja, tak jak one, mógłbym być jednocześnie w dwóch miejscach? Jakieś trzy sekundy przed wypadkiem podświadomie zawahałem się, czy wystarczy, jeśli spojrzę tylko w lewo podczas skrętu na drogę prowadzącą do Blackebergs Gymnasium, mojej szkoły średniej, ponieważ na tym skrzyżowaniu nigdy nic nie jeździ, czy też może powinienem na wszelki wypadek zerknąć również w prawo. Za sprawą niefortunnej decyzji, jaką podjąłem owego ranka w 1985 roku, otarłem się o śmierć. Wszystko wzięło się stąd, że pojedynczy atom wapnia przeniknął do określonego połączenia synaptycznego w korze przedczołowej w moim mózgu i sprawił, że jeden z neuronów wygenerował impuls elektryczny. Impuls ten wywołał całą lawinę aktywności innych neuronów i w efekcie w moim mózgu pojawiła się myśl: „Nie warto”. Gdyby więc ów atom wapnia był jednocześnie w dwóch nieco różnych miejscach, to pół sekundy później moje oczy byłyby zwrócone jednocześnie w dwóch przeciwnych kierunkach, a dwie sekundy potem mój rower byłby jednocześnie w dwóch różnych miejscach i po upłynięciu kolejnej chwili byłbym jednocześnie martwy i żywy. Najwięksi fizycy kwantowi sprzeczają się zawzięcie o to, czy tak faktycznie jest, czy nasz świat w każdej chwili rozdziela się na wszechświaty równoległe o różnych historiach, czy też może trzeba jakoś poprawić najważniejsze prawo ruchu kwantowego, tak zwane równanie Schrödingera. A zatem, czy naprawdę zginąłem? W tym konkretnym wszechświecie ledwo uszedłem z życiem, ale może w innym, równie rzeczywistym, w którym ta książka nigdy nie powstała, moje życie zakończyło się owego ranka. A jeśli jestem jednocześnie żywy i martwy, to czy możemy w jakiś sposób poprawić nasze wyobrażenie o rzeczywistości tak, żeby wszystko to miało jakiś sens?

Sądzicie być może, że moja opowieść brzmi absurdalnie i fizyka niepotrzebnie wszystko gmatwa? Cóż, sprawa jeszcze bardziej się komplikuje, jeśli zastanowimy się, jak to wszystko wyglądało z mojego punktu widzenia. Jeśli jestem w różnych miejscach w dwóch wszechświatach równoległych, to jedna z moich kopii przeżyje. Po zastosowaniu tego samego rozumowania do wszystkich innych sytuacji mogących prowadzić w przyszłości do mojej śmierci dojdziemy do wniosku, że zawsze powinien istnieć przynajmniej jeden wszechświat równoległy, w którym będę żył wiecznie. Ponieważ moja świadomość istnieje tylko tam, gdzie nadal żyję, to czy oznacza to, że subiektywnie będę się czuł nieśmiertelny? A jeśli tak, to czy również ty, drogi czytelniku, będziesz w swoim odczuciu nieśmiertelny i staniesz się najstarszym człowiekiem na Ziemi? Na te pytania odpowiemy w rozdziale 8.

Czy jesteście zaskoczeni tym, że fizyka odkryła, iż nasza rzeczywistość jest bardziej niezwykła, niż to sobie wyobrażaliśmy? Tak naprawdę nie powinno nas to dziwić, jeśli poważnie traktujemy darwinowską teorię ewolucji! Ewolucja obdarzyła nas intuicją w zakresie tylko tych aspektów świata fizycznego, które miały znaczenie dla przetrwania naszych odległych praprzodków – taką przydatną umiejętnością było na przykład przewidywanie parabolicznego toru lotu rzuconego kamienia (to wyjaśnia popularność baseballu). Jaskiniowiec zbyt dużo rozmyślający o budowie materii mógłby nie zauważyć skradającego się tygrysa i jego geny nie trafiłyby do puli genowej ludzkości. Teoria Darwina wysuwa więc możliwe do sprawdzenia przewidywanie. Zauważa mianowicie, że za każdym razem, gdy dzięki zdobyczom techniki udaje nam się zobaczyć rzeczywistość wykraczającą poza naszą ludzką skalę, nasza intuicja powinna nas sromotnie zawodzić. Przewidywanie to poddaliśmy już wielokrotnie próbie i uzyskane wyniki stanowczo potwierdzają teorię Darwina. Einstein uświadomił sobie na przykład, że przy dużej prędkości czas musi zwalniać, jednak dla zgredów z komitetu noblowskiego było to tak dziwne, że nie zgodzili się na przyznanie mu Nagrody Nobla za teorię względności. W niskiej temperaturze ciekły hel może płynąć do góry. W wysokiej temperaturze zderzające się cząstki zmieniają swoją tożsamość. Dla mnie stwierdzenie, że elektron zderzający się z pozytonem zmienia się w zeton, brzmi równie intuicyjnie jak informacja, że dwa samochody w wyniku zderzenia zmieniły się w statek wycieczkowy. W skalach mikroskopowych cząstki schizofrenicznie pojawiają się w dwóch miejscach jednocześnie, co prowadzi do dziwnych kwantowych sytuacji, o których już wspomnieliśmy. W skalach astronomicznie wielkich – a to ci niespodzianka! – pojawiają się kolejne dziwactwa: jeśli intuicyjnie rozumiecie wszystkie aspekty czarnych dziur, to należycie moim zdaniem do mniejszości i natychmiast powinniście odłożyć tę książkę, żeby opublikować swoje odkrycia, zanim ktoś sprzątnie wam sprzed nosa Nagrodę Nobla za teorię kwantowej grawitacji. Jeśli przejdziemy do jeszcze większych skal, dostrzeżemy kolejne kurioza związane z opisem rzeczywistości na obszarach znacznie większych od tego, co możemy zobaczyć w teleskopach. W rozdziale 5 dowiemy się, że najważniejszą teorią opisującą, co wydarzyło się na samym początku, jest teoria kosmologicznej inflacji. Można z niej wyciągnąć wniosek, że przestrzeń jest nie tyle bardzo duża, co wręcz nieskończona, zawiera nieskończenie wiele dokładnych kopii każdego z nas i jeszcze więcej niedoskonałych kopii przeżywających każdy możliwy wariant naszego życia w dwóch różnych rodzajach wszechświatów równoległych. Jeśli teoria ta okaże się prawdziwa, to będzie to oznaczało, że w układach planetarnych w odległych miejscach kosmosu istnieje nieskończenie wielu innych Maksów, których życie przebiegało dokładnie tak jak moje aż do owej feralnej chwili, z tą różnicą, że w tym kluczowym momencie postanowili, iż nie popatrzą w prawo. Będzie to prawdą, nawet jeśli przedstawiona wcześniej argumentacja, że jakaś kopia mnie samego nie dotarła tamtego ranka do szkoły, okaże się wadliwa na gruncie fizyki kwantowej.

Odkrycia fizyczne wystawiają zatem na próbę nasze najbardziej podstawowe wyobrażenia na temat rzeczywistości zarówno wtedy, gdy badamy mikrokosmos, jak i wtedy, gdy obejmujemy wzrokiem duże połacie makrokosmosu. W rozdziale 11 przekonamy się, że jeśli spróbujemy opisać działanie ludzkiego mózgu na gruncie neurobiologii, to okaże się, że pewne poglądy na temat rzeczywistości przestają obowiązywać nawet na pośredniej skali zjawisk związanych z nami samymi.

Zwróćmy jeszcze uwagę na jeden istotny fakt. Wszyscy doskonale wiedzą, że równania matematyczne dobrze opisują działanie natury – pokazano to schematycznie na rycinie 1.1 – ale czy wiemy, dlaczego nasz świat fizyczny przejawia tak dużą matematyczną regularność, że Galileusz, jeden z największych astronomów, stwierdził, iż przyroda jest „księgą napisaną językiem matematyki”, a laureat Nagrody Nobla Eugene Wigner utrzymywał, że „niedorzeczna skuteczność matematyki w naukach fizycznych” jest zagadką wymagającą wyjaśnienia? Jak można wnioskować na podstawie tytułu tej książki, udzielenie odpowiedzi na to pytanie jest głównym celem, który będzie nam podczas tej wyprawy przyświecał. W rozdziałach 10–12 zajmiemy się fascynującymi związkami między obliczeniami, matematyką, fizyką i rozumem, przedstawię też wtedy moje dość szalone przekonanie, że nasz świat fizyczny nie tylko daje się opisać matematycznie, ale wręcz sam jest matematyką, co sprawia, iż my jesteśmy samoświadomymi elementami jakiegoś gigantycznego obiektu matematycznego. Przekonamy się, że rozumowanie to prowadzi do nowego, największego zbioru wszechświatów równoległych – tak ogromnego i egzotycznego, że w porównaniu z nim bledną wszystkie dziwaczne teorie, o których wspomnieliśmy przed chwilą. Taki opis wymaga porzucenia wielu głęboko w nas zakorzenionych wyobrażeń na temat rzeczywistości.

Ryc. 1.1. Gdy patrzymy na rzeczywistość przez pryzmat równań fizycznych, okazuje się, że opisują one różne prawidłowości i regularności. Dla mnie jednak matematyka jest czymś więcej niż tylko oknem na świat zewnętrzny. W tej książce postaram się przekonać wszystkich, że nasz świat fizyczny nie tylko daje się opisać matematycznie, ale wręcz sam jest matematyką – a mówiąc ściśle, strukturą matematyczną.

JAK BRZMI OSTATECZNE PYTANIE?

Nasi przodkowie na pewno od samego początku zastanawiali się, czym jest rzeczywistość, i stawiali głębokie, egzystencjalne pytania. Skąd się to wszystko wzięło? Jak to się skończy? Jak duży jest ten świat? Pytania te są tak intrygujące, że zmagały się z nimi praktycznie wszystkie ludzkie społeczności na całym globie, a wyniki swoich przemyśleń przekazywały następnym pokoleniom w postaci rozbudowanych mitów o powstaniu świata, legend i doktryn religijnych. Analizując rycinę 1.2, można zauważyć, że pytania te są tak trudne, iż nie udało się wyłonić żadnej satysfakcjonującej wszystkich odpowiedzi. Poszczególne społeczności wcale nie zbliżały się do jedynego obrazu świata, który mógłby być ostateczną odpowiedzią – wręcz przeciwnie: pojawiły się bardzo różne wyjaśnienia i przynajmniej niektóre z tych różnic wynikają z odmiennego stylu życia poszczególnych kultur. Wszystkie mity stworzenia świata ze starożytnego Egiptu, w którym Nil zapewniał obfitość plonów, mówią na przykład o tym, że świat wyłonił się z wody. Dla porównania, w mojej rodzinnej Szwecji, gdzie największy wpływ na życie ludzi mają ogień i lód, powstała mitologia nordycka, która powiada, że życie powstało (uwaga!) z ognia i lodu.

Ryc. 1.2. Wiele pytań kosmologicznych, którymi zajmiemy się w tej książce, fascynowało dawnych myślicieli, ale nie udało im się przedstawić jednego wspólnego wyjaśnienia. Zamieszczona tu klasyfikacja została oparta na prezentacji, którą w 2011 roku mój student z MIT David Hernandez przygotował na prowadzone przeze mnie zajęcia z kosmologii. Ponieważ tak uproszczone klasyfikacje nie mogą być dokładne, należy je traktować z dużą rezerwą. W wielu religiach występują różne nurty i interpretacje, a niektóre z nich można zaklasyfikować nawet do kilku kategorii. Hinduizm zawiera na przykład pewne aspekty wszystkich wyodrębnionych tu odmian mitu stworzenia: według jednej z legend bóg stwórca Brahma (na ilustracji) wyłonił się wraz z naszym Wszechświatem z jaja, które z kolei mogło powstać z wody.

Starożytni stawiali również inne, nie mniej istotne wielkie pytania. Czym jest rzeczywistość? Czy obejmuje coś więcej ponad to, co widać? Ponad dwa tysiące lat temu Platon odpowiedział twierdząco na tak postawione pytanie. W swoim słynnym porównaniu stwierdził, że przypominamy ludzi uwięzionych w jaskini, odwróconych plecami do wejścia, którzy wpatrują się w pustą ścianę i obserwują cienie rzucane przez obiekty przesuwające się za nimi. Po pewnym czasie więźniowie w jaskini nabierają przekonania, że te cienie są wszystkim, co istnieje. Platon uważał, że to, co my nazywamy rzeczywistością, jest równie ograniczonym i zniekształconym odwzorowaniem prawdziwej rzeczywistości i powinniśmy się wyswobodzić z umysłowych kajdan, by móc to zrozumieć.

Nie wiem, czy zajmowanie się fizyką czegoś mnie nauczyło, ale jeśli tak, to tym czymś jest przekonanie, że Platon miał rację: współczesna fizyka dobitnie pokazuje, że ostateczna natura rzeczywistości nie jest taka, jak się nam wydaje. Jeśli jednak rzeczywistość jest inna, niż się spodziewaliśmy, to jaka jest? Jaki jest związek między wewnętrzną rzeczywistością naszego umysłu a rzeczywistością zewnętrzną? Z czego naprawdę zbudowany jest świat? Jak to wszystko działa? Dlaczego? Czy to wszystko ma jakieś znaczenie, a jeśli tak, to jakie? Jak ujął to Douglas Adams w humorystycznej powieści fantastycznonaukowej Autostopem przez Galaktykę: „Jaka jest odpowiedź na ostateczne pytanie o życie, wszechświat i całą resztę?”.

Myśliciele w bardzo różny sposób próbują uporać się z odpowiedzią na pytanie „Czym jest rzeczywistość?” – albo starają się przedstawić jakieś wyjaśnienie, albo podważają sensowność takich rozważań. Oto kilka przykładów (lista ta nie jest w żadnym razie kompletna i nie wszystkie alternatywy wzajemnie się wykluczają):

Przykłady odpowiedzi na pytanie: „Czym jest rzeczywistość?”

Tak postawione pytanie ma sens

cząstkami elementarnymi w ruchu

ziemią, wiatrem, ogniem, powietrzem i kwintesencją

atomami w ruchu

strunami w ruchu

polami kwantowymi w zakrzywionej czasoprzestrzeni

M-teorią (w miejsce „M” można wstawić dowolną inną literę…)

boskim stworzeniem

konstruktem społecznym

konstruktem neurofizjologicznym

snem

informacją

symulacją (à la Matrix)

strukturą matematyczną

multiwszechświatem poziomu IV

Tak postawione pytanie nie ma sensu

Rzeczywistość istnieje, ale my, ludzie, nie możemy w pełni jej poznać, nie mamy bowiem dostępu do tego, co Immanuel Kant nazwał das Ding an sich (rzeczą samą w sobie).

Rzeczywistość jest z gruntu niepoznawalna.

Nie znamy rzeczywistości, a nawet gdybyśmy ją znali, i tak nie potrafilibyśmy jej opisać.

Nauka jest tylko opowieścią (postmodernistyczna odpowiedź Jacques’a Derridy i innych).

Cała rzeczywistość istnieje w naszej głowie (odpowiedź konstruktywistyczna).

Rzeczywistość nie istnieje (solipsyzm).

Ta książka (i cała moja praca naukowa) jest moją osobistą próbą zmierzenia się z tym pytaniem. Nie ulega wątpliwości, iż filozofowie przedstawili tak różnorodne odpowiedzi częściowo dlatego, że w różny sposób odczytali postawione pytanie, winien więc jestem w tym miejscu wyjaśnienie, jak ja je interpretuję i jak do niego podchodzę. Słowo rzeczywistość ma wiele różnych konotacji. Ja używam go w znaczeniu ostatecznej natury zewnętrznego świata fizycznego, którego jesteśmy częścią. Bardzo chciałbym jak najlepiej poznać tak rozumianą rzeczywistość. Jak się do tego zabieram?

Pewnego wieczoru po szkole zacząłem czytać Śmierć na Nilu Agathy Christie. Choć dobrze wiedziałem, że o siódmej rano zadzwoni budzik, nie mogłem odłożyć książki, dopóki nie poznałem rozwiązania zagadki, co nastąpiło około czwartej nad ranem. Już od dziecka pociągały mnie kryminały i gdy miałem jakieś dwanaście lat, założyłem wraz z kolegami z klasy, Andreasem Bettem, Matthiasem Bothnerem i Olą Hanssonem klub detektywistyczny. Nigdy nie schwytaliśmy żadnego przestępcy, ale idea rozwiązywania zagadek całkowicie zawładnęła moją wyobraźnią. Pytanie „Czym jest rzeczywistość?” jest dla mnie najważniejszą zagadką kryminalną i jestem niezwykle szczęśliwy, że mogę poświęcać na jej rozwikłanie tak wiele czasu. W następnych rozdziałach wspomnę jeszcze o innych sytuacjach, gdy ciekawość nie pozwalała mi zmrużyć oka przez całą noc, dopóki nie poznałem rozwiązania zagadki. Tyle tylko, że nie czytałem wtedy książki, ale równania matematyczne zapisywane moją ręką, i czułem, że muszą mnie one w końcu doprowadzić do odpowiedzi.

Jestem fizykiem, stosuję więc fizyczne podejście do rozwiązywania zagadek rzeczywistości. Wychodzę od wielkich pytań, takich jak „Jak duży jest nasz Wszechświat?” lub „Z czego to wszystko jest zbudowane?”, i postępuję tak, jak gdyby chodziło o rozwiązanie zagadek kryminalnych: staram się uważnie wszystko obserwować, przeprowadzać logiczne rozumowanie i wytrwale podążać za każdym tropem, bez względu na to, dokąd prowadzi.

ROZPOCZYNAMY PODRÓŻ

Podejście fizyczne? Czy to nie jest najlepszy sposób, by z czegoś fascynującego zrobić coś nudnego? Gdy osoba siedząca obok mnie w samolocie pyta mnie, czym się zajmuję, pozostają mi dwa wyjścia. Gdy mam ochotę na dłuższą rozmowę, odpowiadam: „Astronomią” i wtedy nieodmiennie wywiązuje się między nami interesująca dyskusja2. Jeśli nie chce mi się rozmawiać, mówię: „Fizyką”, a wtedy sąsiad odpowiada coś w rodzaju „Och, to był dla mnie koszmar w szkole” i mam spokój przez resztę lotu.

Ja również nie lubiłem w szkole fizyki. Wciąż pamiętam pierwszą lekcję. Nasz nauczyciel oznajmił monotonnym, usypiającym głosem, że tematem dzisiejszej lekcji będzie gęstość. Gęstość jest ilorazem masy i objętości. Jeśli więc masa jest taka i taka, a objętość taka, to możemy wyliczyć, że gęstość wynosi ple-ple-ple… Dalej wszystko się w mojej pamięci rozmywa. Gdy na lekcji któreś z doświadczeń się nie udawało, nauczyciel winił za to wilgotność i powtarzał:

– Dziś rano wszystko działało poprawnie.

Pamiętam też, że kiedyś moi koledzy nie mogli ustalić, dlaczego nie wychodzi im doświadczenie, i dopiero po pewnym czasie odkryli, że złośliwie wsunąłem pod oscyloskop niewielki magnes…

Gdy nadszedł czas wyboru uniwersytetu, odrzuciłem pomysł studiowania fizyki lub innych kierunków technicznych i trafiłem do Wyższej Szkoły Handlowej w Sztokholmie, gdzie zająłem się problemami środowiska. Chciałem wnieść swój skromny wkład w poprawę bytu mieszkańców naszej planety i doszedłem do wniosku, że głównym problemem nie jest brak rozwiązań technicznych, ale to, że nie wykorzystujemy odpowiednio posiadanych już technologii. Wydawało mi się, że do ludzi można najszybciej dotrzeć poprzez ich portfele, i całkowicie owładnęła mną idea stworzenia bodźców ekonomicznych, które pogodziłyby egoizm jednostki z dobrem ogółu. Niestety, szybko spotkało mnie rozczarowanie i doszedłem do wniosku, że ekonomia jest w dużym stopniu pewną odmianą intelektualnej prostytucji, w której otrzymuje się nagrodę za mówienie tego, co chcą usłyszeć aktualnie rządzący. Gdy jakiś polityk chce coś osiągnąć, zawsze znajdzie specjalistę od ekonomii, który opowiada się za takim właśnie rozwiązaniem. Gdy Franklin D. Roosevelt zamierzał zwiększyć wydatki rządu, słuchał Johna Maynarda Keynesa, gdy natomiast Ronald Reagan chciał je ograniczyć, zatrudnił na stanowisku doradcy Miltona Friedmana.

Wtedy właśnie kolega z roku, Johan Oldhoff, podsunął mi lekturę, która zupełnie odmieniła moje życie – był to egzemplarz książki Pan raczy żartować, panie Feynman!. Nigdy nie spotkałem Richarda Feynmana osobiście, ale to właśnie z jego powodu zająłem się fizyką. Choć prawdę mówiąc, ta książka wcale nie jest o fizyce, bo Feynman więcej miejsca poświęca sprawom takim jak otwieranie zamka wytrychem i podrywanie dziewczyn, to między wierszami dało się wyczytać, że jej autor po prostu uwielbia fizykę. Bardzo mnie to zaintrygowało. Gdy spotykamy jakiegoś przeciętniaka, który przechadza się pod ramię z piękną kobietą, mamy wrażenie, że chyba czegoś tu nie dostrzegamy. Być może ona widzi w nim jakieś ukryte zalety? Nagle ogarnęło mnie takie samo uczucie wobec fizyki: Feynman musi w niej widzieć coś, co umknęło mi w szkole.

Musiałem rozwiązać tę zagadkę, sięgnąłem więc po pierwszy tom Feynmana wykładów z fizyki, który znalazłem na półce z książkami taty, i zacząłem czytać: „Gdyby cała nauka miała ulec zniszczeniu w jakimś kataklizmie i tylko jedno zdanie można by uratować od zagłady i przekazać następnym pokoleniom, jakie zdanie zawierałoby największą ilość informacji w możliwie najmniejszej liczbie słów?”.

O rany – ten facet w niczym nie przypomina mojego nauczyciela fizyki ze szkoły średniej! „W moim przekonaniu byłoby to zdanie że wszystko składa się z atomów – pisze dalej Feynman – małych cząstek, poruszających się bezustannie, przyciągających się, gdy są od siebie nieco oddalone, odpychających się zaś, gdy je zbytnio ścieśnić”3.

W mojej głowie zapaliło się jakieś światełko. Czytałem jak zaczarowany, nie mogąc się oderwać od książki. Czułem się, jak gdybym doświadczył jakiegoś objawienia religijnego. Wreszcie znalazłem to, czego szukałem! Olśniony zrozumiałem, że przez cały ten czas nie dostrzegałem tego, co uświadomił sobie Feynman: fizyka jest największą intelektualną przygodą, próbą zrozumienia najgłębszych tajemnic Wszechświata. Fizyka wcale nie zmienia fascynujących idei w nudne rozważania. Pomaga nam raczej widzieć wszystko wyraźniej, dodając otaczającemu nas światu piękna i uroku. Gdy jesienią jadę na rowerze do pracy, widzę piękno drzew pokrytych czerwienią, brązem i złotem. Gdy jednak spojrzymy na te drzewa przez pryzmat fizyki, dostrzeżemy jeszcze więcej piękna i właśnie o tym mówi Feynman w cytacie otwierającym ten rozdział. Zaglądając coraz głębiej, ujrzymy kolejne pokłady elegancji: w rozdziale 3 przekonamy się, że drzewa są tak naprawdę zbudowane z gwiazd, a w 8 dowiemy się, że z analizy ich podstawowych elementów składowych można wysnuć wniosek o istnieniu wszechświatów równoległych.

W tamtym okresie spotykałem się z dziewczyną, która studiowała fizykę w Królewskim Instytucie Technicznym, i jej podręczniki wydawały mi się o wiele bardziej interesujące od moich. Nasz związek nie trwał długo, ale moja miłość do fizyki wytrzymała próbę czasu. Ponieważ w Szwecji studia są za darmo, zapisałem się na jej uczelnię, nie informując administracji Wyższej Szkoły Handlowej w Sztokholmie o tym, że prowadzę podwójne życie. W ten sposób rozpocząłem oficjalnie moje dochodzenie, a ta książka jest raportem podsumowującym dwadzieścia pięć lat śledztwa.

Czym zatem jest rzeczywistość? Nadając temu rozdziałowi tak zuchwały tytuł, nie chciałem sugerować, że zamieszczę tu ostateczną odpowiedź (choć w ostatniej części książki omówimy kilka intrygujących możliwości), ale raczej zaprosić wszystkich do odbycia ze mną wspaniałej podróży oraz podzielić się moją fascynacją i przemyśleniami na temat tych tajemnic. Myślę, że zgodzicie się ze mną, iż rzeczywistość, czymkolwiek jest, różni się zdecydowanie od tego, co o niej kiedyś myśleliśmy, i że u podstaw naszego zwyczajnego życia tkwi jakaś intrygująca zagadka. Mam nadzieję, że dzięki temu ujrzycie problemy życia codziennego, takie jak mandaty za złe parkowanie i zawody miłosne, w zupełnie nowym świetle i łatwiej będziecie się mogli z nimi uporać, by jak najpełniej móc cieszyć się życiem i jego tajemnicami.

Gdy po raz pierwszy podzieliłem się moimi pomysłami na książkę z Johnem Brockmanem, który jest teraz moim agentem literackim, John dał mi bardzo wyraźne polecenie:

– Nie chcę słyszeć o kolejnym podręczniku – chcę przeczytać twoją książkę.

Ta książka jest więc do pewnego stopnia naukową autobiografią. Choć bez wątpienia jest bardziej o fizyce niż o mnie, to jednak nie jest standardową książką popularnonaukową, przedstawiającą fizykę w sposób jak najbardziej obiektywny, z uwzględnieniem przyjętego powszechnie stanowiska w danej kwestii, poświęcającą tyle samo miejsca wszystkim rywalizującym ze sobą teoriom. Jest to raczej opowieść o moich badaniach ostatecznej natury rzeczywistości i mam nadzieję, że z przyjemnością popatrzycie na te zagadnienia moimi oczami. Razem przyjrzymy się ideom, które moim zadaniem są najbardziej fascynujące, i spróbujemy ustalić, co to wszystko oznacza.

Naszą podróż rozpoczniemy od omówienia tego, jak na rozważania na temat natury rzeczywistości wpłynęły najnowsze odkrycia naukowe, które rzuciły nowe światło na naszą zewnętrzną rzeczywistość od skal największych (rozdziały 2–6) do najmniejszych (rozdziały 7–8). W pierwszej części książki spróbujemy odpowiedzieć na pytanie „Jak duży jest Wszechświat?” i poszukamy ostatecznego rozwiązania tego problemu, przechodząc do coraz większych skal kosmicznych. Powiemy też o naszym kosmicznym pochodzeniu i o dwóch rodzajach wszechświatów równoległych, a przy okazji odkryjemy, że przestrzeń jest w pewnym sensie matematyczna. W części drugiej zmierzymy się z pytaniem: „Z czego zbudowany jest świat?”, przenosząc się w subatomowy mikrokosmos i badając trzeci rodzaj wszechświata równoległego. Przekonamy się wówczas, że podstawowe elementy składowe materii również są w pewnym sensie matematyczne. W części trzeciej spojrzymy na wszystko z szerszej perspektywy i zastanowimy się, jakie to wszystko może mieć znaczenie dla ostatecznej natury rzeczywistości. Zaczniemy od zwrócenia uwagi na fakt, że niemożność zrozumienia świadomości nie musi być przeszkodą na drodze do pełnego zrozumienia zewnętrznej rzeczywistości fizycznej. Potem zagłębimy się w szczegóły mojej najdalej idącej i najbardziej kontrowersyjnej idei, zgodnie z którą ostateczna rzeczywistość ma charakter czysto matematyczny. Taka teza sprawia, że dobrze wszystkim znane pojęcia, takie jak przypadkowość, złożoność, a nawet zmienność, stają się jedynie złudzeniami. Wynika też z tego możliwość istnienia czwartego, ostatniego poziomu wszechświatów równoległych. W rozdziale 13 podsumujemy naszą podróż, wracając do domu i zastanawiając się, co to wszystko oznacza dla przyszłości życia we Wszechświecie, dla całej ludzkości i każdego z nas z osobna. Na rycinie 1.3 zamieściłem plan naszej podróży z krótkimi wskazówkami na temat poszczególnych rozdziałów. Czeka nas fascynująca podróż. Ruszamy w drogę!

Ryc. 1.3. Jak należy czytać tę książkę. Jeśli przeczytaliście już wiele książek popularnonaukowych i wydaje się wam, że dobrze rozumiecie zakrzywienie przestrzeni, Wielki Wybuch, kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, ciemną energię, mechanikę kwantową itp., to możecie pominąć rozdziały 2, 3, 4 i 7, ograniczając się jedynie do przejrzenia podrozdziałów „Jednym zdaniem” zamieszczonych na końcu każdego z nich. Jeśli zajmujecie się zawodowo fizyką, możecie również pominąć rozdział 5. Nie zapominajcie jednak, że niektóre znajomo brzmiące pojęcia są zadziwiająco złożone i jeśli nie potraficie odpowiedzieć na pytania 1–16 z rozdziału 2, to powinniście przeczytać wstępne rozdziały, ponieważ dalsza część książki bazuje na wyjaśnionych w nich terminach.

JEDNYM ZDANIEM

- Moim zdaniem najważniejszą rzeczą, jaką fizyka może nam powiedzieć na temat ostatecznej natury rzeczywistości, jest to, że jest ona zupełnie inna, niż nam się wydaje.
- W pierwszej części książki udamy się w podróż w dal i zbadamy rzeczywistość fizyczną w największych skalach, od planet po gwiazdy, galaktyki, supergromady, cały Wszechświat i dwie możliwe wersje wszechświatów równoległych.
- W drugiej części książki zajrzymy w głąb materii i poznamy rzeczywistość fizyczną w najmniejszych skalach, omówimy atomy i ich elementy składowe, a na koniec wspomnimy o trzecim poziomie wszechświatów równoległych.
- W trzeciej części książki spojrzymy na wszystko z szerszej perspektywy i spróbujemy poznać ostateczną naturę tej dziwnej fizycznej rzeczywistości. Rozważymy intrygującą możliwość, że rzeczywistość ma charakter czysto matematyczny, a mówiąc ściślej, że jest matematyczną strukturą stanowiącą czwarty i ostatni poziom wszechświatów równoległych.
- Różni ludzie w różny sposób rozumieją rzeczywistość. Dla mnie słowo to oznacza ostateczną naturę zewnętrznego świata fizycznego, którego jesteśmy częścią, i już od najmłodszych lat czuję w sobie ogromne pragnienie, by jak najlepiej ją zrozumieć.
- Ta książka jest osobistą relacją z badań natury rzeczywistości – zapraszam wszystkich do odbycia wspólnej podróży!

1 William Shakespeare, Hamlet, przeł. Stanisław Barańczak, Wydawnictwo „Znak”, Kraków 2002, s. 52 (przyp. tłum.).

2 Czasami taka rozmowa zaczyna się od riposty: „O, astrologią?! Jestem spod znaku Wagi”. Gdy natomiast udzieliłem kiedyś dokładniejszej odpowiedzi i powiedziałem, że zajmuję się kosmologią, to usłyszałem: „O, kosmetologią?!”, a potem padły pytania o cienie do powiek i maseczki.

3 Richard Feynman, Feynmana wykłady z fizyki, tom 1.1, przeł. Zofia Królikowska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2014, s. 3 (przyp. tłum.).Ciąg dalszy dostępny w pełnej, płatnej wersji

Pełny spis treści:

WSTĘP

Rozdział 1. Czym jest rzeczywistość?

NIE TO, CO SIĘ WYDAJE

JAK BRZMI OSTATECZNE PYTANIE?

ROZPOCZYNAMY PODRÓŻ

JEDNYM ZDANIEM

CZĘŚĆ I: PODRÓŻ W DAL

Rozdział 2. Nasze miejsce w przestrzeni

KOSMICZNE PYTANIA

JAK DUŻA JEST PRZESTRZEŃ?

ROZMIAR ZIEMI

ODLEGŁOŚĆ DO KSIĘŻYCA

ODLEGŁOŚĆ DO SŁOŃCA I PLANET

ODLEGŁOŚĆ DO GWIAZD

ODLEGŁOŚĆ DO GALAKTYK

CZYM JEST PRZESTRZEŃ?

JEDNYM ZDANIEM

Rozdział 3. Nasze miejsce w czasie

SKĄD SIĘ WZIĄŁ UKŁAD SŁONECZNY?

SKĄD SIĘ WZIĘŁY GALAKTYKI?

SKĄD SIĘ WZIĘŁO TAJEMNICZE PROMIENIOWANIE MIKROFALOWE?

SKĄD WZIĘŁY SIĘ ATOMY?

JEDNYM ZDANIEM

Rozdział 4. Nasz Wszechświat w liczbach

KOSMOLOGIA PRECYZYJNA PILNIE POSZUKIWANA

DOKŁADNE POMIARY FLUKTUACJI KOSMICZNEGO PROMIENIOWANIA TŁA

GRUPOWANIE SIĘ GALAKTYK

OSTATECZNA MAPA WSZECHŚWIATA

SKĄD WZIĄŁ SIĘ WIELKI WYBUCH?

JEDNYM ZDANIEM

Rozdział 5. Nasze kosmiczne pochodzenie

NA CZYM POLEGA PROBLEM Z WIELKIM WYBUCHEM?

JAK DZIAŁA INFLACJA

NIEWYCZERPANE BOGACTWO

WIECZNA INFLACJA

JEDNYM ZDANIEM

Rozdział 6. Witajcie w multiwszechświecie

MULTIWSZECHŚWIAT POZIOMU I

MULTIWSZECHŚWIAT POZIOMU II

CHWILA ODDECHU I PODSUMOWANIE

JEDNYM ZDANIEM

CZĘŚĆ II: PODRÓŻ W GŁĄB

Rozdział 7. Kosmiczne klocki lego

ATOMOWE KLOCKI LEGO

JĄDROWE KLOCKI LEGO

KLOCKI LEGO FIZYKI CZĄSTEK

MATEMATYCZNE KLOCKI LEGO

FOTONOWE KLOCKI LEGO

PONAD PRAWEM?

KWANTY I TĘCZE

FALOWANIE

KWANTOWE DZIWACTWA

RÓŻNICE ZDAŃ

DZIWNOŚCI NIE MOŻNA OGRANICZYĆ

KWANTOWE ZAMIESZANIE

JEDNYM ZDANIEM

Rozdział 8. Multiwszechświat poziomu III

MULTIWSZECHŚWIAT POZIOMU III

UŁUDA PRZYPADKOWOŚCI

KWANTOWA CENZURA

SŁODKIE UCZUCIE ODKRYCIA AMERYKI

DLACZEGO MÓZG NIE JEST KWANTOWYM KOMPUTEREM

PODMIOT, OBIEKT I OTOCZENIE

KWANTOWE SAMOBÓJSTWO

KWANTOWA NIEŚMIERTELNOŚĆ?

ZJEDNOCZONE MULTIWSZECHŚWIATY

RÓŻNE SPOJRZENIA: WIELE ŚWIATÓW CZY WIELE SŁÓW?

JEDNYM ZDANIEM

CZĘŚĆ III: SPOJRZENIE Z BOKU

Rozdział 9. Rzeczywistość zewnętrzna, wewnętrzna i uzgodniona

RZECZYWISTOŚĆ ZEWNĘTRZNA I WEWNĘTRZNA

PRAWDA, CAŁA PRAWDA I TYLKO PRAWDA

RZECZYWISTOŚĆ UZGODNIONA

FIZYKA: ŁĄCZNIK MIĘDZY RZECZYWISTOŚCIĄ ZEWNĘTRZNĄ I UZGODNIONĄ

JEDNYM ZDANIEM

Rozdział 10. Rzeczywistość fizyczna i matematyczna

WSZĘDZIE MATEMATYKA!

HIPOTEZA MATEMATYCZNEGO WSZECHŚWIATA

JEDNYM ZDANIEM

Rozdział 11. Czy czas jest iluzją?

CZY FIZYCZNA RZECZYWISTOŚĆ MOŻE BYĆ MATEMATYCZNA?

CZYM JESTEŚMY?

GDZIE JESTEŚMY? (I CO POSTRZEGAMY?)

KIEDY JESTEŚMY?

JEDNYM ZDANIEM

Rozdział 12. Multiwszechświat poziomu IV

DLACZEGO WIERZĘ W MULTIWSZECHŚWIAT POZIOMU IV

BADANIE MULTIWSZECHŚWIATA POZIOMU IV: CO TAM JEST?

WNIOSKI WYNIKAJĄCE Z MULTIWSZECHŚWIATA POZIOMU IV

CZY JESTEŚMY CZĘŚCIĄ SYMULACJI?

ZWIĄZEK MIĘDZY HIPOTEZĄ MATEMATYCZNEGO WSZECHŚWIATA, MULTIWSZECHŚWIATEM POZIOMU IV I INNYMI HIPOTEZAMI

WERYFIKACJA MULTIWSZECHŚWIATA POZIOMU IV

JEDNYM ZDANIEM

Rozdział 13. Życie, Wszechświat i cała reszta

JAK DUŻA JEST NASZA FIZYCZNA RZECZYWISTOŚĆ?

PRZYSZŁOŚĆ FIZYKI

PRZYSZŁOŚĆ WSZECHŚWIATA – JAK BĘDZIE WYGLĄDAŁ JEGO KONIEC?

PRZYSZŁOŚĆ ŻYCIA

NASZA PRZYSZŁOŚĆ – CZY JESTEŚMY BEZ ZNACZENIA?

JEDNYM ZDANIEM

PODZIĘKOWANIA

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA