Heller Michal - Poczatek jest wszedzie. Nowa hipoteza pochodzenia Wszechswiata.doc

Powrót do spisu KIPPIN
PRZEDRUK

MICHAŁ HELLER
POCZĄTEK JEST WSZĘDZIE. NOWA HIPOTEZA POCHODZENIA WSZECHŚWIATA
(wyd. orygin. 2002)

SPIS TREŚCI:

Wstęp

1. Co to jest Wszechświat?

Niebezpieczne konsekwencje
"Nasze prawa fizyczne"
Wszechświaty Lindego i Smolina
Kilka uwag metodologicznych
Nasz Wszechświat i inne wszechświaty
Konkluzje

2. Czas i historia

Względność historii
Czy istnieje globalna historia Wszechświata?
Struktura chronologiczna i przyczynowa czasoprzestrzeni
Przyczynowe patologie i istnienie globalnego czasu
Stabilna przyczynowość i struktura Lorentza
Architektura czasoprzestrzeni

3. Złośliwa natura osobliwych czasoprzestrzeni

Problem osobliwości
Natura osobliwości
Twierdzenia o istnieniu osobliwości
Zamkniecie pewnego etapu

4. Dramat początku i końca

Osobliwości – problem nadal otwarty
Krzywe ograniczonego przyspieszenia
Konstrukcja Schmidta
Kryzys

5. Demiurg i geometria

Jak wyjść z kryzysu?
Przestrzenie różniczkowe
Dlaczego czasoprzestrzenie redukują się do punktu?
Demiurg i zamknięty wszechświat Friedmana

6. Nowa geometria

Małe wielkiego początki
Nieprzemienny świat kwantów
Powstanie geometrii nieprzemiennej
Bardzo pożyteczne patologie
Geometria nieprzemienna w działaniu

7. Nieprzemienna struktura osobliwości

Nowe narzędzie
Desyngularyzacja
Jak posługiwać się nowym narzędziem?
Skąd biorą się osobliwości?

8. Nieprzemienny reżim w historii Wszechświata

Hipoteza Wczesne prace
Przestrzeń fundamentalnych symetrii
Ogólna teoria względności i mechanika kwantowa

9. Dynamika bez czasu

Niepokojące pytania
Nieprzemienna dynamika
Czas zależny od stanu
Czas i dynamika

10. Nielokalna fizyka

Empiryczne testy nieprzemiennego reżimu
Dyskusje Einsteina z Bohrem
Paradoks EPR
Nierówności Bella i doświadczenie Aspecta
Cień nieprzemienności
Początek jest wszędzie

11. Paradoks horyzontu

Wielkoskalowy ślad nieprzemienności
Standardowy model kosmologiczny
Przyczynowo rozłączne obszary
Inflacja
Paradoks czy atut?

12. Kolaps funkcji falowej

Interpretacyjne kłopoty mechaniki kwantowej
Wielkie kłopoty z pomiarem
Jak to wyjaśnić?
Rozwiązanie zagadki
Dlaczego prawdopodobieństwa?

13. Nasz model i konkurencja

Słowo przestrogi
Sukcesy i porażki teorii superstrun
M jak mystery
świat pętli
Kwestia zasad
I kwestia techniki
Okno do nowego świata

14. Na granicach metody

Lekcja filozofii
Rozumieć w głąb
Intelektualny wstrząs

15. Niedozwolony przeskok

Wielkie pytanie
Modele kwantowej kreacji
Bezczasowe światy
Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?

Posłowie
Uwagi bibliograficzne
Indeks

Spis treści / Dalej

WSTĘP

Jednym z największych osiągnięć XX wieku jest niewątpliwie stworzenie kosmologii – nauki o Wszechświecie w jego największej skali, zarówno przestrzennej, jak i czasowej. Wszechświat interesował człowieka od zawsze, ale aż do początku minionego stulecia wiedza o nim tonęła w domysłach i niepewności. Gdy zaczynał się XX wiek, nie wiedziano jeszcze na pewno, czy istnieją galaktyki i czy fizykę newtonowską można stosować poza naszym Układem Słonecznym bez żadnych "dodatkowych poprawek". Potem nastąpił gwałtowny rozwój – równolegle w teorii i obserwacjach. Istotny postęp stanowiła ogólna teoria względności i zbudowane na jej podstawie pierwsze modele kosmologiczne. To one przepowiedziały, że Kosmos nie jest tworem statycznym, lecz rozszerza się od supergęstego stanu, który – może zbyt pospiesznie – utożsamiono z początkiem Wszechświata. W tym samym mniej więcej czasie zaczęto badać pierwsze, zidentyfikowane już ponad wszelką wątpliwość, galaktyki i wkrótce Edwin Hubble ustalił, że uciekają one od siebie nawzajem z ciągle rosnącymi prędkościami. To był pierwszy ważny fakt o znaczeniu kosmologicznym – Wszechświat się rozszerza.

Druga połowa XX stulecia przyniosła dalsze osiągnięcia zarówno teoretyczne, jak i obserwacyjne. W teorii stosowano coraz bardziej wyrafinowane metody matematyczne, a dzięki ogromnemu postępowi technicznemu (era komputerów, elektroniki i sztucznych satelitów) możliwe stały się też coraz precyzyjniejsze badania obserwacyjne Wszechświata. Napływ danych – teoretycznych i obserwacyjnych – stał się tak duży, że zaczął powstawać wiarygodny obraz wielkoskalowej struktury i ewolucji Wszechświata. Przełomowym stało się odkrycie, w połowie lat sześćdziesiątych, mikrofalowego promieniowania tlą, zinterpretowanego jako pozostałość po Wielkim Wybuchu. Badanie fizycznych właściwości tego promieniowania pozwoliło kosmologom zrekonstruować procesy, jakie dokonywały się w bardzo młodym Wszechświecie. Lata siedemdziesiąte i osiemdziesiąte były świadkiem konsolidowania się standardowego modelu kosmologicznego. Ostatnia dekada stulecia przyniosła postęp w technikach obserwacyjnych, który przeszedł wszelkie oczekiwania. Misja satelity COBE i Kosmicznego Teleskopu Hubble'a – pierwszego dużego obserwatorium astronomicznego na okołoziemskiej orbicie – stały się wręcz symbolami tego postępu. Satelita COBE wykonał bardzo precyzyjne pomiary mikrofalowego promieniowania tła, co pozwoliło sporządzić mapę Wszechświata z okresu znacznie wyprzedzającego powstanie pierwszych galaktyk. Teleskop Hubble'a ciągle jeszcze dostarcza rewelacyjnych zdjęć Kosmosu; znajduje się wśród nich słynne "głębokie pole Hubble'a", na którym widać formowanie się najstarszych galaktyk. Z dużym poczuciem bezpieczeństwa możemy powiedzieć, iż przekazujemy następnym stuleciom dobrze ustalony obraz Wszechświata w Jego największej dostępnej nam skali: od bardzo gęstych, wczesnych etapów, kiedy to m.in. zadecydował się atomowy i chemiczny sktad dzisiejszego Kosmosu; poprzez fazę, w której w przestrzeni dominowało promieniowanie elektromagnetyczne; epokę powstawania galaktyk i ich gromad; aż do ery. którą możemy nazwać "kosmicznym dziś" – to w niej powstały planety i zapoczątkowana została biochemiczna ewolucja.

Nie znaczy to, oczywiście, że nie ma już problemów nierozwiązanych. Wręcz przeciwnie, działa tu prawidłowość dobrze znana z historii nauki: każda tajemnica wyrwana przyrodzie stawia nowe znaki zapytania. Ogólny obraz Wszechświata odznacza się dziś dużym stopniem wiarygodności, ale "w Jego ramach wciąż pozostaje do rozwiązania wiele kwestii technicznych. Wymienię tylko niektóre z nich: Jaki jest wiek Wszechświata? Czy Wszechświat jest "otwarty", czy "zamknięty"? Czy stała kosmologiczna różni się od zera? Czy rozszerzanie się Wszechświata przyspiesza się, czy opóźnia? Czym jest tzw. ciemna materia? Zapewne wkrótce niektóre z tych zagadek zostaną rozwiązane, a w ich miejsce pojawią się nowe. Z pewnością standardowy model czekają jeszcze kryzysy i wielkie sukcesy. Będą o nich pisać autorzy książek popularnonaukowych XXI wieku.

W tej książce interesuje mnie inny krąg zagadnień związanych z kosmologią. Oprócz problemów technicznych kosmologia zawsze miała i ma problemy filozoficzne; jest w nie uwikłana w sposób nieunikniony. Co więcej, im lepiej poznajemy Kosmos, tym bardziej natarczywe stają się te uwikłania. Jeśli świat miał początek, to co było przedtem? Co to znaczy "przedtem"? Jaka jest więc natura czasu? To tylko mała próbka pytań; jeśli się ich nawet nie stawia, to tkwią gdzieś w podtekstach naukowych rozważań. I kosmolog nie może zostawić tych pytań filozofom, bo przecież zrozumienie Wszechświata jest jego zadaniem. Zrozumieć Wszechświat to znaczy wyjaśnić go za pomocą praw fizyki, ale pytanie, skąd się wzięły prawa fizyki, prowadzi kosmologa prosto do rozważań filozoficznych.

Nic więc dziwnego, że jest dziś na rynku księgarskim aż tyle książek – pisanych przez kosmologów, fizyków i astronomów – w których często znajdziemy więcej filozofii niż wyników badań naukowych. Można postawić zarzut, że jest to niekiedy filozofia amatorska, że wielu autorom wydaje się, iż z chwilą gdy opuszczają bezpieczny teren teorii naukowych, mogą sobie pozwolić na rozluźnienie rygorów ścisłości. Niemniej mamy do czynienia ze zjawiskiem w znacznej mierze nieuniknionym, albowiem z kolei zawodowi filozofowie, gdy biorą się do kosmologii, wykazują znaczny stopień ignorancji (przejawiającej się głównie w tym, że słowne komentarze uczonych przyjmują za naukowe teorie). W morzu książek złych lub przeciętnych można, oczywiście, znaleźć perły, które warto czytać i analizować. Mam na myśli głównie książki tych autorów, którzy sami dokonali wiele w fizyce lub kosmologii. Ci przede wszystkim dobrze wiedzą, o czym piszą. A ponadto dokonania w nauce zwykle wyrastają z inspiracji, bardzo często mających podłoże filozoficzne. Nawet jeżeli nie jest to filozofia profesjonalna, to w każdym razie ma charakter twórczy, przynajmniej w tym sensie, że doprowadziła ona do wartościowych pomysłów.

Tak to już jest, że gdy ktoś odpowiednio długo i z zaangażowaniem zajmuje się pracą badawczą w kosmologii, prędzej czy później chwyta za pióro lub zasiada do komputera, by spisać przemyślenia, które nieuchronnie rodzą się na marginesie tej pracy. Kosmologia bowiem – jak już wyżej próbowałem pokazać – ma to do siebie, że, z jednej strony, ogromem horyzontów, na jakie się otwiera, pobudza do rozmyślań, wybiegających poza sztywne ramy naukowej metody, a z drugiej strony, w samym sercu jak najbardziej naukowych dociekań stawia pytania, których nie da się rozstrzygnąć bez wycieczek w obszar filozofii. Taka była geneza i tej książki, którą teraz oddaję do rąk Czytelnika.

Fascynacje kosmologią zwykle dotyczą jej wizualnej strony. Wystarczy przyjrzeć się uważniej zdjęciu odległej galaktyki, by doznać filozoficznego zachwytu – kimże jesteśmy w porównaniu z tymi milionami lat świetlnych. A obejrzenie zdjęć przekazanych przez orbitalny teleskop Hubble'a dostarcza także głębokich przeżyć artystycznych, związanych z pięknem, ale i potęgą kosmicznych otchłani. Patrząc coraz dalej, widzimy to, co działo się w coraz odleglejszej przeszłości. Już tylko krok do Początku...

Takie były kiedyś i moje fascynacje kosmologią. Są nadal. Ale dołączyły do nich inne, może Jeszcze głębsze. Piękno Wszechświata tkwi także w matematyce. Nie jest tak, że nastawia się teleskop na wybrany punkt nieba, uruchamia urządzenie rejestrujące fotony (bo już dawno zarzucono zwykłe klisze fotograficzne) i zdjęcie galaktyki lub kwazara gotowe. Cały ten proces ma charakter matematyczny przynajmniej w takim stopniu, w jakim matematyczny jest program, który służy do

jego przeprowadzenia. A zresztą same obrazki okazałyby się bezużyteczne, gdyby nie zawierały informacji, które daje się odszyfrować tylko dzięki zmatematyzowanym modelom. Dla kogoś, kto z tymi modelami przestaje na co dzień, Wszechświat wydaje się bardziej myślą zaklętą w matematyczne formuły niż układem, ciał materialnych czy wielkim zbiornikiem energii. Co więcej, modele matematyczne sięgają tam, gdzie dotychczas nie sięga żaden teleskop. Historia nauki świadczy o tym, że informacje uzyskane w ten sposób trzeba brać na serio. Bardzo często, gdy uda się zbudować instrumenty przedtem nieosiągalne, ukazują one dokładnie to, co matematyczne modele już dawno przepowiedziały.

Matematyczne modele są nie mniej piękne niż zdjęcia z teleskopu Hubble'a. Już Einstein mawiał, że istnieją dwa kryteria prawdziwości zmatematyzowanych teorii: ich zgodność z doświadczeniem i wewnętrzne piękno. Mamy tu więc do czynienia ze swoistym efektem selekcji: można by sądzić, że Wszechświat wybiera tylko piękne modele.

Wszystko to sprawia, że uprawianie kosmologii (czy w ogóle fizyki teoretycznej) jest głębokim, wręcz egzystencjalnym przeżyciem. W każdym razie takim jest dla mnie. I właśnie tym przeżyciem chcę się podzielić z Czytelnikiem na stronicach niniejszej książki. Przyświecają mi dwa cele. Przede wszystkim chciałbym przekazać coś z tego doświadczenia, jakie się zdobywa, obcując z matematycznym pięknem rządzącym Wszechświatem. Żeby to przedsięwzięcie miało szansę powodzenia, potrzebna jest współpraca ze strony Czytelnika. Matematyka odsłania swoje piękno tylko tym, którzy nie boją się wysiłku ścisłego myślenia. Każdy, kto (często nie bez odcienia dumy w glosie) twierdzi, że już w szkole podstawowej miał kłopoty z matematyką, i kto w ten sposób usprawiedliwia swoją niechęć do zrozumienia najprostszych reguł pojęciowych, niech wie, iż pozbawia się "dodatkowego zmysłu", dzięki któremu głębiej widzi się rzeczywistość. A jeżeli zrozumie się najprostsze reguły, to reszta przychodzi już łatwo.

Drugi mój cel jest następujący. Jak już wspomniałem, badania kosmologiczne, zwłaszcza obracające się wokół początku i pochodzenia Wszechświata – co w tej książce interesuje mnie szczególnie – nieuchronnie prowadzą do rozważań filozoficznych. Ale tu czyha niebezpieczna pułapka, w którą wpada wielu autorów książek o kosmologii, a za nimi rzesze czytelników. Najprostsze zagadnienia kosmologiczne wymagają subtelnych i niekiedy bardzo wyrafinowanych metod matematycznych, natomiast wielu autorom wydaje się, że do rozstrzygnięcia trudnych kwestii filozoficznych, w które uwikłana jest kosmologia, wystarczy zdrowy rozsądek. W efekcie Czytelnik otrzymuje rozwiązania tyleż proste, co naiwne, a niekiedy prezentowane z taką swadą i przekonaniem, jakby to były rozstrzygnięcia jedynie możliwe. Chciałbym, żeby ta książka stanowiła przestrogę – a może nawet odstraszała – przed pułapką zbyt łatwej filozofii (na kosmologiczny użytek). Pragnę pokazać, jak bardzo pojęcia filozoficzne, takie jak czas, przestrzeń, przyczyna, są uwikłane w nasze potoczne doświadczenie językowe. Gdy budujemy teorie i modele matematyczne, zwłaszcza dotyczące fundamentalnego poziomu fizyki teoretycznej, aparat matematyczny wymusza na nas odchodzenie od zdroworozsądkowych pojęć. Tylko w ten sposób udało nam się spenetrować świat rządzony prawami mechaniki kwantowej. I cala historia fizyki nowożytnej uczy nas, że nie ma innej drogi prowadzącej do zrozumienia natury Wszechświata na najbardziej podstawowym poziomie.

Pojawia się tu niezwykle trudna kwestia. W świecie bardzo odległym od świata naszego codziennego języka matematyka radzi sobie doskonale. Ale jak przetłumaczyć abstrakcyjne struktury matematyczne na język, w którym się porozumiewamy? A przecież na taki język jesteśmy skazani, gdy tworzymy filozoficzne koncepcje. Jedyna metoda, którą można się posłużyć, polega na bardzo starannej, wręcz rygorystycznej interpretacji matematycznych struktur. Potwierdzeniem tej tezy niech będzie przykład z mojego osobistego doświadczenia. Od dawna interesowałem się matematyczną teorią osobliwości, zwłaszcza tzw. osobliwości początkowej, która jest geometrycznym odpowiednikiem Wielkiego Wybuchu, znanego wszystkim z popularnych opracowań. Nie miejsce tu. by wyjaśniać naturę zagadnienia, na dalszych stronicach niniejszej książki poświęcam tej sprawie wiele uwagi. Dość stwierdzić, że znane metody geometryczne załamywały się podczas wszelkich prób ich zastosowania do opisu początkowej osobliwości, l wówczas dość przypadkowo zapoznałem się z zupełnie nowym działem matematyki, zwanym geometrią nieprzemienną. Moja przygoda rozpoczęła się z chwilą, gdy wraz z moim przyjacielem i współpracownikiem, profesorem Wiesławem Sasinem. spróbowaliśmy potraktować model kosmologiczny razem z osobliwościami jako przestrzeń nieprzemienną. Dało to początek wielu wspólnym pracom, w których nie tylko metodami geometrii nieprzemiennej badaliśmy strukturę osobliwości, lecz również zaproponowaliśmy pewien model połączenia (zunifikowania) ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową, także oparty na metodach nieprzemiennych.

Nie twierdzimy, że nasz model jest ostatecznym rozwiązaniem tego jednego z najważniejszych problemów współczesnej fizyki teoretycznej. Z pewnością zawiera zbyt wiełe uproszczeń. a niezbędne do Jego ulepszenia metody obliczeniowe nie zostały jeszcze stworzone. W każdym razie prace nad nim ukazują nową drogę poszukiwań i, być może, są krokiem we właściwym kierunku. Niezależnie jednak od dalszych losów naszego modelu (jego sukcesów lub fiaska?), odgrywa on ważną rolę dydaktyczną. Uczy – może lepiej niż inne znane nam modele – jak istotną rolę odgrywa matematyka w uogólnianiu pojęć należących do naszego zwyczajnego wyposażenia i przystosowywaniu ich do sytuacji, w których nasze potoczne doświadczenie okazuje się całkowicie bezużyteczne. Bo czy można sobie wyobrazić sytuację, w której takie elementarne pojęcia, jak "zajmować pewne miejsce w przestrzeni", "zdarzać się w pewnej chwili", – być indywiduum, dobrze oddzielonym od innych indywiduów", stają się zupełnie bezsensowne? Już od dawna fizycy podejrzewali, że pierwotna epoka Wszechświata była aczasowa i aprzestrzenna. Wskazywały na to rozmaite modele i próby tworzenia fundamentalnych teorii fizycznych. Okazuje się, że wykorzystywana w zaproponowanym przez nas modelu geometria nieprzemienna w zasadzie nie dopuszcza żadnych pojęć lokalnych, a więc takich Jak "miejsce w przestrzeni" czy "chwila w czasie". A mimo to da się na jej podstawie skonstruować piękną fizykę – fizykę bez pojęcia czasu (w jego zwyczajnym sensie jako zbioru chwil). I bynajmniej nie jest to fizyka bezruchu, zastoju, statyczności. Istnieje w niej autentyczna dynamika, ale dynamika uogólniona w porównaniu do tych treści, które zwykle wiążemy z ideą dynamiki.

Nie wyprzedzajmy jednak biegu wydarzeń. O rym wszystkim dowiemy się w dalszych rozdziałach niniejszej książki. Tu jeszcze raz pragnę tylko podkreślić jej filozoficzne przesianie. Żyjemy w świecie makroskopowym i wszystkie nasze pojęcia oraz język, który je wyraża, kształtowały się w oddziaływaniu z makroskopowym światem. Stworzyło to w nas niemal instynktowne przekonanie o konieczności absolutyzowania zarówno pojęć, jak i języka; uważamy, że te same pojęcia i ten sam jeżyk odnoszą się również do obszarów wykraczających poza nasze makroskopowe doświadczenie. Tymi samymi kategoriami myślimy o świecie "nieskończenie małych" (mikrofizyka) i o świecie "nieskończenie wielkich" (kosmologia). Co więcej, jesteśmy nawet skłonni rozciągać te same kategorie pojęciowe i językowe także w stosunku do Boga, jeżeli zdecydujemy się o Nim myśleć lub mówić. A tymczasem jest to błąd. Już mechanika kwantowa powinna nas była nauczyć, że badając świat kwantów, trzeba niekiedy rezygnować z przyzwyczajeń myślowych i językowych. Z trudem przyjmowaliśmy tę lekcję, próbując za pomocą różnych interpretacji dopasować rozważania o strukturach matematycznych mechaniki kwantowej do naszych myślowych stereotypów. Wszelkie próby stworzenia teorii bardziej podstawowej niż mechanika kwantowa są z tego punktu widzenia bezwzględnie jednoznaczne. Jeżeli chcemy odnieść sukces, musimy dać się prowadzić matematyce. Jej nieubłagana logika wiedzie nas, ciągiem kolejnych uogólnień, do pojęciowej siatki coraz bardziej odległej od naszych myślowych przyzwyczajeń, ale znacznie lepiej pasującej do struktury świata. Wciąż uczymy się pokory. Po prostu musimy przyznać, że Wszechświat nie jest skrojony na naszą miarę.

Szczególnie dydaktyczne znaczenie mają pod tym względem pojęcia związane z czasem. Całe nasze życie jest zanurzone w czasie i cały nasz język poddaje się jego rygorom. Gdybyśmy usunęli z języka wszystkie czasowniki, wyrażanie myśli byłoby prawie niemożliwe lub przynajmniej bardzo kalekie. A tymczasem wszystko zdaje się wskazywać na to, że na swoim najbardziej podstawowym poziomie Wszechświat jest bezczasowy. Duża część tej książki sprowadza się do "zmagania z czasem", poszukiwania sposobu na oswojenie naszego myślenia o czasie z tym, czego nie potrafimy w uczasowionym języku wyrazić, a z czym matematyka radzi sobie doskonale.

W tym filozoficznym przesianiu zawiera się też pewna nuta optymizmu: nasze życie naznaczone jest przemijaniem, ale przemijanie nie musi być fundamentalną cechą rzeczywistości. Upływ czasu nie rządzi wszechwładnie całym Wszechświatem.

I jeszcze wyjaśnienie, dlaczego zdecydowałem się na tytuł Początek jest wszędzie. Bo jak inaczej mówić o "początku", jeżeli w pierwotnej fazie Wszechświata nie było czasu i przestrzeni, a znaczenia słów "tu", "tam", "teraz", "przedtem" są ze sobą dokładnie wymieszane? Zresztą zgodnie z naszym obecnym, makroskopowym punktem widzenia, do początku wiodą nas dwie drogi: albo wykorzystując nasze teorie, cofamy się w czasie aż do supergęstego stanu, w którym obowiązywał reżim nieprzemienny; albo kierujemy się w głąb. penetrując coraz to mniejsze odległości, aż dotrzemy do poziomu, w którym pojęcie odległości przestrzennej traci sens, i wówczas jesteśmy już u początku, w nieprzemiennym reżimie. Początek istotnie jest wszędzie, byle tylko teoretyczną myślą – a może kiedyś także odpowiednio potężnym doświadczeniem – docierać odpowiednio głęboko. Teraz dla Czytelnika są to tylko mgliste intuicje. Mam nadzieję, że w trakcie lektury staną się one bardziej zrozumiałe.

Nie muszę dodawać, że lektura tej książki nie okaże się łatwą i lekką rozrywką. Oczywiście, bardzo zależało mi, by wykład był przystępny, ale Czytelnik ze swej strony musi się zdobyć na wysiłek myślenia. Jeżeli się nań zdobędzie, mam nadzieję, że pomogę Mu przeżyć piękną intelektualną przygodę.

I jeszcze jedno. W książce podejmującej zagadnienia naukowe ważne są odnośniki do oryginalnych prac. Odgrywają one rolę swoistej dokumentacji. Nawet Jeżeli Czytelnik nie jest przygotowany, by samodzielnie studiować te prace, ma prawo wiedzieć, gdzie i kiedy się ukazały. Może on być także zainteresowany ich chronologią, a nawet zapragnąć je przekartkować w jakiejś naukowej bibliotece. Nie wspominając już o tym, że książki popularnonaukowe niekiedy czytają także fachowcy, którzy – zainteresowani jakimś szczegółem – mogą zechcieć coś sprawdzić lub poszerzyć swoje wiadomości. Mając to na uwadze, na końcu książki umieściłem Uwagi bibliograficzne do każdego rozdziału. Znajdują się tam odsyłacze do wszystkich prac wzmiankowanych w tekście oraz informacje o innych książkach lub monografiach, które mogą ułatwić dalsze studia.

kwiecień 2002

Wstecz / Spis treści / Dalej

ROZDZIAŁ 1
CO TO JEST WSZECHŚWIAT?

Niebezpieczne konwencje

Rozważanie dotyczące filozoficznych zagadnień kosmologii musi rozpocząć się od pytania, co to jest Wszechświat [słowo "Wszechświat" piszę dużą literą jako imię własne, gdy oznacza ono nasz Wszechświat; w pozostałych wypadkach pisze je małą litera, podobnie jak przyjęto się pisać "nasza Galaktyka" i "inne galaktyki"]. Lub nieco bardziej skromnie: Co należy rozumieć przez słowo "Wszechświat", kiedy pojawia się ono w tekstach kosmologicznych lub w wypowiedziach kosmologów? Jak zwykle gdy idzie

0 rozumienie wyrazów, w każdym ustaleniu mieści się duży element konwencji. Jednak tym razem od tej konwencji zbyt wiele zależy, by nie przejmować się jej skutkami. Niech następujący przykład będzie uzasadnieniem tego twierdzenia.

Od lat trzydziestych ubiegłego stulecia teoria względności

kosmologia relatywistyczna były w Związku Radzieckim naukami zakazanymi. Znany rosyjski kosmolog Jaków B. Zeldowicz wspomniał mi kiedyś mimochodem, że Aleksander A. Friedman, którego jeszcze wielokrotnie spotkamy na kartach tej książki, "miał szczęście, ponieważ umarł wcześniej na zarazę, panującą wówczas w Piotrogrodzie". Uwagę tę zrozumiałem znacznie później, gdy w Związku Radzieckim wolno już było pisać na ten temat i gdy dowiedziałem się, że dwom innym uczonym, kolegom Friedmana, również zajmującym się teorią względności i kosmologią, Matwiejowi P. Bronsztejnowi i Wsiewolodowi K. Frederiksowi nie było sądzonym przeżyć tragicznej granicy 1938 roku. Bronsztejn został rozstrzelany w 1938 roku, a Frederiks zmarł w wiezieniu. Długie lata w lagrach spędzi! również Jurij A. Krutkow, Który w historii kosmologii zapisał się tym, że w 1923 r. podczas długiej rozmowy z Einsteinem przekonał go o poprawności słynnej pracy Friedmana z 1922 roku (w pracy tej Friedman po raz pierwszy znalazł rozwiązania równań Einsteina opisujące rozszerzające się modele Wszechświata). Problem polegał na tym, że ówcześnie znane modele kosmologiczne przedstawiały Wszechświat jako skończony przestrzennie (zamknięty) i czasowo (rozpoczynający ewolucję od tzw. początkowej osobliwości), co było sprzeczne z twierdzeniami filozofii marksistowsko-leninowski ej, według której Wszechświat winien być nieskończony i wieczny. Polityczne represje skutecznie zahamowały rozwój kosmologii w Związku Radzieckim na kilka dziesięcioleci.

Dopiero w latach sześćdziesiątych sytuacja zaczęła zmieniać się na lepsze dzięki... zręcznemu manewrowi terminologicznemu, wymyślonemu przez wpływowego fizyka radzieckiego, Abrama L. Zelmanowa. Pisząc o kosmologii, zamiast terminu "Wszechświat" używał on określenia "Metagalaktyka". Metagalaktyka to według niego tylko obserwowalna cześć Wszechświata i jedynie nią zajmuje się kosmologia. Wszechświat jest natomiast domeną filozofii marksistowskiej. Niektórzy "postępowi" kosmologowie zachodni podchwycili nowy termin, uznając go za mniej obciążony filozoficznymi skojarzeniami, ale bardziej świadomi rzeczy ich rosyjscy koledzy natychmiast powrócili do terminu "Wszechświat", gdy tylko warunki polityczne na to pozwoliły. Dziś określenie "Metagalaktyka" odchodzi w zapomnienie.

Przykład ten, zaczerpnięty z najnowszej historii, wymownie pokazuje, że konwencje terminologiczne nie tylko wpływają niekiedy na decyzje polityków, ale miewają też istotne skutki dla badań naukowych. Trywialne stwierdzenie, że to czy Wszechświat miał początek, czy nie, zależy od tego, co nazwiemy Wszechświatem, wywiodło w pole radzieckich decydentów.

Inne uwikłania terminologiczne mogą nie być aż tak oczywiste, ale i te, które nie budzą wątpliwości, dość często stają się pułapkami, zwłaszcza gdy są bezkrytycznie powielane w popularnych publikacjach. Dlatego też warto nieco dokładniej zastanowić się nad znaczeniem terminu "Wszechświat" pojawiającym się w różnych kontekstach współczesnej kosmologii.

"Nasze prawa fizyczne"

Wystarczy rzut oka na dzieje kosmologii, by się przekonać, że pojęcie Wszechświata, ewoluując, rozszerza swój zakres. To, co wczoraj było Wszechświatem, jutro będzie tylko jego małą częścią. Jeszcze Newton nasz układ planetarny nazywał "systemem świata": wkrótce potem układ ten stał się mało znaczącym detalem, zagubionym w gwiezdnych przestworzach. A gdy w XX wieku odkryto świat galaktyk, dotychczasowy Wszechświat, czyli zbiorowisko gwiazd, stał się tylko "naszą Galaktyką". Dziś wiemy, że galaktyki uciekają od siebie. Wszechświat się rozszerza, ale już znacznie wcześniej można było stwierdzić, że rozszerza się również samo pojęcie Wszechświata. Ekspansja tego pojęcia jest miernikiem wzrostu naszej wiedzy.

Nic więc dziwnego, że Hermann Bondi w swoim podręczniku kosmologii, napisanym w połowie ubiegłego stulecia i będącym właściwie pierwszą książką, która zawierała obszerniejsze analizy metakosmologiczne, usiłował podać takie określenie Wszechświata, ażeby je uniezależnić od przyszłych osiągnięć kosmologicznych. Rzecz charakterystyczna, określenie, jakie zaproponował Bondi, zostało sformułowane przez niego w postaci pytania: "Jaki jest największy zbiór obiektów, do których nasze prawa fizyczne mogą być zastosowane w sposób konsystentny i tak, aby otrzymać pozytywne wyniki?". W pytaniu tym tkwi założenie, że "nasze prawa fizyczne" (także te, których jeszcze nie znamy) obowiązują wszędzie i zawsze; do tego stopnia, iż tę ich cechę można przyjąć za definicyjną cechę Wszechświata. Warto również zauważyć, że takie rozumienie natury Wszechświata wprowadza metodę ekstrapolacji już do samego jego pojęcia. Największy bowiem układ, do którego można stosować nasze prawa fizyczne w sposób konsystentny, nie poddaje się bezpośrednio naszemu badaniu; układ ten konstruujemy, uogólniając znane nam prawa fizyki na coraz większe obszary przestrzeni i czasu. Co więcej, aby ekstrapolacja ta była kosmologiczna, musi być maksymalna – interesuje nas największy układ, do jakiego można ekstrapolować znane nam prawa fizyki. Ponadto ekstrapolacja musi być wykonana w sposób konsystentny, to znaczy jej wynik, czyli teoria kosmologiczna, ma stać się immanentną częścią fizyki, a nie tylko jej "dobudówką". Ekstrapolacja winna również prowadzić do konsystentnych wyników. Należy sądzić, że – zgodnie z ogólną metodologią nauk empirycznych – Bondiemu chodziło o to, by z kosmologicznej ekstrapolacji wynikały przewidywania, które będzie można porównać z (przyszłymi) obserwacjami.

Czy jednak prawa fizyki są niezmienne? Czy ekstrapolując nasze prawa fizyczne na odległe obszary przestrzeni i czasu, nie popełniamy błędu człowieka, który swoje podwórko uważa za typowe dla całego kontynentu? Od dawna pojawiały się spekulacje na temat zmienności praw fizyki, ale jedno z pierwszych, bardziej fizycznie uzasadnionych rozumowań dotyczących tego przypuszczenia pochodzi od Paula Diraca. Jego rozumowanie jest następujące: Stosunek natężenia pola elektrycznego do grawitacyjnego (na przykład w oddziaływaniu między elektronem i protonem) sięga 1039. Ale stosunek promienia obserwowalnego Wszechświata do promienia protonu także wynosi 1039. Co więcej, od czasów Eddingtona wiadomo również, że liczba atomów w obserwowalnym Wszechświecie jest równa około 102x39 (we wszystkich tych liczbach idzie tylko o rząd wielkości). Czy to przypadek, że w wykładnikach tych wielkich liczb pojawia się liczba 39 (lub jej podwojenie)? Fizycy nie lubią takich przypadków. Zwykle świadczą one o jakichś głębszych prawidłowościach.

Dirac zauważył, ze przecież jeżeli Wszechświat się rozszerza, to promień jego obserwowalnej części (równa się on w przybliżeniu prędkości światła pomnożonej przez czas, jaki upłynął od Wielkiego Wybuchu) rośnie i jest rzeczywiście kwestią przypadku, iż żyjemy w epoce, w której stosunek promienia obserwowalnego Wszechświata do promienia protonu wynosi akurat 1039. Ale jeżeli przyjąć, że stała grawitacji (i konsekwentnie natężenie pola grawitacyjnego) maleje odwrotnie proporcjonalnie do wieku Wszechświata, to przypadkowość ta znika: w dowolnej epoce owe "dziwne" stosunki liczbowe, w których pojawia się liczba 1039, będą zachowane.

Czy można zatem definiować Wszechświat jako największy układ, w którym obowiązują nasze prawa fizyczne, jeżeli znane nam obecnie prawa niekoniecznie były zawsze takie same i w przyszłości również mogą ulec zmianie? Zapewne można, pod warunkiem że nasze prawa fizyczne rozumie się odpowiednio szeroko – jako zespól podlegających ewolucji prawidłowości, w obecnej epoce pokrywających się z tymi prawidłowościami, które dziś nazywamy naszymi prawami fizycznymi i które odkrywamy w laboratoriach.

Na razie nie ma jednak potrzeby martwić się ewentualną zmiennością praw fizyki. Wszystkie dotychczasowe próby empirycznego stwierdzenia tej zmienności dały negatywne wyniki. Na przykład choćby stosunkowo nieznaczna zmienność w czasie stałej grawitacji powinna ujawnić się w obserwowalnych efektach związanych z ewolucją gwiazd, a nawet w geologicznych zjawiskach występujących na naszym globie. Niczego takiego nie dostrzeżono.

...