Spis treści

Karta redakcyjna

Dedykacja

Motto

Przedmowa

1. Przed początkiem

Powtarzalność

2. Podróż do źródeł rzeczywistości

Misja na Marsa

Miarka za miarkę – zaściankowe standardy

Wprowadzenie uniwersalnych standardów

Genialny pomysł!

Jednostki naturalne Maxa Plancka

Planck realista

Najwyższy czas

3. Nadludzkie standardy

Einstein o stałych

Głębsze znaczenie jednostek Stoneya-Plancka: nowa Mappa Mundi

Z innego świata

Superzasada kopernikańska

4. Dalej, głębiej, mniej: W poszukiwaniu teorii wszystkiego

Liczby, na które można liczyć

Kosmiczny kubizm

Bez pracy nie ma nowych stałych

Numerologia

5. Niedokończona symfonia Eddingtona

Zliczyć do 15 747 724 136 275 002 577 605 653 961 181 555 468 044 717 914 527 116 709 366 231 425 076 185 631 031 296

Fundamentalizm

Fizyka w oparach absurdu

6. Sekret bardzo wielkich liczb

Przerażające liczby

Śmiała hipoteza

Zapowiedź

Wielki i stary, ciemny i zimny

Największa liczba ze wszystkich

7. Biologia i gwiazdy

Czy Wszechświat jest stary?

Życiowa szansa

Inne rodzaje życia

Przygotuj się na spotkanie z losem

Od koicydencji do konsekwencji

Życie w edwardiańskim Wszechświecie

8. Zasada antropiczna

Argumenty antropiczne

Subtelna równowaga

Zasady Brandona Cartera

O mały włos?

Garść innych zasad antropicznych

9. Modyfikacje stałych i pisanie historii na nowo

Światy sztywne kontra światy elastyczne

Wszechświaty inflacyjne

Historia kontrafaktyczna – krótka dygresja

10. Nowe wymiary

Życie w stu wymiarach

Spacer z planizaurami

Wielokąty i wielożeństwo

Dlaczego życie dla fizyków jest takie łatwe?

Smutny przypadek Paula Ehrenfesta

Szczególny przypadek Geralda Whitrowa

Dziwny przypadek Theodora Kaluzy i Oskara Kleina

Zmienne stałe na branie

11. Wariacje na temat stałych

Prehistoryczny reaktor jądrowy

Spostrzegawczość Aleksandra Szlachtera

Zegar wieków

Podziemne spekulacje

12. Dosięgnąć gwiazd

Mnóstwo czasu

Zmienność wśród stałych?

Jak to rozumieć?

Nasze miejsce w historii

13. Inne światy i ważkie pytania

Wieloświat

Wielki katalog Wszechświatów

Światy bez końca

U kresu podróży

Przypisy

© Copyright by Copernicus Center Press, 2017
Copyright © 2002 by John D. Barrow

Tytuł oryginalny:
THE CONSTANTS OF NATURE: THE NUMBERS THAT ENCODE THE DEEPEST SECRETS OF THE UNIVERSE

Adiustacja i korekta: MIROSŁAW RUSZKIEWICZ

Projekt okładki: MARIUSZ BANACHOWICZ

Grafika na okładce: © sdecoret/Shutterstock

Skład: MELES-DESIGN

ISBN 978-83-7886-339-7

Wydanie pierwsze

Kraków 2017

Copernicus Center Press Sp. z o.o.
pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków
tel./fax (+48 12) 430 63 00
e-mail: marketing@ccpress.pl
Księgarnia internetowa: http://en.ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.

Dla Carol

Nie zdolność do zapamiętywania, lecz jej przeciwieństwo – zdolność do zapominania, stanowi warunek konieczny naszego istnienia.

Szalom Asz

Przedmowa

Niektóre rzeczy i zjawiska nigdy się nie zmieniają. Ta książka opowiada właśnie o nich. Niegdyś za godne upamiętnienia w historii uznawano niezwykłe, nieoczekiwane, katastrofalne, a nawet złowróżbne wydarzenia. Stopniowo jednak naukowcy zaczęli doceniać doniosłość regularności i przewidywalności świata. Pomimo chaotycznych, nieprzewidywalnych ruchów atomów i cząsteczek świat, który postrzegamy za pośrednictwem naszych zmysłów, charakteryzuje się zasadniczą spójnością i ciągłością. Poszukiwania źródeł tej spójności doprowadziły nas najpierw do odkrycia „praw” przyrody rządzących zmiennością rzeczy i zjawisk. Po jakimś czasie zidentyfikowaliśmy zbiór tajemniczych liczb leżących u podstaw spójności naszych doświadczeń. Są to stałe natury, zwane także stałymi uniwersalnymi lub fizycznymi. Nadają one naszemu Wszechświatowi pewne charakterystyczne cechy umożliwiające odróżnienie go od innych Wszechświatów, jakie moglibyśmy sobie wyobrazić. Stałe natury odzwierciedlają równocześnie naszą największą wiedzę i naszą największą niewiedzę o tym, co nas otacza. Mierzymy je z coraz większą dokładnością, z ich niezmienności wywodzimy nasze podstawowe jednostki masy i czasu, ale nie potrafimy wytłumaczyć, dlaczego przyjmują one takie, a nie inne wartości. Nigdy nie udało się nam wyjaśnić wartości liczbowej żadnej ze stałych natury. Odkryliśmy nowe stałe, wykryliśmy związki między starymi i rozumiemy ich kluczową rolę w powstawaniu świata, lecz przyczyny, dla których są one takie, jakie są, pozostają głęboko ukrytą tajemnicą. Podejmując próbę odpowiedzi na to pytanie, musimy poddać dogłębnej analizie najbardziej fundamentalną teorię praw przyrody, dowiedzieć się, czy stałe, które legły u ich podłoża, są określone raz na zawsze i odzwierciedlają pewien nadrzędny logiczny porządek, czy też pozostaje chociaż odrobina miejsca na rolę przypadku.

Na pierwszy rzut oka mamy do czynienia z bardzo specyficzną sytuacją. Niektóre stałe istotnie sprawiają wrażenie niezmiennych, inne mogłyby przyjmować odmienne wartości, niż przyjmują, podczas gdy jeszcze inne wydają się zupełnie wyjęte spod wpływu wszystkich innych cech Wszechświata. Czy tymi wartościami rządzi przypadek? Czy naprawdę mogłyby one być inne? Jaki zakres ich zmienności nie uniemożliwia powstania życia we Wszechświecie?

W wydanej w 1986 roku mojej pierwszej książce The Anthropic Cosmological Principle (Antropiczna zasada kosmologiczna) omówiłem wszystkie znane wówczas rodzaje wpływu stałych natury na życie we Wszechświecie. Wszechświaty o nieco innych wartościach tych parametrów byłyby martwe, pozbawione możliwości ewolucji, a więc nie sprzyjałyby powstaniu zorganizowanej złożoności zwanej przez nas życiem. Od tego czasu kosmologowie odkrywają coraz więcej rodzajów zmienności stałych określających zasadnicze cechy Wszechświata, które uniemożliwiłyby powstanie i w nim życia. Zaczęli oni również zupełnie na serio rozważać możliwość i realność istnienia innych Wszechświatów, w których stałe natury przyjmują odmienne od znanych nam wartości. Jak widać, znaleźliśmy się w świecie, w którym wszystko poszło pomyślnie. Jakie jednak było prawdopodobieństwo, że właśnie tak się stanie? W tej książce przyjrzymy się wielu innym możliwościom, splatając je z intrygującą historią podejmowanych przez nas prób zrozumienia wartości stałych natury.

Niedawno pewna ważna kwestia dotycząca stałych natury zwróciła uwagę mediów i zainspirowała serię drobiazgowych badań naukowych. Postawiono w niej najbardziej fundamentalne pytanie ze wszystkich: czy stałe natury naprawdę są stałe? Grupa badaczy, do której mam zaszczyt się zaliczać, opracowała nową metodę analizowania stałych natury w ciągu ostatnich jedenastu miliardów lat historii Wszechświata. Patrząc na przypominające kod kreskowy ślady atomów znajdujące się w widmie światła docierającego do nas z odległych kwazarów, możemy stwierdzić, jak wyglądały one wtedy, gdy światło to rozpoczęło swoją podróż miliardy lat temu. A więc czy stałe natury zawsze były takie same? Uzyskana odpowiedź – nieoczekiwana, a nawet szokująca – otwiera przed Wszechświatem i rządzącymi nim prawami zupełnie nowe perspektywy. Ta książka opowiada też o nich.

Do grona osób, którym pragnę podziękować za wkład w dyskusję, pomysły, wyniki i udostępnienie zdjęć oraz rycin, zaliczają się: Bernard Carr, Rob Crittenden, Paul Davies, Michael Drinkwater, Chris Churchill, Freeman Dyson, Vladimir Dzuba, Victor Flambaum, Yasunori Fujii, Gary Gibbons, J. Richard Gott, Jörg Hensgen, Janna Levin, João Magueijo, Carlos Martins, David Mota, Michael Murphy, Jason Prochaska, Martin Rees, Håvard Sandvik, Wallace Sargent, Ilya Shlyakhter, Will Sulkin, Max Tegmark, Virginia Trimble, Neil Turok, John Webb i Art Wolfe.

Chciałbym również podziękować Elizabeth za to, że nie upierała się, bym zmienił tytuł tej książki na Rzeka wspomnień, oraz trójce naszych dzieci – Davidowi, Rogerowi i Louise – które przez pewien czas podejrzewały, że ich kieszonkowe też może się zaliczać do stałych natury.

J.D.B.

Cambridge, kwiecień 2002

Rozdział pierwszy

Przed początkiem

To, co dzieje się najpierw,

nie zawsze oznacza początek.

Henning Mankell[1]

Powtarzalność

Wszystko, co Bóg ustanowił niezmienną siłą sprawczą natury i co z tej przyczyny dzieje się codziennie, wydawałoby się cudem i wzbudzałoby nasz podziw, gdyby wydarzyło się tylko raz.

John Donne[2]

Zmienność rzuca nam poważne wyzwanie. Żyjemy w najszybciej zmieniających się czasach w historii ludzkości. Świat wokół nas napędzają siły czyniące nasze życie coraz bardziej podatnym zarówno na niewielkie zmiany, jak i na gwałtowne metamorfozy. Rozwój Internetu i macki ogólnoświatowej sieci – Worldwide Web – umożliwiają nam natychmiastowy kontakt z komputerami i ich właścicielami na całym globie. Niekontrolowany rozwój przemysłu spowodował szkody ekologiczne oraz zmiany w środowisku naturalnym, które postępują szybciej, niż przewidywali nawet najbardziej pesymistyczni prorocy zagłady. Dzieci wydają się dorastać znacznie wcześniej niż kiedyś. Systemy polityczne ulegają nieoczekiwanym zmianom szybciej i częściej niż kiedykolwiek wcześniej. Nawet ludzie i informacje, które w sobie noszą, stają się celem interwencji coraz bardziej ambitnej chirurgii części zamiennych lub poprzez przeprogramowanie fragmentów naszego kodu genetycznego. Postęp w większości swoich postaci przyspiesza, coraz więcej dziedzin naszego doświadczenia splata się w dążeniu do odkrywania wszystkiego, co możliwe.

Już jakiś czas temu świat badań naukowych uzmysłowił sobie rolę ewolucji. Pod koniec XIX wieku zrozumiano, że kiedyś nie istniała Ziemia ani nasz Układ Słoneczny, że wygląd i przeciętne zdolności umysłowe przedstawicieli gatunku ludzkiego zmieniały się w ciągu całych epok oraz że w pewnym bardzo ogólnym sensie istnienie Wszechświata dobiega końca, a on sam staje się mniej gościnnym i mniej uporządkowanym miejscem. W ciągu XX wieku uzupełniliśmy ten szkic obrazu zmieniającego się Wszechświata o dodatkowe szczegóły. Klimat i topografia naszej planety ulegają nieustannym przeobrażeniom, podobnie jak zamieszkujące ją gatunki. A co najważniejsze i być może nawet najbardziej dramatyczne, odkryliśmy, że cały Wszechświat pełen gwiazd i galaktyk nieprzerwanie i dynamicznie się zmienia: ogromne gromady galaktyk oddalają się od siebie, pędząc ku przyszłości, w której ledwo rozpoznamy odbicie teraźniejszości. Zorientowaliśmy się, że nasze dni są policzone. Kataklizmy w przestrzeni kosmicznej są powszechnym zjawiskiem – całe światy zderzają się ze sobą. W przeszłości w Ziemię uderzały komety i planetoidy. Pewnego dnia naszą rodzimą planetę opuści jednak szczęście, gdyż osłona, jaką zrządzeniem losu zapewnia jej Jowisz – olbrzymi strażnik rubieży naszego Układu Słonecznego – przestanie spełniać swoją funkcję. Na koniec umrze Słońce. Naszą galaktykę, Drogę Mleczną, wchłonie ogromna czarna dziura znajdująca się w jej centrum. Tak skończy się życie, które znamy. Ocaleni będą musieli zmienić swoją postać, miejsce zamieszkania i wygląd do tego stopnia, że trudno nam będzie nazwać ich dalsze istnienie „życiem”, przynajmniej według naszych dzisiejszych kryteriów.

Uprzytomniliśmy sobie, że proste tajemnice chaosu i nieprzewidywalności nękają tak wiele części świata wokół nas. Wiemy, dlaczego zmienia się pogoda, ale nie potrafimy jej precyzyjnie przewidywać. Zwracamy uwagę na podobieństwa między tego rodzaju złożonymi układami oraz tymi, które stanowią następstwa interakcji międzyludzkich – społeczeństw, gospodarek, ekosystemów, dokonywanych przez nas wyborów – a także działań ludzkiego umysłu.

Widząc, jak wszystkie te kłopotliwe zawiłości komplikują się jeszcze bardziej, a do tego w zawrotnym tempie, zaczynamy odnosić wrażenie, że świat stał się kolejką górską, która wymknęła się spod kontroli, kołysze się i huśta; że wszystko, co kiedyś uznawaliśmy za prawdziwe, pewnego dnia zostanie obalone. Niektórzy uważają tę perspektywę za źródło podejrzliwości żywionej wobec nauki[3] jako niszczycielskiego prądu podmywającego fundamenty ludzkiej natury, kwestionującego wszelkie pewniki, zupełnie jakby Wszechświat i prawa nim rządzące powinny były mieć na względzie kruchość naszej konstrukcji psychologicznej.

Lecz w pewnym sensie ta zmienność i nieprzewidywalność to złudzenie. Nie odzwierciedla ono całej prawdy o naturze Wszechświata. Na głęboką strukturę rzeczywistości składają się zarówno zachowawcze, jak i postępowe elementy. Pomimo nieustannych zmian oraz dynamiki ewolucji widzialnego świata pewne aspekty tkanki czasoprzestrzeni pozostają tajemnicze w swojej niewzruszonej stałości. Właśnie te tajemnicze, niezmienne wielkości czynią nasz Wszechświat tym, czym jest i odróżniają go od innych światów, jakie możemy sobie wyobrazić. Są one złotymi nićmi, z których upleciono ciągłość przyrody. Dzięki nim zakładamy, że pewne wielkości w innych miejscach przestrzeni będą takie same jak tutaj na Ziemi, że kiedyś będą takie same jak dziś oraz że na pewne parametry kosmosu nie wpływają czynniki historyczne ani geograficzne. Co więcej, najprawdopodobniej bez takiego podłoża niezmienników rzeczywistości nie istniałyby powierzchniowe prądy zmian ani żadne przejawy złożoności materii, nie wspominając o umyśle.

Tę książkę poświęciłem właśnie tym zasadniczym składnikom naszego Wszechświata. Ich istnienie pozostaje jedną z ostatnich tajemnic nauki rzucających wyzwanie kolejnym pokoleniom wielkich fizyków: dlaczego są takie, a nie inne? Staramy się odkryć, co kryje się za pojęciami znanymi nam przeważnie tylko z nazwy jako stałe natury lub stałe fizyczne. To właśnie one gwarantują jednorodność Wszechświata, między innymi to, że każdy elektron wydaje się taki sam jak każdy inny.

Stałe natury kryją w sobie najgłębsze tajemnice Wszechświata. Wyrażają one jednocześnie naszą największą wiedzę i najgłębszą niewiedzę na temat kosmosu. Ich istnienie uczy nas, że przyroda obfituje w niewidzialne prawidłowości. Chociaż nauczyliśmy się bardzo precyzyjnie mierzyć te stałe, nasza nieumiejętność wyjaśnienia i przewidywania ich wartości pokazuje, jak wiele musimy się jeszcze dowiedzieć o zasadniczych aspektach funkcjonowania Wszechświata.

Jaki jest ostateczny status stałych natury? Czy naprawdę są stałe? Czy wszędzie są takie same? Czy wszystkie są ze sobą powiązane? Czy życie powstałoby i trwało, gdyby były one choć trochę inne? To tylko niektóre kwestie, z którymi będziemy się zmagać w tej książce. Powrócimy do odkryć pierwszych stałych natury oraz do ich wpływu na naukowców i teologów poszukujących Umysłu, celowości i projektu w przyrodzie. Pokażmy, czym – zdaniem badaczy wytyczających granice nauki – są stałe natury oraz czy przyszła teoria wszystkiego, jeżeli zostanie sformułowana, pewnego dnia ujawni ich prawdziwy sekret. A co najważniejsze, zapytamy, czy są one rzeczywiście stałe.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Przypisy

Chciałabym przedstawić panu pannę Leighton-Buzzard – powiedziała kiedyś pani Bovey-Tracey, zapraszając mnie na obiad. – To bardzo interesująca kobieta, a do tego niezwykła. Wie pan, że ona nie para się piórem?

William Plomer, Electric Delights

1. Przed początkiem

[1]H. Mankell, Sidetracked, Harvill Press, London 2000, s. 270 (wyd. polskie: Fałszywy trop, tłum. H. Thylwe, W.A.B., Warszawa 2015, s. 245; w przekładzie: „Początek nie zawsze oznacza początek”).

[2]J. Donne, Sermon, Easter Day 25th March, 1627, w: The Complete Poetry and Selected Prose of John Donne, red. C.M. Coffin, Modern Library, New York 1952, s. 536.

[3]B. Appleyard, Understanding the Present: Science and the Soul of Modern Man, Doubleday, London 1992; V. Havel, Philadelphia Liberty Medal Address, 4 lipca 1994, www.hrad.cz/president/havel/speeches/l994/0407_uk.html. Najwyraźniej Havel utożsamia naukę z technologią, toteż przypisuje jej odpowiedzialność za wszystkie niekorzystne zjawiska, jakie ta druga przyniosła obywatelom państw komunistycznych Europy Wschodniej.