Jeśli fizykę klasyczną oraz termodynamikę uznać za dwa fundamenty fizyki, 
to od 70 lat wiemy, że te fundamenty w bardzo istotnych 
kwestiach zaprzeczają sobie.

Paweł Ratyniecki

Naukowiec i publicysta John Baslough stwierdził jakiś czas temu na łamach „New Scientist”: W naszej zlaicyzowanej epoce to nie przywódcy religijni, lecz kosmolodzy i astrofizycy stali się kapłanami i przewodnikami pośród tajemnic Wszechświata. Nie nadają temu pozorów duchowego objawienia, lecz posługują się równaniami zrozumiałymi wyłącznie dla wybranych. (...) Jednakże w świetle nowych sprzecznych obserwacji teoria Wielkiego Wybuchu – niektórym zastępująca dawne teologie jako naukowy opis aktu stwórczego – jawi się jako model nazbyt uproszczony. Już wcześniej krytykowana przez niektórych outsiderów od początku lat 90. coraz gorzej radzi sobie z najbardziej podstawowymi pytaniami.

PIERWSZA PRZYCZYNA

Przypomnijmy jak się zaczęła cała historia. Kiedy w 1924 r. ksiądz i astronom Jules Lemaitre sformułował na podstawie swoich obserwacji teorię Wielkiego Wybuchu, teza ta została przyjęta przez jego kolegów-agnostyków z konsternacją. Materializm uczył przecież, że materia jest wieczna, zmieniając tylko formy. Obserwacje Lemaitre’a zgadzały się jednak z ustaleniami Edwina Hubble’a, który nieco wcześniej odkrył zjawisko ucieczki galaktyk, co dla większości uczonych stało się dowodem na ekspansję wszechświata. Od tej chwili głównym tematem astrofizyki XX wieku stało się badanie tego, co działo się w pierwszych trzech sekundach istnienia wszechświata.

Jest to głównie domena teoretyków, jako że najstarszy ślad, jaki udało się zarejestrować to gasnący żar po owej eksplozji: mikrofalowe promieniowanie tła z okresu 300 tys. lat po początku. Analiza tego tła dowodzi, że cały wszechświat miał wówczas jednakową temperaturę, a zważywszy, że odległości między jego różnymi punktami były zbyt duże, by mogły się ze sobą komunikować, był to dowód na jednorodność kosmosu. Ułatwiło to dalsze dociekania i w 1989 roku noblista Leon Lederman mógł napisać: Syntezą ostatnich 150 lat rozwoju i osiągnięć kosmologii jest model Wszechświata, który głosi, że Wszechświat narodził się ok. 15 mld lat temu jako gorący i ściśnięty „pierwotny atom”. Wydawało się, że wraz z zainstalowaniem teleskopu na orbicie, taka dopracowana matematycznie i potwierdzona danymi synteza jest już w polu widzenia. Miała ona wyjaśnić, jak materia, sama z siebie i w sposób konieczny, z jednego atomu wodoru stworzyła nieogarnialne Uniwersum. Temu celowi właśnie służy heroiczny wysiłek Stephena Hawkinga. Przed laty nazwał to szczerze pragnieniem eliminacji „hipotezy Boga”. Dzisiaj odżegnuje się od wszelkiej filozofii, jednak jego ogólne nastawienie pozostało takie samo (por. David Filin, Wszechświat Stephena Hawkinga, Rebis 1998) Co prawda, Hawking należy do garstki tych, którzy postulują istnienie wszechświata stałego, bez początku i końca. Jego zdaniem, Pierwsza Przyczyna zakłada istnienie Boga, „co wprowadza czynnik arbitralny”. Z kolei fizykalne wyjaśnienie początku wszechświata musi przyjąć istnienie początkowej osobliwości, kiedy prawa fizyki jeszcze nie obowiązywały, a trudno powiedzieć, w czym ten koncept lepszy jest intelektualnie od kantowskiej (i newtonowskiej) Pierwszej Przyczyny, czyli Stwórcy.

HORYZONT ZDARZEŃ

Jednak Graalem fizyki jest Ostateczna Teoria Wszystkiego, jak ją nie bez autoironii nazwał kosmolog John D. Barrow: unifikacja mechaniki kwantowej i teorii względności. Musi to być kwantowa teoria grawitacji, zaś jej cechą szczególną będzie – inaczej niż w fizyce klasycznej – asymetria ze względu na czas. W fizyce Newtona czas miał jeden kierunek, lecz jej równania są słuszne zarówno w czasie biegnącym normalnie, jak i cofającym się. Ale obserwacja i druga zasada termodynamiki pouczają nas, że takie reguły są sztuczne, gdyż zdarzenia są (przynajmniej w znanym nam świecie) nieodwracalne. Jeśli fizykę klasyczną – która wystarcza nam dla opisu ok. 90 proc. zdarzeń – oraz termodynamikę uznać za dwa fundamenty fizyki, to od 70 lat wiemy, że te fundamenty w bardzo istotnych kwestiach zaprzeczają sobie. Prestiż Hawkinga bierze się stąd, iż jego teoria anihilacji kosmosu – czyli samolikwidacji czarnych dziur – wskazuje, że materia u kresu istnienia łączy (w pewien sposób) obie te nieprzystające do siebie części fizyki. Mówiąc w największym skrócie, potraktował on pole grawitacyjne czarnej dziury zgodnie z fizyką klasyczną, natomiast jej promieniowanie zgodnie z mechaniką kwantową. Wykorzystał do tego efekt Henrika Casimira, który wykazał, że w próżni bez ustanku pojawiają się i znikają miliardy cząstek i antycząstek, tak szybko, że niemal nie można ich zaobserwować, toteż ich istnienie pozostaje bez konsekwencji dla praw fizyki – jest wirtualne. Pod tzw. horyzontem zdarzeń wokół czarnej dziury mogą istnieć (niedopuszczalne w fizyce klasycznej) cząstki o energii mniejszej niż próżnia. Mechanika kwantowa dopuszcza możliwość, że ujemny energetycznie foton może – zgodnie z ogólną teorią względności – zamienić się w foton rzeczywisty. W sprzyjających okolicznościach może zostać zaobserwowany jako czynnik zmniejszający masę czarnej dziury.

Widzimy, że potrzeba było sporej ilości założeń do konstrukcji tej teorii, której sukces tłumaczyć można także i tym, że fizycy bardzo już byli spragnieni światełka w teoretycznym tunelu, jaki stanowi nieprzystawalność ogólnej teorii względności do mechaniki kwantowej. Co prawda, pewne szczegóły się nie zgadzają – krytycy zarzucili Hawkingowi niedozwolone manipulacje liczbą barionową (jest to jedna z liczb kwantowych, zachowana we wszystkich oddziaływaniach cząstek) – ale w ślad za tym błyskotliwym matematycznym tour de force posypały się atrakcyjnie napisane książki Hawkinga, a media, odkrywszy jego straszną, nieuleczalną chorobę, nie omieszkały uczynić z niego bohatera nauki.

Tymczasem jego teoria zawiera właśnie te składniki, które stanowią powód do zgryzoty dla wszystkich, którzy chcieliby widzieć świat jasnym i prostym. Kluczowe tutaj cząstki wirtualne nie przestrzegają fundamentalnej – jak się uczyliśmy w szkole – zasady zachowania energii. Mimo ich wirtualności nie da się ich pominąć, gdyż w teorii oddziaływań to one najczęściej występują jako ich nośniki. Wywierają wpływ na własności cząstek rzeczywistych i w postaci fotonów informują wszystkich o ich istnieniu.

OKRĄG CZASU

Według teorii, czarna dziura, czyli kres materii jest podobną osobliwością, co jej początek. I rzeczywiście dzieją się tam rzeczy osobliwe: cząstki na jej powierzchni zapadają się w nią szybciej niż światło, a linia czasu staje się okręgiem. Przypomnijmy, że w 1949 r. genialny matematyk Kurt G?del odkrył rozwiązanie równań Einsteina, które zezwalało na pewien rodzaj podróży... w czasie. Zaniepokoiło to Einsteina – choć potem przyznał, że ludzie tacy jak my, wierzący w fizykę, wiedzą, że różnica między przeszłością, teraźniejszością i przyszłością jest tylko uparcie obecną iluzją. G?del udowodnił, że rzekę czasu można zawrócić (przynajmniej na pewnych odcinkach). W 1963 r. nowozelandzki matematyk Roy Kerr sporządzając matematyczny opis czarnych dziur udowodnił, że czas zakreśla wewnątrz nich okrąg. Natomiast w 1988 r. amerykańscy fizycy Thorne, Morris i Yurtsevar zaprojektowali... teoretyczny model wehikułu czasu – wykorzystujący energie ujemne przejawiające się w czarnych dziurach. Fizyka wkroczyła więc na obszar dawniej rządzony wyłącznie przez autorów książek sf, sprzedawanych na dworcach w krzykliwych okładkach. Skoro niektóre rozwinięcia ogólnej teorii względności dopuszczają istnienie tuneli czasoprzestrzennych, to należało się spodziewać, że te efektowne twory dostaną się do prac naukowych, ale zdumienie musi budzić, jak wielu (zwłaszcza młodszych) teoretyków zajmuje się tą ezoteryczną tematyką. Oczywiście, praktyczna strona tego typu problemów miałaby sens tylko, gdybyśmy dysponowali już Zunifikowaną Teorią, a na to wciąż się nie zanosi. Hawking sformułował zastrzeżenia do „zwariowanej” teorii Thorne’a, ale sam zaproponował jeszcze bardziej fantastyczną ideę takich tuneli: miałyby one łączyć nasz wszechświat z... nieskończoną liczbą innych, „równoległych” wszechświatów.

Hawking używa w swoich pracach tzw. sumy po historiach, czyli metody rozpatrywania wszystkich możliwych sposobów zachowania obiektu, a następnie eliminowania najmniej prawdopodobnych. Czynnik czasu występuje w tych równaniach jako tzw. czas urojony, co matematycznie jest najwygodniejsze. Problem w tym, że Hawking dorobił do tego swoistą filozofię, będącą czymś pośrednim między kantyzmem a solipsyzmem: Myślę, że czas, przestrzeń i wszystko inne są tak naprawdę w nas. Są to po prostu matematyczne modele, które stworzyliśmy, żeby opisywać wszechświat. Może zabrzmi to brutalnie, ale trzeba powiedzieć, że jest to perspektywa człowieka zamkniętego w swojej chorobie (która niemal zupełnie odizolowała go od fizycznego kontaktu ze światem). Przestrzeń i czas bowiem to pojęcia rudymentarne, które do pewnego stopnia posiadają także zwierzęta. Jego przekonanie o samowystarczalności wszechświata jest czysto filozoficzne i – co sam przyznaje – wciąż daleko do jego udowodnienia. Nie jest przy tym jasne, czemu teoria samostwarzającego się wszechświata miałaby wymknąć się twierdzeniu G?dla o arbitralności i nieuchronności zarazem wszelkich aksjomatów w matematyce, a więc i w Ogólnej Teorii Uniwersum.

Niejako w alternatywnym nurcie poszukiwań od kilkunastu lat niektórzy teoretycy rozwijają koncepcję ziarnistości czasu. Głosi ona, że czas nie jest linearny i ciągły, lecz składa się z odrębnych składowych, między którymi istnieją interwały tak małe, że wymykają się obserwacjom. W takim interwale prawa fizyki zostają zawieszone i to właśnie podczas pierwszego z nich miałby powstać wszechświat. Jak jednak widać, słowo „interwał” zmienia w tym wypadku znaczenie, a poza tym taki myślowy wybieg niepokojąco przypomina sławne paradoksy Zenona z Elei.

KRUCHA KONSTRUKCJA

Ostatnio wielkie nadzieje wiąże się z teorią superstrun – pochodną spostrzeżenia, że cztery podstawowe siły są różniczkami czasoprzestrzeni złożonej z dziesięciu wymiarów: czterech zwykłych i sześciu niepostrzegalnych. Arystotelesowską hyle są tu drgania strun znacznie mniejszych od elektronów. Wyjaśniają one wszystkie fizyczne symetrie, a więc geometria wreszcie może inkorporować mechanikę kwantową. Niestety, jak na razie nie zdołano uporać się z nieskończonościami występującymi w pewnym momencie równań i aby je obejść trzeba pogwałcić zasadę Ockhama (spośród dwóch równoważnych wyjaśnień prawdziwe jest zawsze prostsze). Innym tropem jest dość stara już hipoteza o masie jako własności nie fundamentalnej, lecz nabytej wskutek korelacji z otoczeniem. Mamy tu jako precedens genialny wynalazek Faradaya, czyli pole fizyczne, którego natężenie wyznaczane jest przez przyśpieszenie ciała. Pole, jak łatwo spostrzec, jest to ośrodek przenoszenia informacji, masa byłaby więc informacją o otoczeniu. Jest to bardzo obiecująca koncepcja, ma jednak jeszcze wiele teoretycznych przeszkód do pokonania.

Jednym z badaczy, którzy poważnie ją rozważają, jest Leo Lederman laureat Nagrody Nobla z 1986 r. Jest on też jednym z tych fizyków, którzy najmocniej zaangażowali się w budowę teorii unifikacyjnej i traktują to jako swego rodzaju materialistyczną krucjatę. To zaangażowanie widać po trosce, z jaką pisze o dotychczasowych niepowodzeniach, nie umniejszając pewnego rodzaju impasu, w jakim znalazła się fizyka teoretyczna. Historyk nauki i jej wnikliwy obserwator Stanley Jaki porównał złośliwie jej obecny stan do „patafizyki” Alfreda Jarry’ego. Była to, jak ją określił francuski klasyk teatru absurdu, nauka wyimaginowanych rozwiązań, która symbolicznie przypisuje właściwości przedmiotów opisane przez ich wirtualność ich cechom zewnętrznym.

W miarę jak przedłuża się okres oczekiwania na Ogólną Teorię Wszystkiego, fizykom łatwiej przychodzi przyznać, że być może nasze teorie opisują tylko powierzchnię zjawisk, a zważywszy jak dużo w nich sztuczności jako opis rzeczywistego wszechświata składają się na bardzo kruchą konstrukcję. Dopiero w tym kontekście można zrozumieć dramatyczny i nieledwie elegijny ton, z jakim Lederman pisze o zawiedzionych nadziejach kosmologów: Podążaliśmy tym tropem gładko, może zbyt gładko, gdy natknęliśmy się na osobliwość: najwyraźniej nieprzyjazną siłę działającą we Wszechświecie. (...) Wierzymy, że istnieje jakaś posępna obecność przepełniająca cały Wszechświat, która uniemożliwia nam zrozumienie prawdziwej natury materii. Jak gdyby ktoś lub coś chciało nam przeszkodzić w zdobyciu ostatecznej wiedzy (Boska cząstka, Prószyński i S-ka 1994).

Uwagi.