Podstawy - ebook

Dla Betsy:

OBJAWIENIA

Zgodne roje cząstek przędą

Misterne wzory naszego życia.

Narodziny, nauka, miłość, nieubłagana starość –

Niezasłużone dary, nieuznawane granice.

Przestrzeń rośnie w ciszy, poza naszym zasięgiem.

Ciała niebieskie, rozrzucone z rzadka,

Świecą, wierne idealnym prawom.

Nie znają języka pieśni śpiewanych przy kołysce.

Czas to zmiana, wszystkich dosięga tak samo.

W pradawnych szczątkach widzimy jego bezkres,

A doskonałe zegary świadczą o jego mocy.

Czas był przed nami i po nas zostanie.

Gdy w swym umyśle stale stwarzam świat na nowo,

Zawsze najbliżej będę, ukochana, z Tobą.Przedmowa: zrodzeni na nowo

I

Ta książka opowiada o podstawowych prawdach, które możemy odkryć, badając fizyczny świat. Znam wiele osób, które ciekawi wszystko, co nas otacza, i chciałyby się dowiedzieć, co na ten temat ma do powiedzenia współczesna fizyka. Są wśród nich prawnicy, lekarze, artyści, uczniowie, nauczyciele, rodzice, jednym słowem, zwyczajni ludzie zainteresowani rzeczywistością. Niewątpliwie są inteligentni, ale brakuje im wiedzy. Zawsze starałem się przekazywać najważniejsze przesłanie nowoczesnej fizyki możliwie najprościej, ale w taki sposób, by nie ucierpiała na tym dokładność moich wyjaśnień. Pisząc tę książkę, miałem przed oczami moich ciekawych świata znajomych i przypominałem sobie ich dociekliwe pytania.

Uważam, że podstawowe prawdy nie ograniczają się wyłącznie do suchych faktów opisujących, jak działa fizyczny świat. Nie ulega wątpliwości, że fakty te są bardzo ważne i na swój sposób piękne, ale równie wielkim osiągnięciem jest tok rozumowania, który pozwolił nam je odkryć. Musimy przy tym pamiętać, że te podstawowe prawdy mówią również o tym, jak my, ludzie, wpisujemy się w szerszą rzeczywistość.

II

Przyjąłem, że takie podstawowe prawdy obejmują dziesięć obszernych zasad. Każdej z nich poświęciłem oddzielny rozdział. W poszczególnych rozdziałach najpierw wyjaśniam główny temat i opisuję go z różnych perspektyw, a następnie próbuję przewidzieć, jak może się potoczyć dalszy rozwój danej dziedziny. Popuszczając wodze fantazji, doskonale się bawiłem i mam nadzieję, że rozmyślania na ten temat dostarczą czytelnikom równie wiele satysfakcji. W ten sposób chciałem przekazać jeszcze jedną podstawową prawdę, a mianowicie to, że nasze rozumienie świata fizycznego nieustannie się powiększa i zmienia. Przypomina pod tym względem żywą istotę.

Starałem się wyraźnie oddzielać domysły od faktów i w tym drugim przypadku zawsze wskazywać, jaka jest natura obserwacji i doświadczeń, które pozwoliły je ustalić. Najbardziej podstawowe przesłanie jest bowiem takie, że udało się nam zrozumieć wiele aspektów świata fizycznego na bardzo głębokim poziomie. Jak ujął to Albert Einstein, „sam fakt, że jest zrozumiały, stanowi prawdziwy cud”. To również jest odkrycie okupione ogromnym wysiłkiem.

Właśnie dlatego, że możliwość zrozumienia fizycznego Wszechświata jest tak zaskakująca, musimy udowodnić, iż faktycznie go rozumiemy – nie wystarczy przyjąć to jako założenie. Najbardziej przekonującym dowodem jest fakt, że nasza wiedza, choć wciąż niepełna, pozwoliła nam zrealizować wielkie i wspaniałe cele.

W swoich badaniach staram się zapełniać luki w naszej wiedzy i wymyślać nowe doświadczenia, które pozwolą poszerzać obszar tego, co jest możliwe. Pisanie tej książki było dla mnie okazją do chwili refleksji, dzięki czemu mogłem z dużą przyjemnością przypomnieć sobie największe, najwspanialsze osiągnięcia, które są owocem wysiłków wielu pokoleń uczonych i inżynierów współpracujących ze sobą w przestrzeni i czasie.

III

Podstawy mogą również stanowić alternatywę dla tradycyjnych, ortodoksyjnych systemów religijnych. W książce tej podejmuję wiele zasadniczych pytań stawianych na gruncie religii, ale szukając na nie odpowiedzi, analizuję fizyczną rzeczywistość, a nie święte teksty czy tradycje.

Wielu moich bohaterów naukowych – Galileusz, Johannes Kepler, Isaac Newton, Michael Faraday, James Clerk Maxwell – należało do gorliwych chrześcijan. (Pod tym względem byli przedstawicielami swoich czasów i otoczenia). Uważali, że mogą zbliżyć się do Boga i oddać mu cześć, badając Jego dzieło. Einstein, choć nie był religijny w konwencjonalnym znaczeniu tego słowa, miał podobne podejście. Często odwoływał się do Boga (czy też raczej do „Starca”, jak Go nazywał), o czym świadczy na przykład jedno z jego najsłynniejszych powiedzeń: „Pan Bóg jest wyrafinowany, ale nie złośliwy”.

Duch ich działań – i moich w tej książce – wykracza poza określone dogmaty, nieważne, czy religijne, czy antyreligijne. Zwykłem wyrażać to następującym stwierdzeniem: badając, jak działa świat, próbujemy ustalić, jak działa Bóg, i tym samym dowiadujemy się, czym On jest. Przyjmując taki punkt widzenia, możemy powiedzieć, że poszukiwanie wiedzy jest pewną formą kultu religijnego, a odkrycia są objawieniami.

IV

Ta książka zmieniła mój sposób patrzenia na świat. W pierwotnym zamierzeniu Podstawy miały być opisem naszej wiedzy, ale szybko przerodziły się w kontemplację. Gdy zastanawiałem się nad jej zawartością, zupełnie nieoczekiwanie dostrzegłem dwa tematy przewodnie. Zdumiało mnie, że są tak wyraźne i głębokie.

Pierwszym z nich jest obfitość. Świat jest ogromny. Oczywiście wystarczy spojrzeć w niebo w bezchmurną noc, by się przekonać, że „tam dalej” rozciągają się rozległe połacie przestrzeni. Gdy po uważniejszym zbadaniu wyrazimy ten ogrom za pomocą liczb, otrzymamy wartości, które zwyczajnie nie mieszczą nam się w głowie. Jednak wielkość przestrzeni stanowi tylko jeden z wielu aspektów obfitości Natury i wcale nie ma największego znaczenia dla doświadczenia każdego z nas.

Jak to bowiem ujął Richard Feynman, „na dole jest mnóstwo miejsca”. Ludzkie ciało zawiera o wiele więcej atomów, niż istnieje gwiazd w obserwowalnym Wszechświecie, a liczba neuronów w mózgu jest niemal taka sama jak liczba gwiazd w naszej Galaktyce. Wszechświat wewnętrzny jest godnym dopełnieniem Wszechświata rozciągającego się na zewnątrz.

To, co dotyczy przestrzeni, odnosi się też do czasu. Czas kosmiczny jest nieprzebrany. Jego połać rozciągająca się wstecz do Wielkiego Wybuchu całkowicie przyćmiewa czas ludzkiego życia. Mimo to, jak jeszcze nieraz podkreślimy, czas życia pojedynczego człowieka zawiera więcej świadomych chwil, niż można pomieścić żywotów ludzkich w historii Wszechświata. Zostaliśmy obdarzeni darem obfitości czasu wewnętrznego.

Świat fizyczny również obfituje w niewykorzystane do tej pory możliwości stwarzania i postrzegania. Dzięki odkryciom naukowym wiemy, że w naszym najbliższym otoczeniu znajduje się o wiele więcej energii i użytecznych materiałów w znanej i dostępnej postaci, niż potrafimy to obecnie wykorzystać. Świadomość tego faktu napełnia nas otuchą i pozwala stawiać sobie jeszcze ambitniejsze cele.

Za pomocą naszych zmysłów możemy dostrzec zaledwie kilka skrawków obszernej rzeczywistości, którą ukazują badania naukowe. Weźmy na przykład wzrok. Zmysł wzroku jest naszym najszerszym i najważniejszym oknem na świat zewnętrzny. A jednak tak wielu rzeczy nie możemy dostrzec! Teleskopy i mikroskopy ukazują ogromne bogactwo informacji zawartej w świetle, które w normalnych warunkach wpada do naszych oczu, nie zostawiając po sobie żadnego śladu. Co więcej, ludzki wzrok obejmuje tylko jedną oktawę – zakres fal światła widzialnego – nieskończonej skali muzycznej promieniowania elektromagnetycznego, które rozciąga się od fal radiowych przez mikrofale po podczerwień po jednej stronie i od nadfioletu po promieniowanie rentgenowskie i promienie gamma po drugiej. W dodatku nawet w ramach tej pojedynczej oktawy nasze postrzeganie barw jest niedoskonałe. Choć zmysły nie pozwalają nam dostrzec wielu aspektów rzeczywistości, to jednak dzięki umysłowi możemy wyjść poza te naturalne ograniczenia. Poszerzanie horyzontów naszego postrzegania jest wspaniałą, nigdy niekończącą się przygodą.

V

Drugim tematem przewodnim książki jest konieczność uświadomienia sobie tego, że jeśli chcemy w pełni docenić fizyczny Wszechświat, to musimy się „urodzić na nowo”.

Gdy zaczynałem pracę nad książką, na świat przyszedł mój wnuk Luke. Podczas pisania wstępnej wersji obserwowałem pierwsze miesiące jego życia. Przyglądałem się, jak z szeroko otwartymi oczami bada własne dłonie i zaczyna sobie uświadamiać, że sprawuje nad nimi kontrolę. Widziałem, jak z ogromną radością uczy się sięgać po przedmioty w świecie zewnętrznym. Byłem świadkiem, jak przeprowadza z nimi pierwsze doświadczenia. Jak upuszcza je, a potem ich szuka, a następnie powtarza wszystko od początku (a potem jeszcze raz i jeszcze raz…), jak gdyby wcale nie był pewien wyniku, a za każdym razem po ich znalezieniu wybucha radosnym śmiechem.

Wykonując takie i inne doświadczenia, Luke budował własny model świata. Podchodził do tego z niezaspokojoną ciekawością i bez większych uprzedzeń. Oddziałując ze światem, dowiadywał się rzeczy, które niemal wszyscy dorośli uważają za oczywiste. Uświadomił sobie na przykład, że świat dzieli się na „ja” i „nie-ja”, że myśli mogą sterować ruchami „ja”, ale nie mają wpływu na „nie-ja”, i że możemy oglądać różne przedmioty, nie zmieniając ich właściwości.

Dzieci są jak uczeni: wykonują doświadczenia i wyciągają z nich wnioski. Jednak przeprowadzane przez nie eksperymenty są z punktu widzenia współczesnej nauki dość prymitywne. Obywają się bez teleskopów, mikroskopów, spektroskopów, magnetometrów, akceleratorów cząstek, zegarów atomowych i wszystkich innych przyrządów, które pomagają nam w budowie najprawdziwszych, najdokładniejszych modeli świata. Wykonując te doświadczenia, dzieci mają dostęp do niewielkiego zakresu temperatur, są zanurzone w atmosferze o bardzo szczególnym składzie chemicznym i ciśnieniu, podlegają przyciąganiu ziemskiej grawitacji (one i wszystko w ich otoczeniu), opierają się na powierzchni Ziemi… i tak dalej.

Małe dzieci tworzą model świata wyjaśniający to, czego doświadczają w granicach ich postrzegania i środowiska. Z praktycznego punktu widzenia jest to bez wątpienia dobry plan. Aby móc sobie radzić w otaczającym nas świecie, wystarczy, że we wczesnej młodości nauczymy się, jak działa otaczający nas świat – trudno temu zaprzeczyć.

Jednak współczesna nauka odkrywa przed nami świat fizyczny, który zupełnie nie pasuje do modelu wyniesionego z dzieciństwa. Jeśli ponownie otworzymy się na świat, przepełnieni ciekawością i pozbawieni uprzedzeń – jeśli pozwolimy sobie urodzić się na nowo – to zrozumiemy go zupełnie inaczej.

Niektórych rzeczy musimy się nauczyć. Nasz świat jest zbudowany z kilku podstawowych elementów, które zachowują się zgodnie z dziwnymi i nieoczywistymi zasadami.

Niektórych rzeczy trzeba się jednak „oduczyć”.

Z mechaniki kwantowej wynika, że nie da się wykonywać obserwacji bez wpływu na badany przedmiot. Każda osoba odbiera ze świata zewnętrznego niepowtarzalną wiadomość. Wyobraźmy sobie, że razem z przyjacielem obserwujemy w bardzo ciemnym pokoju jakieś słabe źródło światła. Powoli zmniejszamy jego natężenie, na przykład przykrywając lampę kolejnymi warstwami tkaniny. W końcu do naszych oczu będą dobiegały jedynie sporadyczne błyski. Jednak zarówno my, jak i nasz przyjaciel zobaczymy te błyski w różnych chwilach. Światło uległo rozbiciu na pojedyncze kwanty, a kwantów nie można już dzielić. Na takim podstawowym poziomie każdy z nas widzi inny świat.

Specjaliści od psychofizyki ustalili, że większością naszych działań wcale nie kieruje świadomość, a jedynie docierają do niej raporty z realizacji procesów, którymi sterują nieświadome obszary umysłu, wykonujące całą pracę. Wykorzystując technikę znaną jako przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (w skrócie TMS, od ang. transcranial magnetic stimulation), naukowiec wykonujący doświadczenie może zupełnie dowolnie pobudzać ośrodki ruchu znajdujące się po lewej lub prawej stronie mózgu pacjenta. Odpowiednio ukształtowany sygnał TMS doprowadzony do prawego ośrodka ruchu spowoduje drgnięcie lewego nadgarstka, natomiast właściwy sygnał doprowadzony do mózgu po lewej stronie wywoła ruch prawego nadgarstka. Alvaro Pascual-Leone wykorzystał tę technikę w bardzo pomysłowy sposób do przeprowadzenia prostego doświadczenia, z którego płyną ważne wnioski. Poprosił badane osoby, by po usłyszeniu komendy zdecydowały, czy chcą poruszyć prawym, czy lewym nadgarstkiem. Potem, po usłyszeniu kolejnego polecenia, miały wykonać zaplanowany wcześniej ruch. Uczestnicy eksperymentu znajdowali się w urządzeniu do neuroobrazowania, badacze mogli więc oglądać, jak ośrodek ruchu każdego pacjenta przygotowuje się do poruszenia nadgarstkiem. Gdy badana osoba podejmowała decyzję, że poruszy prawą ręką, uaktywniał się lewy ośrodek ruchu mózgu, jeśli natomiast zamierzała poruszyć lewym nadgarstkiem, na ekranie rozświetlał się prawy ośrodek ruchu. Dzięki temu badacze mogli zobaczyć, jakiego wyboru dokonał pacjent, jeszcze zanim wykonał jakikolwiek ruch.

W tym miejscu następuje niespodziewany zwrot akcji. Otóż Pascual-Leone od czasu do czasu wysyłał sygnał TMS odwrotny do tego, co wybrał pacjent. I okazuje się, że taki sztuczny sygnał przeważał nad wyborem pacjenta. W efekcie pacjent wykonywał taki ruch, jaki został mu narzucony przez sygnał TMS, a nie taki, jaki pierwotnie zaplanował. Najciekawsze jest tutaj to, w jaki sposób pacjenci wyjaśniali, co się wydarzyło. Wcale nie twierdzili, że jakaś zewnętrzna siła przejęła kontrolę nad ich ciałem. Mówili jedynie: „Zmieniłem zdanie”.

Szczegółowe badania tego zagadnienia pozwoliły ustalić, że wbrew temu, co podpowiada nam intuicja, ludzkie ciało i mózg – czyli fizyczna podstawa naszego „ja” – są zbudowane z tych samych elementów co „nie-ja” i najwyraźniej istnieje między nimi ciągłość.

Gdy w wieku niemowlęcym próbujemy jak najszybciej zrozumieć wszystko, co nas otacza, wytwarzamy mylny obraz świata i samych siebie. Próbując osiągnąć głębsze zrozumienie, musimy więc nie tylko dużo się nauczyć, lecz także wiele „oduczyć”.

VI

Proces rodzenia się na nowo może wywoływać dezorientację, ale podobnie jak przejażdżka na kolejce górskiej może też być niezwykle pobudzający. Pozwala również liczyć na wspaniały dar: dla tych, którzy urodzą się na nowo w duchu nauki, świat staje się świeżym, klarownym i niezwykle bogatym miejscem. Takie osoby doświadczają tego, co tak wspaniale opisał William Blake:

Zobaczyć świat w ziarenku piasku,

Niebiosa w jednym kwiecie z lasu.

W ściśniętej dłoni zamknąć bezmiar,

W godzinie – nieskończoność czasu1.

1 William Blake, Wróżby niewinności William Blake, Poezje wybrane, przeł. Zygmunt Kubiak, Ludowa Spółdzielnia Wydawnicza, Warszawa 1991, s. 131 (przyp. tłum.).Wprowadzenie

I

Wszechświat to dziwne miejsce.

Noworodkom świat jawi się jako mieszanina trudnych do rozszyfrowania wrażeń. Próbując je uporządkować, dzieci szybko uczą się odróżniać informacje docierające ze świata wewnętrznego od sygnałów dochodzących z zewnątrz. W świecie wewnętrznym mieszczą się uczucia, takie jak głód, ból, zadowolenie i senność, a także nierealne królestwo snów. Tutaj też rodzą się myśli, które kierują wzrokiem, ruchem, a wkrótce również mową małego dziecka.

Interpretacja świata zewnętrznego wymaga użycia złożonej konstrukcji intelektualnej. Małe dziecko poświęca wiele czasu, by ją zbudować. Uczy się rozpoznawać powtarzające się wzorce wrażeń zmysłowych, na które, w przeciwieństwie do własnego ciała, nie może wpływać myślami. Zaczyna kojarzyć konkretne wzorce z poszczególnymi obiektami. Później przekonuje się, że obiekty te zachowują się w dość przewidywalny sposób.

Z biegiem czasu dziecko uświadamia sobie, że niektóre z tych obiektów są podobne do niego, że są istotami, z którymi można się porozumieć. Wymieniając się z nimi informacją, nabiera przeświadczenia, że one również muszą mieć dostęp do własnego świata wewnętrznego i zewnętrznego oraz, co ciekawe, że mają wiele podobnych cech i zachowują się zgodnie z takimi samymi regułami.

II

Uświadomienie sobie, w jaki sposób możemy wpływać na wspólny świat zewnętrzny – czyli innymi słowy, na świat fizyczny – jest oczywiście niezwykle ważnym i złożonym problemem praktycznym. Aby na przykład przeżyć w społeczności zbieracko-łowieckiej, nasze dziecko będzie się musiało nauczyć, gdzie można znaleźć wodę, które rośliny i zwierzęta nadają się do jedzenia, a także opanować sztukę tropienia zwierzyny i polowania. Oprócz tego musi nauczyć się gotować posiłki oraz poznać wiele innych faktów i umiejętności.

W bardziej złożonych społecznościach pojawiają się inne wyzwania, takie jak wytwarzanie specjalistycznych narzędzi, wznoszenie trwałych budowli i śledzenie upływu czasu. Członkowie wspólnoty przekazują kolejnym pokoleniom nowo odkryte rozwiązania problemów, jakie stawia przed nami świat fizyczny, i tak powstaje stale powiększający się zasób wiedzy praktycznej. W ten sposób każde społeczeństwo tworzy własną „technologię”.

Społeczeństwa przedindustrialne często miały bogaty i złożony zasób różnych technologii. Niektóre z tych rozwiązań pozwalały – i nadal pozwalają – przeżyć w nieprzyjaznym środowisku, takim jak Arktyka czy pustynia Kalahari. Inne były niezbędne do wzniesienia wielkich miast i zbudowania imponujących zabytków, takich jak piramidy w Egipcie i Mezoameryce.

Mimo to na przestrzeni niemal całej historii ludzkości przed pojawieniem się metody naukowej rozwój techniki przebiegał w sposób dość chaotyczny. Nowe rozwiązania techniczne odkrywano najczęściej przypadkiem. Gdy już udało się opracować jakąś działającą technikę, przekazywano ją następnym pokoleniom w postaci bardzo ścisłych procedur, rytuałów i zwyczajów. Rozwiązania te nie tworzyły żadnego logicznego systemu, nie podejmowano też systematycznego wysiłku w celu ich ulepszenia.

Technologie oparte na „zdrowym rozsądku” pozwoliły ludziom przeżyć, rozmnażać się, a nierzadko nawet korzystać z czasu wolnego i osiągnąć spełnienie. Dla większości ludzi żyjących w różnych kulturach na przestrzeni dziejów było to w zupełności wystarczające. Ludzie ci nie mogli przecież wiedzieć, że w ich życiu czegoś brakuje, nie zdawali sobie też sprawy z tego, że to, czego nie mają, mogłoby być dla nich ważne.

Obecnie wiemy, że nie mieli bardzo wielu rzeczy. Poniższy wykres, pokazujący wzrost wydajności ludzkiej pracy w funkcji czasu, mówi sam za siebie i nie wymaga komentarza.

III

Nowoczesna metoda badania świata zrodziła się w Europie w XVII stuleciu. Wcześniej w różnych miejscach świata pojawiały się pierwsze przejawy takiego podejścia, ale dopiero całe mnóstwo przełomowych odkryć, znanych ogólnie jako rewolucja naukowa, stał się inspirującym przykładem tego, co może osiągnąć ludzki umysł, jeśli podejdzie do świata fizycznego w sposób twórczy. Metody i koncepcje, które doprowadziły do tych przełomowych odkryć, przekształciły się w jasne modele pokazujące, jak należy prowadzić badania w przyszłości. Za sprawą tego impulsu powstała nauka taka, jaką znamy. Świat zmienił się na dobre.

W wieku XVII nastąpił niespotykany do tej pory rozwój techniki i teorii na wielu frontach, między innymi na polu projektowania maszyn i okrętów, urządzeń optycznych (w tym pierwszych mikroskopów i teleskopów), zegarów i kalendarzy. Bezpośrednim skutkiem tych zmian było to, że ludzie mogli korzystać z urządzeń o większej mocy, więcej zobaczyć i w bardziej przewidywalny sposób kierować swoim życiem. Jednak rewolucja naukowa okazała się jedyna w swoim rodzaju i w pełni zasłużyła na swoją nazwę za sprawą czegoś, co jest nienamacalne. Tym kluczowym czynnikiem była zmiana podejścia: pojawienie się nowej ambicji, nowej pewności siebie.

Metoda Keplera, Galileusza i Newtona łączy w sobie pokorne podejście, wymagające godzenia się faktami i pilnego obserwowania Natury, z systematycznym zuchwalstwem, polegającym na bezpardonowym wykorzystywaniu wszystkiego, czego udało się nam dowiedzieć, i stosowaniu nowych rozwiązań wszędzie, gdzie się da, nawet w sytuacjach, które wykraczają poza obszar usankcjonowany zebranymi dowodami. Jeśli taki śmiały krok się uda, to odkryjemy coś użytecznego; jeśli nie – to przynajmniej dowiemy się czegoś ważnego. Takie podejście nazywam radykalnym konserwatyzmem i w moim odczuciu jest ono podstawową zdobyczą rewolucji naukowej.

Radykalny konserwatyzm jest zachowawczy, ponieważ wymaga uważnego badania Natury i liczenia się z faktami – są to kluczowe aspekty ogólnie rozumianej metody naukowej. Jest jednak również radykalny, ponieważ każe nam maksymalnie wykorzystywać zdobytą wiedzę. Ta zasada również odgrywa istotną rolę w badaniach naukowych. To dzięki niej nauka wytrwale brnie do przodu.

IV

Inspiracją do pojawienia się takiego nowego podejścia były przede wszystkim odkrycia w dziedzinie, która już w XVII stuleciu była dobrze ugruntowana i rozwinięta, a mianowicie w mechanice nieba, zajmującej się opisem wyglądu i ruchu ciał niebieskich.

Już od czasów prehistorycznych ludzie dostrzegają takie prawidłowości, jak zmiana cyklu dnia i nocy, następstwo pór roku, fazy Księżyca i uporządkowany ruch gwiazd. Wraz z pojawieniem się rolnictwa kluczowego znaczenia nabrała umiejętność drobiazgowego śledzenia pór roku, ponieważ dzięki temu można było zaplanować zasiew i żniwa w najlepszej porze. Kolejną ważną, choć chybioną motywacją do prowadzenia dokładnych obserwacji była wiara w astrologię, czyli przekonanie, że ludzkie życie jest bezpośrednio powiązane z rytmem kosmosu. Tak czy inaczej, wiele różnych czynników – włącznie ze zwyczajną ciekawością – sprawiło, że ludzie zaczęli uważniej patrzeć w niebo.

Okazało się, że ogromna większość gwiazd porusza się w dość prosty, przewidywalny sposób. Obecnie wiemy, że ich pozorny ruch wynika z ruchu obrotowego Ziemi wokół jej osi. Tak zwane gwiazdy stałe znajdują się tak daleko, że względnie niewielkie zmiany ich odległości, wynikające z własnego ruchu tych obiektów lub z ruchu Ziemi wokół Słońca, są niezauważalne, gdy patrzymy na nie gołym okiem. Jednak kilka wyjątkowych ciał niebieskich – Słońce, Księżyc i nieliczne „gwiazdy błądzące”, do których zaliczano widoczne gołym okiem planety, czyli Merkurego, Wenus, Marsa, Jowisza i Saturna – nie zachowuje się w taki sposób.

Starożytni astronomowie przez wiele pokoleń zapisywali położenie tych szczególnych ciał niebieskich i w końcu nauczyli się przewidywać ich ruch z dość dużą dokładnością. Wymagało to przeprowadzenia obliczeń z zakresu geometrii i trygonometrii z wykorzystaniem skomplikowanych, ale jednoznacznie określonych wzorów. Ptolemeusz (ok. 100–170) zebrał cały ten materiał w jednym dziele matematycznym, które jest znane jako Almagest. (Słowo magest to zniekształcony grecki przymiotnik w stopniu najwyższym oznaczający „największy”. Takie samo pochodzenie ma na przykład słowo „majestat”. Przedrostek al jest natomiast arabskim przedimkiem określonym).

Synteza Ptolemeusza była wspaniałym osiągnięciem, ale miała dwie wady. Pierwszą była jej złożoność i wynikający z tego brak elegancji opisanych metod. W szczególności we wzorach służących do obliczania ruchu planet występowało wiele liczb, których wartość należało wyznaczyć, dopasowując obliczenia do obserwacji, bez jakichkolwiek głębszych zasad umożliwiających ich wyprowadzenie. Mikołaj Kopernik (1473–1543) zauważył jednak, że wartości niektórych z tych liczb są ze sobą powiązane w zaskakująco prosty sposób. Te z pozoru tajemnicze, „przypadkowe” związki można było wyjaśnić na gruncie geometrii, jeśli tylko przyjęło się założenie, że Ziemia razem z Wenus, Marsem, Jowiszem i Saturnem obraca się wokół Słońca, które znajduje się w środku (a Księżyc obraca się wokół Ziemi).

Druga wada syntezy Ptolemeusza miała charakter o wiele bardziej bezpośredni, ponieważ okazało się, że zawarte w niej wzory są po prostu niedokładne. Wyprzedzając swoją epokę i pojawienie się dzisiejszej „wielkiej nauki”, Tycho Brahe (1546–1601) skonstruował skomplikowane przyrządy i wybudował kosztowne obserwatorium, dzięki czemu mógł śledzić ruch planet z dużo większą dokładnością. W wynikach jego obserwacji wyraźnie było widać odchylenia od przewidywań Ptolemeusza.

Johannes Kepler (1571–1630) postanowił opracować geometryczny model ruchu planet, który będzie prosty i dokładny. W swojej pracy uwzględnił idee Kopernika i wprowadził kilka innych ważnych zmian do modelu Ptolemeusza. W szczególności przyjął, że orbity planet krążących wokół Słońca nie muszą być doskonałymi okręgami – w jego modelu mogą one mieć kształt elips ze Słońcem w jednym z ognisk. Ponadto założył, że prędkość ruchu orbitalnego planet zmienia się z odległością od Słońca w taki sposób, iż planety zakreślają w jednakowych odstępach czasu jednakowe pole powierzchni. Po tych ulepszeniach uzyskał o wiele prostszy model, który w dodatku dawał dużo dokładniejsze przewidywania.

Tymczasem Galileusz (1564–1642) zainteresował się tym, co dzieje się na powierzchni Ziemi, i przeprowadził szczegółowe badania prostych postaci ruchu, takich jak toczenie się kuli po równi pochyłej i oscylacje wahadła. Mogłoby się wydawać, że takie przyziemne analizy, polegające na wyznaczaniu liczb oznaczających położenie i czas, będą zupełnie nieprzydatne w poszukiwaniu odpowiedzi na wielkie pytanie o to, jak działa świat. Nie ulega wątpliwości, że w oczach większości współczesnych mu uczonych, których zajmowały wielkie kwestie filozoficzne, były to działania trywialne. Jednak Galileusz chciał zdobyć wiedzę zupełnie innego rodzaju. Wolał zrozumieć coś dokładnie, niż opisać wszystko w sposób niejasny. Chciał znaleźć – i znalazł – jednoznaczne wzory matematyczne w pełni opisujące jego proste obserwacje.

Isaac Newton (1643–1727) połączył geometryczny opis ruchu planet z dynamicznym opisem ruchu ciał na Ziemi. Udowodnił, że zarówno zaproponowaną przez Keplera teorię ruchu planet, jak i przedstawioną przez Galileusza teorię szczególnych rodzajów ruchu można najlepiej wyjaśnić, jeśli przyjmiemy, że są to szczególne przypadki bardziej ogólnego prawa, które obowiązuje wszystkie ciała znajdujące się w dowolnym miejscu przestrzeni i w każdym czasie. Teoria Newtona, znana obecnie jako mechanika klasyczna, odnosiła sukces za sukcesem. Pozwoliła wyjaśnić pływy morskie na Ziemi, przewidzieć trajektorie komet i skonstruować nowe cuda techniki.

Dzieło Newtona w przekonujący sposób dowodzi, że poszukując odpowiedzi na wielkie pytania, możemy powoli konstruować rozwiązanie, jeśli wyjdziemy od szczegółowego zrozumienia najprostszych przypadków. Newton nazwał to podejście metodą analizy i syntezy. Stało się ono wzorem do naśladowania dla wszystkich uczonych prowadzących badania w duchu radykalnego konserwatyzmu.

Oto jak sam Newton opisał swoją metodę:

Jak w matematyce, tak w filozofii naturalnej badania trudnych zagadnień metodą analizy zawsze powinny poprzedzać zastosowanie metody syntezy. Taka analiza polega na przeprowadzeniu doświadczeń i obserwacji, a także na wyciągnięciu ogólnych wniosków na drodze indukcji. Dzięki temu za pomocą analizy możemy przejść od związków do składników, od ruchów do wywołujących je sił i, w ogólnym przypadku, od skutków do ich przyczyn, a także od szczególnych przypadków do bardziej ogólnych tak długo, aż argumentacja zakończy się na najogólniejszym problemie. Na tym polega metoda analizy, natomiast synteza wymaga przyjęcia, że odkryte i ustalone przyczyny odgrywają rolę zasad, za pomocą których należy wytłumaczyć wynikające z nich zjawiska i przedstawić wyjaśnienie.

V

Zanim zostawimy Newtona, warto przytoczyć jeszcze jeden cytat wyjaś­niający związek łączący go z poprzednikami, Galileuszem i Keplerem, a także z nami, którzy wiele lat później kroczymy jego śladem:

Zadanie wyjaśnienia całej natury jest zbyt trudne dla jednego człowieka, a nawet dla jednego pokolenia. O wiele lepiej jest zrobić tylko odrobinę, ale rzetelnie, i zostawić resztę dla innych, którzy przyjdą po nas.

Bliższa nam w czasie uwaga Johna R. Pierce’a, jednego z twórców współczesnej nauki o informacji, pięknie ukazuje różnice między nowoczesnym pojęciem wiedzy naukowej i innymi podejściami tego typu:

Wymagamy, by nasze teorie dokładnie zgadzały się z szerokim zakresem zjawisk, które mają wyjaśniać. I nalegamy, by wynikały z nich użyteczne wskazówki, a nie tylko uzasadnienia.

Pierce doskonale zdawał sobie sprawę, że takie wygórowane standardy wiążą się z koniecznością poniesienia dotkliwej straty. Wymagają pożegnania się z naiwnością. „Nigdy już nie zrozumiemy natury tak dobrze jak greccy filozofowie. Za dużo wiemy”. Moim zdaniem to nie jest zbyt wysoka cena. Tak czy inaczej, to bez znaczenia, ponieważ nie ma już powrotu.