Spis treści

O Autorze

Nota Autora

Przedmowa

CZĘŚĆ PIERWSZA

Rozdział 1

Rozdział 2

CZĘŚĆ DRUGA

Rozdział 3

Rozdział 4

CZĘŚĆ TRZECIA

Rozdział 5

Rozdział 6

Rozdział 7

CZĘŚĆ CZWARTA

Rozdział 8

Rozdział 9

Rozdział 10

Rozdział 11

Rozdział 12

Rozdział 13

Bibliografia

Wszystkie rozdziały dostępne są w pełnej wersji książki

Tytuł oryginału: La realtà non è come ci appare

Przekład (z języka angielskiego): Michał Czerny
Redaktorzy prowadzący: Katarzyna Nawrocka, Maria Zalasa
Adiustacja: Dariusz Rossowski
Redakcja: Elżbieta Meissner/Agencja Wydawnicza Synergy
Projekt okładki: Design Partners s.c.

Copyright © 2014 Raffaello Cortina Editore Milano, via Rossini 4
Copyright for Polish edition and translation © Wydawnictwo JK, 2017

Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być powielana ani rozpowszechniana za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez uprzedniego wyrażenia zgody przez właściciela praw.

ISBN 978-83-7229-701-3
Wydanie I, Łódź 2017

Wydawnictwo JK
Wydawnictwo JK, ul. Krokusowa 3,
92-101 Łódź tel. 42 676 49 69 www.wydawnictwofeeria.pl

Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w systemie Zecer.

O Autorze

Carlo Rovelli jest fizykiem teoretykiem, który wniósł istotny wkład w badania struktury czasoprzestrzeni. Pracował we Włoszech i Stanach Zjednoczonych, a obecnie kieruje grupą badawczą zajmującą się grawitacją kwantową w Centre de Physique Théorique w Marsylii we Francji. Jego książka Siedem krótkich lekcji fizyki stała się wielkim międzynarodowym bestsellerem, który przetłumaczono na czterdzieści jeden języków.

Nota Autora

Przez całe moje naukowe życie przyjaciele i rozmaici ciekawi świata ludzie prosili mnie, abym wyjaśniał im, o co chodzi w poszukiwaniach grawitacji kwantowej. Dlaczego szukamy nowych sposobów myślenia o czasie i przestrzeni? Wielokrotnie proszono mnie, abym napisał o tym książkę popularnonaukową. Podczas gdy jest mnóstwo pozycji na temat kosmologii czy teorii strun, nie ma książek omawiających badania nad kwantową naturą przestrzeni i czasu, a w szczególności nad grawitacją pętlową. Długo się wahałem, ponieważ chciałem koncentrować się na badaniach. Kilka lat temu, gdy na ten temat napisałem książkę dla zawodowych fizyków, poczułem, że praca wielu naukowców doprowadziła do takiego etapu rozwoju wiedzy, że można ją popularyzować. Badamy przecież cudowny krajobraz – dlaczego trzymać go w ukryciu?

Ponieważ jednak jakoś nie „widziałem” książki w swojej głowie, ciągle odkładałem ten projekt na później. Olśnienia doznałem pewnej nocy 2012 roku w trakcie długiej, samotnej jazdy samochodem z Francji do Włoch. Jedynym sposobem na zrozumiałe wyjaśnienie zmian w pojmowaniu czasu i przestrzeni jest opowiedzenie historii od samego początku, zaczynając od Demokryta i przechodząc przez całą drogę kończącą się na kwantach przestrzeni. Przecież ja tak właśnie ją zrozumiałem. Gdy coraz bardziej podekscytowany, zacząłem układać całość w głowie, nagle usłyszałem syrenę policyjnego radiowozu nakazującego mi zjechać na pobocze. Okazało się, że znacznie przekroczyłem dozwoloną prędkość. Włoski policjant grzecznie spytał, czy postradałem zmysły, jadąc aż tak szybko. Wyjaśniłem, że właśnie przyszedł mi do głowy pomysł, którego poszukiwałem od dawna. Policjant nie wypisał mi mandatu i życzył powodzenia z książką. A oto i ona.

Książka ta powstała w języku włoskim i po raz pierwszy ukazała się na początku 2014 roku. Wkrótce potem napisałem kilka artykułów na temat podstaw fizyki dla jednego z włoskich czasopism. Prestiżowe włoskie wydawnictwo Adelphi poprosiło mnie o stworzenie rozszerzonej wersji tych artykułów, aby wydać je w postaci zwartej. Takie były korzenie książeczki zatytułowanej Siedem krótkich lekcji fizyki (Sette brevi lezioni di fisica), która ku memu zdumieniu okazała się międzynarodowym bestsellerem i zapoczątkowała niezwykłe kontakty między mną a wielką rzeszą wspaniałych czytelników z całego świata. Siedem lekcji powstało zatem już po tej książce i pod pewnym względem stanowi syntezę niektórych poruszanych tutaj tematów. Jeżeli czytałeś Siedem krótkich lekcji fizyki i chcesz dowiedzieć się więcej, jeszcze bardziej zgłębić opisany tam świat, ta książka na to pozwoli.

Chociaż ugruntowane teorie fizyczne przedstawiam ze szczególnej perspektywy, w jakiej sam je rozumiem, nie jest to opis kontrowersyjny. Natomiast część książki poświęcona obecnym badaniom grawitacji kwantowej to moja własna interpretacja dzisiejszego stanu wiedzy. Jest to obszar, przez który przebiega granica między tym, co już rozumiemy, a czego jeszcze nie, i daleko nam do osiągnięcia konsensusu. Część spośród moich kolegów zgodzi się z tym, co tu piszę, inni – nie. Taka sytuacja występuje zawsze, gdy omawiane są pogranicza wiedzy, wolę to jednak wyraźnie podkreślić. Nie jest to książka o pewnikach, ale o przygodzie zagłębiania się w nieznane.

Książka jako całość jest rodzajem dziennika, opisującego jedną z najbardziej spektakularnych wypraw, jakie podjęła ludzkość – podróż poza nasze ograniczone i zaściankowe poglądy na świat realny w kierunku coraz lepszego zrozumienia istoty rzeczy. Jest to magiczna eskapada poza obszar zdroworozsądkowego widzenia świata, daleka od zakończenia.

Marsylia, 4 maja 2016

Przedmowa

Spacer brzegiem morza

Mamy obsesję na własnym punkcie. Zajmujemy się naszą historią, naszą psychologią, naszą filozofią, naszymi bogami. Większość naszej nauki dotyczy samego człowieka, jakbyśmy byli najważniejsi we Wszechświecie[1]. Moje zamiłowanie do fizyki bierze się najprawdopodobniej stąd, iż otwiera okno na to, co znajduje się dalej. Jest jak wpadający do domu powiew świeżego powietrza.

To, co widzimy przez okno, stale nas zadziwia. Wiemy już wiele o Wszechświecie. W ciągu mijających stuleci mogliśmy się przekonać, ile pojawiło się mylnych koncepcji. Myśleliśmy, że Ziemia jest płaska i że stanowi środek naszego świata. Ten Wszechświat był mały i niezmienny. Wierzyliśmy, że ludzie to istoty zupełnie wyjątkowe, niespokrewnione z innymi gatunkami. Dowiedzieliśmy się o istnieniu kwarków, czarnych dziur, cząstek światła, fal rozchodzących się w przestrzeni i niezwykłych struktur molekularnych zawartych w każdej komórce naszego ciała. Ludzkość jest jak rosnące dziecko, które ze zdumieniem odkrywa, że świat to nie tylko jego pokój i plac zabaw, ale coś znacznie większego, i że są tysiące rzeczy do zbadania, a także niezliczone punkty widzenia, zupełnie różne od tych, które dziecko miało na początku. Wszechświat występuje w wielu postaciach, a my wciąż poznajemy nowe przejawy jego istnienia. Im więcej dowiadujemy się o nim, tym bardziej zdumiewa nas jego różnorodność, piękno i prostota.

Ale im więcej odkrywamy, tym bardziej zdajemy sobie sprawę, że obszar naszej niewiedzy przekracza naszą dotychczasową wiedzę. Im potężniejsze są nasze teleskopy, tym bardziej osobliwe i niespodziewane okazuje się niebo, na które patrzymy. Im bliżej przyglądamy się drobinom materii, tym głębsze warstwy jej struktury ukazują się naszym oczom. Dzisiejsze instrumenty sięgają niemalże aż do Wielkiego Wybuchu – olbrzymiej eksplozji, w której 14 miliardów lat temu powstała cała materia zawarta obecnie w galaktykach – ale my już staramy się zajrzeć w jeszcze wcześniejszą epokę. Dowiedzieliśmy się o zakrzywieniu przestrzeni, ale przewidujemy także, że jest ona utkana z wibrujących kwantowych ziaren.

Nasza wiedza o elementarnej gramatyce świata ciągle rośnie. Jeśli zbierzemy wszystko, czego w XX wieku nauczyliśmy się o świecie fizycznym, okaże się, że różni się to znacznie od fizyki szkolnej. Elementarna struktura świata wyłania się z roju zjawisk kwantowych, w których czas i przestrzeń nie istnieją. Pola kwantowe tworzą przestrzeń, czas, materię i światło poprzez wymianę informacji między pojedynczymi zdarzeniami. Rzeczywistość jest siecią poszczególnych zdarzeń; dynamika, która je ze sobą łączy, ma charakter probabilistyczny; w przerwie między jednym a drugim zdarzeniem przestrzeń, czas, materia i energia stapiają się ze sobą w chmurę prawdopodobieństwa.

Ten dziwny, nowy świat odkrywamy dzisiaj, próbując rozwiązać najważniejszy problem stojący przed fizyką fundamentalną: czym jest kwantowa grawitacja. Aby to zrobić, trzeba w spójny sposób powiązać ze sobą wiedzę o świecie, jaką niosą dwa ważne odkrycia dwudziestowiecznej fizyki – ogólna teoria względności i mechanika kwantowa. Książka ta poświęcona jest badaniom kwantowej grawitacji oraz dziwnemu światu, jaki te badania odsłaniają.

Niniejsza książka stanowi transmisję na żywo z prowadzonych obecnie prac badawczych nad podstawową naturą rzeczy: ujmuje to, co już wiemy, czego się właśnie dowiadujemy oraz co dopiero podejrzewamy. Zaczyna się od przedstawienia głębokich korzeni koncepcji, które dzisiaj wykorzystujemy w naszych próbach zrozumienia świata, i opisuje dwa wielkie odkrycia XX wieku – einsteinowską ogólną teorię względności oraz mechanikę kwantową – starając się unaocznić ich znaczenie dla fizyki. Książka przedstawia obraz świata wyłaniającego się z badań nad grawitacją kwantową, w których uwzględniono najnowsze wskazówki dawane nam przez naturę, w tym m.in. potwierdzenie modelu standardowego przez dane z satelity Planck czy niewykrycie cząstek supersymetrycznych, których istnienie podejrzewało wielu teoretyków. Omawia również konsekwencje takich idei jak granulacja przestrzeni, zanikanie czasu w małych skalach, fizyka Wielkiego Wybuchu, pochodzenie ciepła czarnych dziur, aż po rolę informacji dla podstaw fizyki.

W sławnej metaforze, opisanej przez Platona w księdze VII dzieła Państwo, grupa ludzi siedzi skuta łańcuchami na dnie ciemnej jaskini i widzi tylko cienie rzucane na ścianę przez znajdujące się za nimi światło. Uważają oni te cienie za świat realny. Jednemu z więźniów udaje się uwolnić; opuszcza on jaskinię i odkrywa Słońce oraz resztę świata. Początkowo światło, do którego jego oczy nie są przyzwyczajone, oślepia go i dezorientuje, ale w końcu może poznać świat. Kiedy podekscytowany wraca do swych towarzyszy i opowiada, co zobaczył, nie chcą mu uwierzyć.

Wszyscy przebywamy w głębokiej jaskini, skuci naszą niewiedzą i uprzedzeniami, a nasze zawodne zmysły rejestrują tylko cienie. Kiedy próbujemy spojrzeć dalej, dezorientuje nas własna ignorancja. Niemniej próbujemy. Tym właśnie jest nauka. Podejście naukowe pozwala badać świat i zmieniać jego wizerunek, stopniowo oferując nam coraz lepszy jego obraz, a jednocześnie ucząc bardziej efektywnego myślenia. Nauka to ustawiczne poszukiwanie nowych sposobów myślenia. Jej siła leży w wizjonerskiej zdolności odrzucania z góry przyjętych założeń, w odkrywaniu nowych obszarów rzeczywistości i tworzeniu nowatorskich i bardziej efektywnych obrazów świata. Przygoda ta opiera się na całej wcześniej zdobytej wiedzy, ale jej istotą jest zmiana. Świat nie ma granic i mieni się różnorakimi barwami, a my chcemy go zobaczyć i poznać. Jesteśmy zanurzeni w jego tajemniczości i pięknie, a za horyzontem czekają na nas niezbadane obszary. To, że nasza wiedza jest niekompletna i nie całkiem pewna, że mamy wątpliwości, że jesteśmy zawieszeni nad przepaścią ogromu własnej ignorancji, nie pozbawia nas sensu życia, ale czyni je ciekawym i cennym.

Napisałem tę książkę po to, aby pokazać, co w tej przygodzie jest dla mnie cudowne. Miałem na myśli konkretnego czytelnika. Jest to ktoś, kto ma małe (albo zgoła żadne) pojęcie o fizyce współczesnej, lecz jest ciekaw nie tylko tego, co już wiemy o świecie, ale także tego, czego nie rozumiemy – i gdzie tego szukamy. Napisałem ją, aby przekazać zapierające dech w piersiach piękno rzeczywistości oglądanej z tej właśnie perspektywy.

Napisałem ją również dla moich kolegów – rozproszonych po świecie towarzyszy podróży, a także dla zafascynowanych nauką młodych ludzi, którzy chcieliby po raz pierwszy wyruszyć w taką wyprawę. Starałem się przedstawić szeroki obraz struktury świata fizycznego, oświetlony z jednej strony przez ogólną teorię względności, a z drugiej przez mechanikę kwantową, i pokazać, jak można je ze sobą połączyć. Książka ta to nie tylko czysty opis; pokazuję w niej również punkt widzenia na badania, w których używa się abstrakcyjnego języka, mogącego niekiedy zaciemniać szerszy ogląd. Nauka opiera się na eksperymentach, hipotezach, równaniach, obliczeniach i długotrwałych dyskusjach, ale są to tylko narzędzia, takie same jak instrumenty dla muzyków. W końcu to, co naprawdę liczy się w muzyce, to sama muzyka; w nauce ważne jest zrozumienie świata, który dzięki niej poznajemy. Aby docenić znaczenie odkrycia, że Ziemia okrąża Słońce, nie musimy prześledzić skomplikowanych obliczeń Kopernika; aby zdać sobie sprawę z doniosłości faktu, że wszystkie istoty żywe na naszej planecie miały tych samych przodków, nie trzeba poznawać złożonych argumentów, jakie przedstawił Darwin w swoich pracach. Nauka to odczytywanie świata z wciąż poszerzającej się perspektywy.

Książka ta stanowi opis aktualnego stanu badań nad nowym obrazem świata – z mojego obecnego punktu widzenia. Jest to taka odpowiedź na pytanie o naturę rzeczywistości, jakiej udzieliłbym znajomemu podczas wspólnego spaceru brzegiem morza w długi letni wieczór.

1. Aby odróżnić Wszechświat, w którym żyjemy, od innych, hipotetycznych wszechświatów, słowo oznaczające ten pierwszy piszemy wielką literą, natomiast nazwę tych drugich – małą [przyp. tłum.]. ↩

CZĘŚĆ PIERWSZA

KORZENIE

Ta opowieść zaczyna się w Milecie. Dwadzieścia sześć wieków temu. Dlaczego początek książki o kwantowej grawitacji opisuje starożytne zdarzenia, ludzi i idee? Mam nadzieję, że czytelnik łaknący wiedzy o kwantach przestrzeni nie weźmie mi tego za złe. Łatwiej zrozumieć idee, sięgając do korzeni, z których wyrosły, a wiele myśli, które okazały się pomocne dla zrozumienia świata, powstało ponad dwa tysiące lat temu. Jeśli pokrótce prześledzimy ich narodziny, staną się dla nas jaśniejsze, a dalsze kroki będą prostsze i bardziej naturalne.

Ale to nie wszystko. Pewne problemy, które po raz pierwszy dostrzeżono w starożytności, nadal mają kluczowe znaczenie dla pojmowania świata. Niektóre z najnowszych pomysłów dotyczących struktury przestrzeni wykorzystują stworzone wówczas koncepcje. Omawiając te idee, powstałe u zarania nauki, będę się koncentrować na kwestiach kluczowych dla grawitacji kwantowej. Nawet jeśli ich wcześniej nie znałeś, będziesz je mógł odróżnić od zupełnie nowych. Związek między zagadnieniami podnoszonymi przez uczonych starożytności i rozwiązaniami znalezionymi przez Einsteina oraz twórców grawitacji kwantowej jest, jak się przekonamy, zaskakująco bliski.

Rozdział 1

Ziarna

Zgodnie z tradycją w roku 450 p.n.e. pewien człowiek wsiadł na statek płynący z Miletu do Abdery. Podróż ta miała okazać się przełomem w historii nauki.

Mężczyzna ten prawdopodobnie chciał uciec od zawirowań politycznych w Milecie, gdzie arystokracja usiłowała brutalnie przejąć władzę. Milet był bogatym, rozwiniętym miastem, być może najważniejszą grecką metropolią przed nadejściem złotego wieku Aten i Sparty. Stanowił ruchliwe centrum, dominujące w sieci kolonii i ośrodków handlowych, rozciągających się od Morza Czarnego po Egipt. Do Miletu przybywały karawany z Mezopotamii i statki z całego obszaru Morza Śródziemnego; docierały tam również nowe idee.

Przez poprzednie sto lat w Milecie trwała rewolucja intelektualna o fundamentalnym znaczeniu dla ludzkości. Tamtejsi myśliciele zmienili sposób zadawania pytań o istotę świata, a także metody znajdowania na nie odpowiedzi. Największym spośród tych filozofów był Anaksymander.

Rys. 1.1. Podróż Leukipposa z Miletu, założyciela szkoły atomistycznej (około 450 r. p.n.e.)

Od niepamiętnych czasów, a przynajmniej od epoki, z której pochodzą najstarsze teksty pisane, ludzie zadawali sobie pytania o pochodzenie świata i jego budowę, a także o przyczyny zachodzących w nim zjawisk naturalnych. Udzielane przez tysiące lat odpowiedzi były do siebie bardzo podobne. Wyjaśniały one wszystko istnieniem duchów, bogów, mitycznych stworzeń i innych podobnych istot. Od glinianych tabliczek po starożytne teksty chińskie, od hieroglificznych napisów w piramidach po mitologię Siuksów, od najstarszych dzieł hinduskich po Biblię, od historii afrykańskich po legendy australijskich Aborygenów – wszystko to stanowiło barwną, ale zasadniczo dość monotonną narrację o Pierzastych Wężach i Wielkich Krowach, gniewnych, kłótliwych lub przyjaznych bóstwach, które stwarzały świat swym oddechem, słowami Fiat lux lub wyłonieniem się z kamiennego jaja.

Aż wreszcie w Milecie, na początku V wieku p.n.e., Tales, jego uczeń Anaksymander oraz Hekatajos wraz ze swoją szkołą znaleźli nową metodę poszukiwania odpowiedzi. Ta ogromna rewolucja w sposobie myślenia stanowi początek naukowego podejścia w badaniach świata.

Filozofowie z Miletu zrozumieli, że nie należy poszukiwać odpowiedzi wśród fantazji, mitologii i religii. Pojęli, że jeśli odpowiednio wykorzysta się obserwacje i rozum – a przede wszystkim zastosuje podejście krytyczne – będzie można wielokrotnie rewidować obraz świata i poznawać te aspekty rzeczywistości, które są zazwyczaj ukryte przed ludzkim spojrzeniem. W ten sposób można odkrywać nowe.

Bodaj największym dokonaniem stała się zmiana sposobu myślenia. Uczeń nie musiał już ślepo słuchać swego mistrza i podzielać jego poglądów. Mógł z nich swobodnie korzystać, zmieniając jednocześnie te aspekty, które należało poprawić. Była to droga pośrednia pomiędzy absolutną akceptacją idei a ich całkowitym odrzuceniem. Stała się ona kluczem do dalszego rozwoju myśli filozoficznej i naukowej. Od tego momentu rozpoczął się zawrotny rozwój wiedzy, oparty na dotychczasowych osiągnięciach, ale dopuszczający także ich krytykę. W ten sposób pogłębiano zarówno znajomość świata, jak i rozumienie jego funkcjonowania. Olśniewający incipit księgi Hekatajosa o historii pokazuje sedno takiego krytycznego myślenia, a także świadomość naszej omylności: „Spisałem rzeczy, które wydają mi się prawdziwe, bowiem księgi Greków są pełne sprzeczności i niedorzeczności”.

Według legendy Herakles zstąpił do Hadesu z przylądka Tajmaron (obecnie Matapan). Hekatajos wybrał się na ten przylądek i nie odnalazł tam żadnego podziemnego tunelu ani innego wejścia do Hadesu. Na tej podstawie stwierdził, że legenda musi być fałszywa. Był to świt nowej ery.

Nowe podejście do zdobywania wiedzy rozwijało się imponująco szybko. W ciągu zaledwie kilku lat Anaksymander zrozumiał, że Ziemia unosi się w niebie, które istnieje także pod nią, że deszcze tworzy woda parująca z powierzchni Ziemi, że różnorodność substancji występujących na świecie da się wytłumaczyć za pomocą jednego prostego składnika (który nazwał apeiron, czyli nieokreślony), że zwierzęta i rośliny ewoluują i adaptują się do zmian otoczenia, a człowiek musiał wyewoluować z innych gatunków. W ten sposób stopniowo powstawały podstawy rozumienia świata, które zasadniczo obowiązują i dzisiaj.

Położony w miejscu, w którym stykały się powstająca cywilizacja grecka i starożytne imperia Mezopotamii i Egiptu, zasilany ich wiedzą, ale pełen typowo greckiej wolności i zmienności politycznej, w przestrzeni społecznej pozbawionej cesarskich pałaców i silnej kasty kapłanów, w sytuacji, w której wolni obywatele debatują nad przyszłością na otwartych agorach, Milet był miejscem, gdzie po raz pierwszy ludzie decydowali wspólnie o swych prawach, gdzie zbierał się pierwszy w historii parlament – Panionium, miejsce spotkań delegatów ligi miast jońskich – i gdzie po raz pierwszy ludzie zaczęli wątpić, czy to na pewno jedynie bogowie są odpowiedzialni za tajemnice świata. Dzięki dyskusji podejmowane są optymalne decyzje dotyczące społeczności, dzięki dyskusji można też zrozumieć świat. To ogromna spuścizna Miletu – kolebki filozofii, nauk przyrodniczych oraz badań geograficznych i historycznych. Nie jest przesadą stwierdzenie, że głębokimi korzeniami całej naukowej i filozoficznej tradycji, początkowo obecnej w państwach obszaru Morza Śródziemnego, a współcześnie na całym świecie, były rozważania myślicieli z Miletu w VI wieku p.n.e.[1].

Wkrótce potem Milet spotkał tragiczny los. Pojawienie się imperium perskiego i klęska powstania antyperskiego doprowadziły do zniszczenia miasta w 494 roku p.n.e. i zniewolenia znacznej liczby jego mieszkańców. W Atenach dramatopisarz Frynich napisał tragedię Zdobycie Miletu, która tak bardzo poruszała widzów, że wstrzymano realizowane na jej podstawie spektakle, tłumacząc to zbyt wielkim szokiem, jaki wywołuje. Jednakże dwadzieścia lat później Grecy pozbyli się perskiego zagrożenia, Milet się odrodził, wzrosła liczba jego ludności i miasto ponownie stało się centrum handlu i myśli, po raz kolejny promieniując swym blaskiem.

Człowiek, od którego zaczęliśmy niniejszy rozdział, musiał być przesiąknięty tym duchem, wsiadając, jak chce tradycja, w 450 roku p.n.e. na statek płynący z Miletu do Abdery. Miał na imię Leukippos. O jego życiu wiadomo niewiele[2]. Był autorem dzieła Wielki ład świata. Po przybyciu do Abdery stworzył szkołę naukową i filozoficzną, do której szybko dołączył młody adept – Demokryt. Będzie on wywierać niesłabnący wpływ na poglądy rodzące się w kolejnych epokach.

Obaj myśliciele wspólnie wznieśli majestatyczny gmach starożytnego atomizmu. Leukippos był nauczycielem. Jego wielkiego ucznia Demokryta wręcz czczono w starożytności, kiedy ludzie zapoznali się z napisanymi przez niego dziesiątkami prac z każdej dziedziny wiedzy. Seneka nazwał go „najbardziej subtelnym myślicielem wśród starożytnych”[3]. Cyceron pytał: „Czy jest ktoś jeszcze, czyją wielkość można z nim porównać – nie tylko z jego geniuszem, lecz także z duchem?”[4].

Rys. 1.2. Demokryt z Abdery

Co zatem odkryli Leukippos i Demokryt? Milezyjczycy ci uznali, że świat można poznać za pomocą rozumu. Doszli do wniosku, że za wiele zjawisk naturalnych musi odpowiadać coś całkiem prostego, i starali się stwierdzić co to takiego. Stworzyli koncepcję podstawowej substancji, z której wszystko się składa. Anaksymenes wyobrażał sobie, że substancja ta jest ściśliwa i rozciągliwa i dzięki temu może się przekształcać z jednego pierwiastka w inny. Były to początki fizyki – surowe i prymitywne, ale idące we właściwym kierunku. Aby zrozumieć ukryty porządek świata, potrzebna była wizja, wielka idea. Dostarczyli jej Leukippos i Demokryt.

Koncepcja systemu Demokryta była niezwykle prosta. Wszechświat jest to nieskończona przestrzeń, w której poruszają się niezliczone atomy. Przestrzeń nie ma granic – nie ma niczego ani ponad nią, ani pod nią, nie istnieje jej środek ani brzegi. Atomy nie mają żadnych własności poza kształtem – ani ciężaru, ani koloru, ani smaku. „Coś umownie jest słodkie, coś umownie gorzkie, coś gorące, coś kolorowe – ale naprawdę są tylko atomy i pustka”[5].

Atomy są niewidoczne; to elementarne ziarna rzeczywistości, których nie można dalej podzielić, a wszystko jest z nich zbudowane. Poruszają się swobodnie w przestrzeni i zderzają ze sobą, czepiają się siebie i wzajemnie ciągną i popychają. Podobne atomy przyciągają się i łączą.

Taka jest tkanka świata. Tym jest rzeczywistość. Wszystko pozostałe to tylko przypadkowy produkt uboczny tego ruchu i oddziaływań atomów. Bezkresna różnorodność substancji, z których składa się świat, to wyłącznie efekt łączenia się z atomów.

Gdy atomy się gromadzą, jedynym istotnym czynnikiem, jedyną rzeczą istniejącą na poziomie elementarnym jest ich kształt, ich ustawienie oraz kolejność, w jakiej łączą się ze sobą. Tak jak układając litery alfabetu na różne sposoby, możemy napisać komedie lub tragedie, zabawne anegdoty lub epickie poematy, tak z połączeń atomów powstaje świat ze swą nieskończoną różnorodnością. Tę metaforę podał sam Demokryt[6].

Niekończący się taniec atomów nie zmierza do żadnego ostatecznego celu. Wraz z całą resztą naturalnego świata jesteśmy tylko jednym z wielu wytworów tego tańca. To znaczy – wytworem przypadkowej kombinacji. Natura ustawicznie eksperymentuje z formami i strukturami, a my, podobnie jak zwierzęta, jesteśmy produktem przypadkowej i losowej selekcji, która działała przez niewyobrażalnie długi czas. Nasze życie to kombinacja atomów, nasze myśli są stworzone z atomów, nasze marzenia też są wytworem atomów, a nadzieje i emocje spisano w języku stworzonym przez układy atomów; światło, które widzimy, składa się z atomów, które niosą nam obrazy. Morza są zbudowane z atomów, tak jak nasze miasta, a także gwiazdy. To potężna wizja, niezwykle prosta, ale i niezwykle dalekowzroczna. Na niej oparta zostanie cała późniejsza wiedza naszej cywilizacji.

Traktując ową wizję jako swoisty fundament, Demokryt napisał dziesiątki dzieł przedstawiających rozległy system obejmujący fizykę, filozofię, etykę, politykę i kosmologię. Omawiał naturę języka i religii, pochodzenie społeczności ludzkich i wiele innych rzeczy (dzieło Mała kosmologia otwiera imponujące zdanie: „W tej pracy piszę o wszystkim”). Wszystkie te dzieła przepadły. Poglądy Demokryta znamy tylko z cytatów, odniesień i podsumowań dokonywanych przez innych starożytnych autorów[7]. Prezentowane myśli miały charakter wybitnie humanistyczny, racjonalistyczny i materialistyczny[8]. Demokryt łączył ze sobą z jednej strony kwestie dotyczące przyrody, przedstawione z naturalistyczną jasnością, w której odrzucono wszelkie systemy mitologiczne, z drugiej zaś zagadnienia humanistyczne i głęboko etyczne podejście do życia, wyprzedzając o jakieś dwa tysiące lat najwspanialsze idee osiemnastowiecznego oświecenia. Etycznym ideałem Demokryta była pogoda ducha osiągnięta dzięki umiarowi i równowadze, ufności pokładanej w rozumie i nieuleganiu namiętnościom.

Platon i Arystoteles znali idee Demokryta i zwalczali je, czyniąc to w imię innych idei, z których część stała się później na długo przeszkodą dla rozwoju nauki. Obaj odrzucali naturalistyczne wyjaśnienia Demokryta i usiłowali pojąć świat albo na zasadach finalistycznych – to znaczy uważając, że wszystko, co się dzieje, ma swój cel (ten sposób myślenia okaże się błędnym tropem dla prób zrozumienia przyrody) – albo w kategoriach dobra i zła, mieszając kwestie postępowania człowieka z problematyką niemającą z nami nic wspólnego.

Arystoteles szeroko omawiał idee Demokryta i miał do nich duży szacunek. Platon nigdy nie cytował Demokryta, ale współcześni badacze podejrzewają, że wynika to z celowej decyzji, a nie z braku wiedzy o jego dziełach. Ukrytą krytykę idei Demokryta można znaleźć w wielu tekstach Platona. Krytyka wszystkich "fizyków", którą w Fedonie ustami Sokratesa wygłasza Platon, będzie wybrzmiewała przez wieki. Sokrates opowiada, jak protestował, gdy „fizycy” stwierdzili, iż Ziemia jest okrągła, chciał bowiem wiedzieć, co „dobrego” wynika dla Ziemi z faktu, że jest okrągła, jaki pożytek ma ze swej kulistości. Bohater Platona relacjonuje swój początkowy entuzjazm dla fizyki oraz swoje późniejsze rozczarowanie:

Otóż tak sobie rachowałem i cieszyłem się, myśląc, żem sobie znalazł mistrza, który mnie na rozum pouczy o przyczynie wszystkiego, co jest: Anaksagorasa. On mi naprzód powie, czy Ziemia jest płaska, czy kulista, a jak mi to powie, to mi jeszcze do tego wywiedzie przyczynę i konieczność; pokaże to „lepsze”, powie, że lepiej było, aby się ona zrobiła taka właśnie. A jeśliby powiedział, że ona się znajduje w środku, to jeszcze mi, prócz tego, wyjaśni, że lepiej było, aby się na środku znalazła[9].

Jak bardzo dał się tu zwieść na manowce wielki Platon!

Czy można dzielić w nieskończoność?

Największy fizyk drugiej połowy XX wieku Richard Feynman w swoich wspaniałych wykładach ze wstępu do fizyki napisał:

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? W moim przekonaniu byłoby to zdanie formułujące hipotezę (lub rzeczywistość, jeśli wolicie tak to nazwać) atomistyczną, że wszystko składa się z atomów – małych cząstek, poruszających się bezustannie, przyciągających się, gdy są od siebie nieco oddalone, odpychających się zaś, gdy je zbytnio ścieśnić. Jak więc widzicie, w tym jednym zdaniu zawarto ogromną porcję wiadomości o świecie; trzeba tylko posłużyć się odrobiną wyobraźni i inteligencji, aby je dobrze zrozumieć[10].

Nie korzystając z osiągnięć współczesnej fizyki, Demokryt sam wpadł na pomysł, że wszystko zbudowane jest z niewidocznych cząstek. Jak on do tego doszedł?

Jego argumenty opierały się na obserwacjach. Na przykład wyobraził sobie poprawnie, że przyczyną zużywania się koła albo schnięcia ubrań powieszonych na sznurze może być powolne ubywanie cząstek drewna lub wody. Miał jednak również argumenty natury filozoficznej. Przyjrzyjmy się im dokładniej, bowiem ich charakter sięga problemów grawitacji kwantowej.

Demokryt doszedł do wniosku, że materia nie może być substancją ciągłą, bo gdyby taką była, pojawiłaby się sprzeczność. Rozumowanie Demokryta znamy z opisów Arystotelesa[11]. Wyobraźmy sobie, mówi Demokryt, że materię można dzielić w nieskończoność, czyli można ją łamać nieskończoną liczbę razy. Wyobraźmy sobie teraz, że nieskończenie wiele razy przełamaliśmy jakiś kawałek materii. Co nam zostanie?

Czy mogą ostać się małe fragmenty niezerowej wielkości? Nie, bo gdyby tak było, można by je było łamać dalej nieskończenie wiele razy. Spróbujmy teraz odtworzyć nasz kawałek materii. Łącząc ze sobą dwa punkty niemające żadnego rozmiaru, nie otrzymamy ciała o niezerowym rozmiarze, nie da się tego zrobić także z trzema czy czterema punktami. Niezależnie od tego, ile ich ze sobą połączymy, nigdy nie otrzymamy rozciągłego obiektu, ponieważ punkty nie mają wymiaru. Z tego powodu nie możemy uznać, że materia zbudowana jest z bezwymiarowych punktów, ponieważ bez względu na to, ile takich punktów ze sobą połączymy, nigdy nie uzyskamy czegoś o niezerowym wymiarze. Demokryt konkluduje, że jedyną możliwością jest przyjęcie, iż każde ciało materialne zbudowane jest ze skończonej liczby osobnych i niepodzielnych kawałków, z których każdy ma konkretny rozmiar. Są to atomy.

Ten subtelny sposób argumentacji pojawił się już przed Demokrytem. Pochodził z położonego na południu Włoch regionu Cilento, a konkretnie z miejscowości Velia, która w V wieku p.n.e. była kwitnącą grecką kolonią o nazwie Elea. Żył tam Parmenides – filozof, który potraktował dosłownie (może nawet zbyt dosłownie) racjonalizm z Miletu i powstały tam pogląd, że dzięki rozumowi można stwierdzić, iż rzeczy nie są takie, na jakie wyglądają. Parmenides chciał dojść do prawdy, posługując się wyłącznie rozumowaniem, co doprowadziło go do wniosku, że wygląd to czysta iluzja. Podejście to stało się początkiem drogi kierującej się stopniowo ku metafizyce i oddalającej od tego, co później nazwano „naukami przyrodniczymi”. Zenon, uczeń Parmenidesa, który także mieszkał w Elei, przedstawił subtelne argumenty mające wesprzeć fundamentalistyczny racjonalizm, całkowicie odrzucający wiarygodność obserwacji. Część z tych argumentów to paradoksy, znane obecnie jako „paradoksy Zenona”, które mają na celu wykazanie, że obserwacja może być złudna, a pojęcie ruchu jest pozbawione sensu[12].

Najbardziej znany paradoks Zenona przedstawiony jest w postaci krótkiej bajki. Żółw rzuca wyzwanie Achillesowi, by się z nim ścigać, mając na początku dziesięciometrową przewagę. Czy Achilles dogoni żółwia? Zenon twierdzi, że zgodnie z regułami logiki nie może się to stać. Zanim Achilles dogoni żółwia, musi najpierw przebiec dziesięć metrów, co zajmie mu pewną ilość czasu. W tym samym czasie żółw przesunie się o kilka centymetrów. Przemieszczenie się o te kilka centymetrów zajmie Achillesowi następną chwilę, ale w tym czasie żółw znowu nieco się przesunie i tak dalej, ad infinitum. Dlatego aby dogonić żółwia, Achilles będzie potrzebować nieskończonej liczby takich przedziałów czasowych, co – jak twierdzi Zenon – będzie wymagało nieskończonego czasu. A zatem, zgodnie z czystą logiką, Achilles dogoni żółwia dopiero po nieskończonym czasie, czyli nigdy się to nie stanie. Z faktu, że zwinny Achilles może dogonić i przegonić tyle żółwi, ile tylko zapragnie, wynika więc, iż to, co widzimy, jest irracjonalne, czyli iluzoryczne.

Bądźmy szczerzy, nie jest to zbyt przekonujące. W którym miejscu tkwi błąd? Jedna z możliwych odpowiedzi jest taka, że Zenon nie ma racji, przyjmując, iż po zsumowaniu nieskończonej liczby czegoś musimy dostać coś nieskończonego. Wyobraźmy sobie sznurek, który przecinamy na pół, potem znowu na pół i tak dalej, ad infinitum. Na zakończenie otrzymamy nieskończoną liczbę małych kawałków, ale ich suma będzie skończona, bowiem ich całkowita długość musi być równa długości początkowego sznurka. Zatem z nieskończonej liczby sznurków można zrobić sznurek skończonej długości; nieskończona liczba odstępów czasowych może dać skończony czas, a Achilles, nawet jeśli musi przebiec nieskończenie wiele coraz mniejszych odcinków, może wykonać to w skończonym czasie i dogonić żółwia.

Wygląda na to, że paradoks został rozwiązany. Odpowiedź tkwi w pojęciu kontinuum – mogą istnieć dowolnie małe przedziały czasu, a ich nieskończona liczba może dawać skończony odstęp czasu. Arystoteles był pierwszym, który przeczuwał tę możliwość; była ona później rozwijana przez matematyków w starożytności i współcześnie[13].

Ale czy jest to poprawne rozwiązanie w rzeczywistym świecie? Czy istnieją dowolnie krótkie sznurki? Czy naprawdę możemy przecinać kawałek sznurka dowolną liczbę razy? Czy istnieją nieskończenie małe odstępy czasu? Właśnie z takimi problemami musi zmierzyć się grawitacja kwantowa.

Przekaz głosi, że Zenon poznał Leukipposa i został jego nauczycielem, a zatem Leukippos znał zagadki Zenona. Rozwiązał je jednak w zupełnie inny sposób: być może nie ma rzeczy dowolnie małych; inaczej mówiąc, istnieje dolna granica dla podziałów.

Wszechświat nie jest ciągły, lecz ziarnisty. Stosując wspomniane wyżej, opisane przez Arystotelesa rozumowanie Demokryta, dochodzimy do wniosku, że nie jest możliwe stworzenie rozciągłych rzeczy z nieskończenie małych punktów. Z tego powodu rozmiar sznurka wynika ze skończonych rozmiarów skończonej liczby tworzących go obiektów. Nie można przeciąć sznurka dowolną liczbę razy; materia nie jest ciągła, ale zbudowana z poszczególnych „atomów” o skończonym rozmiarze.

Niezależnie od tego, czy powyższa abstrakcyjna argumentacja jest poprawna, czy nie, dziś wiemy, że wynikający z niej wniosek zawiera sporą dozę prawdy. Materia rzeczywiście zbudowana jest z atomów. Jeśli podzielę kroplę wody na dwie części, dostanę dwie krople wody. Każdą z tych kropli mogę dzielić dalej, ale nie nieskończenie wiele razy. W pewnym momencie będę mieć tylko jedną cząsteczkę – i na tym koniec. Nie istnieją krople wody mniejsze od pojedynczej molekuły.

Skąd dzisiaj o tym wiemy? Przez wieki zdobywaliśmy coraz silniejsze poszlaki, a większość z nich pochodziła z chemii. Każdy związek chemiczny zbudowany jest z kilku pierwiastków, których stosunki wagowe wyrażają się za pomocą liczb całkowitych. Chemicy doszli do wniosku, że substancje zbudowane są z molekuł będących ustalonymi kombinacjami różnych atomów. Na przykład woda – H_2O – to w dwóch częściach wodór, a w jednej tlen.

Są to jednak tylko poszlaki. Jeszcze na początku ubiegłego wieku liczni naukowcy i filozofowie nie uważali hipotezy atomistycznej za wiarygodną. Był wśród nich słynny fizyk i filozof Ernst Mach, którego poglądy na temat przestrzeni miały później wielki wpływ na Einsteina. Pod koniec wykładu Ludwiga Boltzmanna w Cesarskiej Akademii Nauk w Wiedniu Mach publicznie oświadczył: „Nie wierzę, że atomy istnieją!”. Było to w 1897 roku. Wielu, podobnie jak Mach, uważało, że notacja chemiczna jest jedynie konwencjonalnym opisem reakcji chemicznych, a nie dowodem, iż cząsteczki wody faktycznie składają się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Mówili: atomów nie widać i nigdy ich nie zobaczymy. Pytali: jak wielki miałby być atom? Przecież Demokryt nie był w stanie wyznaczyć rozmiaru swoich atomów…

A jednak inni zdołali to zrobić. Ostateczny dowód „hipotezy atomowej” otrzymano dopiero w 1905 roku. Dostarczył go buntowniczy dwudziestopięcioletni student fizyki. Ponieważ nie udało mu się znaleźć pracy na żadnej uczelni, zatrudnił się ostatecznie w urzędzie patentowym w Bernie. W dalszej części książki będzie jeszcze dużo o tym młodym człowieku i o jego trzech pracach, które wysłał do najbardziej prestiżowego wówczas pisma fizycznego „Annalen der Physik”. Pierwszy z tych artykułów zawierał rozstrzygający dowód istnienia atomów. Obliczono w nim również wymiary atomów, rozwiązując tym samym problem postawiony przez Leukipposa i Demokryta dwadzieścia trzy wieki wcześniej. Tym dwudziestopięciolatkiem był oczywiście Albert Einstein[14].

Rys. 1.3. Albert Einstein

Jak to zrobił? Sposób jest zadziwiająco prosty. Od czasów Demokryta mógłby na niego wpaść każdy, pod warunkiem że dysponowałby przenikliwością Einsteina i wystarczającym warsztatem matematycznym, pozwalającym wykonać niełatwe obliczenia. Sama idea wygląda następująco: przyglądając się uważnie zawieszonym w powietrzu lub umieszczonym w cieczy bardzo małym obiektom, takim jak drobiny kurzu albo pyłki kwiatowe, dostrzeżemy, że wykonują one ruchy przypominające drżenie lub taniec. Napędzane tym drżeniem, poruszają się przypadkowym zygzakowatym torem i wolno dryfują, stopniowo oddalając się od punktu początkowego. Takie przemieszczanie się drobinek zawiesiny w płynie (w cieczy lub gazie) nosi nazwę ruchów Browna, na cześć biologa, który w XIX wieku przedstawił jego dokładny opis. Typową drogę tańczącej w ten sposób drobinki pokazano na rysunku 1.4. Wygląda na to, jakby drobinka była przypadkowo uderzana z różnych stron. I rzeczywiście nie tylko „wygląda na to”, ale tak jest. Jej drgawki są wywołane przez uderzenia poszczególnych molekuł powietrza, które zderzają się z nią – czasami z prawej strony, a czasami z lewej.

1. O Anaksymandrze i milezyjczykach patrz: C. Rovelli, The First Scientist: Anaximander and His Legacy (Pierwszy uczony. Anaksymander i jego dziedzictwo), przeł. Marion Lignana Rosenberg. Westholme, Yardley 2007. Szczegółowe dane bibliograficzne przywoływanych tekstów zamieszczono w bibliografii na końcu książki. ↩

2. Symplicjusz jako miejsce urodzenia Leukipposa podaje Milet. Patrz: M. Andolfo, Atomisti antichi. Frammenti e testimonianze (Starożytny atomizm. Fragmenty i świadectwa). Rusconi, Milan 1999, s. 103. Nie jest to jednak pewne. Związek z Miletem i Eleą jest istotny ze względu na jego korzenie kulturowe; dług, jaki miał Leukippos wobec Zenona z Elei, omówiony zostanie na następnych stronach. ↩

3. Seneca, Naturales questiones, VII, 3, 2d. Cytaty z dzieł, przy których nie podano polskiego wydania, są w przekładzie tłumacza książki. ↩

4. Cicero, Academica priora, II, 23, 73. ↩

5. Sextus Empiricus, Adversus mathematicos, VIII, 135 (przeł. R.G. Bury, Against the Professors), Loeb Classical Library, 1989. ↩

6. Patrz: Arystoteles, O powstawaniu i ginięciu, Księga I. ↩

7. Zebrane fragmenty i świadectwa dotyczące atomizmu znajdują się w książce M. Andolfo Atomisti antichi (Starożytny atomizm). Kompletną antologię fragmentów i świadectw związanych z Demokrytem opublikował Solomon Luria (angielską wersję można znaleźć w bibliografii pod hasłem „Democritus”). ↩

8. Krótkie, interesujące omówienie myśli Demokryta w kontekście humanistycznym można znaleźć w pracy S. Martini Democrito: filosofo della natura o filosofo dell’uomo? (Demokryt: Filozof natury czy filozof człowieka?), Armando, Rzym 2002. ↩

9. Platon, Fedon (przeł. W. Witwicki), Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1982. ↩

10. R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, Feynmana wykłady z fizyki, tom 1.1. (przeł. R. Gajewski), Z. Królikowska, M. Grynberg, T. Butler, Wydawnictwo Naukowe PWN SA, 2001. ↩

11. Patrz: Arystoteles, op. cit. ↩

12. Dobrą współczesną analizę paradoksów Zenona i ich znaczenia w filozofii i matematyce można znaleźć w pracy Vincenzo Fano I paradossi di Zenone (Paradoksy Zenona), Carocci, Rzym 2012. ↩

13. Ściśle rzecz biorąc, istnieją zbieżne sumy nieskończone. W przypadku sznurka nieskończona suma ½ + ¼ + ⅛ + {: ._idGenObjectAttribute-4}… dąży do 1. W czasach Zenona nie znano nieskończonych zbieżnych sum. Kilkaset lat później zrozumiał je Archimedes, który używał ich do obliczania pola. Intensywnie korzystał z nich Newton, ale dopiero w XIX wieku dzięki pracom Bolzano i Weierstrassa uzyskano konceptualną jasność, czym są te obiekty matematyczne. Jednakże już Arystoteles zrozumiał, że w ten sposób można rozwiązać paradoks Zenona. Sedno sprawy tkwi w rozróżnieniu, jakie Arystoteles uczynił między nieskończonością rzeczywistą a potencjalną: między nieistnieniem granicy dla liczby podziałów a możliwością podziału czegoś skończonego nieskończoną liczbę razy. ↩

14. Do podobnych wniosków dotyczących ruchów Browna doszedł niezależnie polski fizyk Marian Smoluchowski (1872–1917) [przyp. tłum.]. ↩

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki