Słowo wstępne

Nie zawsze zadaje się pytanie po to, by uzyskać odpowiedź. W poradniku dla menadżerów wyczytałem, że pierwszą zasadą jest, by klientowi nie zadawać pytania, na które nie zna się odpowiedzi. Inny poradnik każe kandydatowi na odpowiedzialne stanowisko zadać z nagła pytanie w rodzaju:

– Ile jest psów w Stanach Zjednoczonych?

Jedna z możliwych (pozytywnych) odpowiedzi:

– Należy policzyć wszystkie psie nogi i podzielić przez cztery.

W tym przypadku uzyskaliśmy odpowiedź, choć nie na to, co się w pytaniu bezpośrednio znajdowało. Wprawdzie Wszechświata raczej nie będziemy zatrudniać w naszej firmie, ale możemy sami siebie zapytać, jak wyglądałaby nauka, gdybyśmy byli menadżerami, a Wszechświat naszym klientem. Choć może jest jednak coś na rzeczy, bo przecież po to zadaje się kandydatowi pytania pozornie „nie na temat”, żeby ujawnił coś o sobie. W nauce chodzi o to samo. Matka Sokratesa była położną i Sokrates swoją metodę wydobywania prawdy pytaniami nazywał metodą majeutyczną, czyli położniczą (od greckiego maieuticos – wiedza położnicza). Jeżeli rozmówca jest „ciężarny wiedzą”, należy mu pomóc tę wiedzę urodzić. Sokratesowi chodziło o wiedzę natury etycznej, ale można jego metodę rozciągnąć na inne rodzaje wiedzy. Wszechświat jest „ciężarny wiedzą”, wszak funkcjonuje tak, jak mu każe jego struktura, a my jesteśmy Sokratesem, stawiającym Wszechświatowi pytania, które mają z niego wydobyć zrozumiałe dla nas odpowiedzi. Trudno posądzać Wszechświat, by celowo ukrywał przed nami swoje tajemnice – po prostu Wszechświat i my mówimy różnymi językami i, jak zwykle w takich przypadkach, niełatwo się dogadać.

Panuje przekonanie, że na źle postawione pytania Wszechświat nie odpowiada. Nie jest to prawdą. Historia nauki pokazuje, że w wielu – i to ważnych – przypadkach poprawnie można sformułować pytanie dopiero wtedy, gdy zna się na nie odpowiedź. Dzieje nauki są dziejami problemów, a problemy składają się z pytań i odpowiedzi, które są sprzężone ze sobą tak ściśle, że mogą ewoluować tylko razem. Niewielka zmiana pytania może spowodować zmianę odpowiedzi, a zmieniona odpowiedź może zmusić do skorygowania pytania. Jeżeli proces ten nigdy się nie kończy, filozofowie mówią o hermeneutycznej spirali, a matematycy i fizycy przekładają to na język odwzorowań (operatorów) i jeżeli ten proces wzajemnych uwarunkowań zmierza do określonej granicy, to mówią o operatorach sprzężonych (adjoint). Podobnie jest i w innych dziedzinach. Pytania i odpowiedzi zawsze ewoluują we wzajemnym sprzężeniu.

Istnieje wiele pytań bez odpowiedzi. Przynajmniej tak się nam wydaje. Albo te odpowiedzi gdzieś „są”, ale my ich nie znamy, nie mamy do nich dostępu – bo niby dlaczego nasz mózg musiałby być tak skonstruowany, by był w stanie znajdować odpowiedzi na wszystkie pytania? To raczej mózg musi stosować się do Wszechświata (wszak Wszechświat go wyprodukował) niż Wszechświat do naszego mózgu. Albo rzeczywiście istnieją pytania, na które nie ma odpowiedzi. Tylko czy są to wtedy pytania…? A może tylko zestawy słów, które nic nie znaczą…?

Istnieje dział logiki, zajmujący się pytaniami, zwany erotetyką (nie ma on nic wspólnego z Erosem, po grecku erotema znaczy pytanie). Znajdziemy tam wiele pożytecznych rozróżnień i analiz, ale główny problem z logiką pytań polega na tym, że logika jest mocna wtedy, gdy ma do czynienia z wynikaniem, czyli „przekazywaniem prawdy” (jak z jednego zdania prawdziwego wynika inne zdanie prawdziwe), a formalnie z samego pytania nic nie wynika. W logice za zdanie uważa się wypowiedź, która może być prawdziwa lub fałszywa. Pytanie pyta o prawdę lub fałsz, ale samo nie jest ani prawdziwe, ani fałszywe. Nie jest więc zdaniem w sensie logicznym.

Wszechświat jest naszym naturalnym środowiskiem, i to środowiskiem w jakimś głębszym znaczeniu. To, co zwykle nazywamy naszym (bezpośrednim) środowiskiem, nie powstałoby i nie mogłoby nas wydać, gdyby nie było odpowiednio wtopione w Całość. Mamy więc – my, zwykli konsumenci powszedniego chleba – prawo, a nawet w pewnym sensie moralny obowiązek wiedzieć coś na temat tej Całości. Jest to sprawą fundamentalnej ciekawości własnych korzeni.

Dosłownie „umwelt” po niemiecku znaczy środowisko, ale specyficzne znaczenie temu terminowi nadał biolog Jakob von Uexküll (1864–1944). Według niego żywe organizmy doświadczają „siebie w świecie” za pośrednictwem tego fragmentu świata, który jakoś kontrolują i który określa ich życiową perspektywę. Umwelt jest więc tym doznawalnym fragmentem lub aspektem świata, w którym żywy organizm (roślina, zwierzę, człowiek) żyje i działa. Po polsku umwelt w tym znaczeniu tłumaczy się niekiedy jako „świat egocentryczny”. Rozszerzając nieco oryginalną myśl von Uexkülla, można powiedzieć, że dla człowieka współczesnego „światem egocentrycznym” jest (lub powinien być, jeżeli człowiek ma być naprawdę współczesny) Wszechświat tak, jak jest widziany przez naukę. Horyzont nauki jest horyzontem człowieka. „Egocentryczny świat” człowieka tym różni się od „egocentrycznego świata” zwierzęcia, że sięga poza obszar bezpośrednio kontrolowany zmysłami. Nasza perspektywa jest perspektywą nauki. Doświadczamy siebie w środowisku naszych naukowych teorii i pytań, jakie one stawiają. Dlatego zadawanie pytań nauce jest życiową koniecznością.

Ale zadawać pytania nauce znaczy zadawać je przedstawicielom nauki, czyli uczonym. Muszą więc oni część swego cennego czasu poświęcać na słuchanie pytań zadawanych przez „zwykłych ludzi” i udzielanie na nie odpowiedzi. Nie jest to łatwe zadanie, bo pytania te są często zadawane w sposób, z którego uczeni, przez długoletnie terminowanie w rzemiośle nauki, już dawno się wyzwolili. Trzeba więc cofnąć się do codziennego języka, uchwycić znaczenia terminów niekiedy tylko intuicyjnie wyczuwanych przez pytającego i dopasować do nich odpowiednie struktury pojęciowe, jakie funkcjonują w naukowych teoriach. Żadna sztuczna inteligencja nie wynalazła jeszcze tłumacza z języka uczonych na język zwykłych ludzi, i odwrotnie. I nie każdy uczony jest w stanie zgrabnie poradzić sobie z takim tłumaczeniem. Niekiedy łatwiej opublikować artykuł w „Journal of Mathematical Physics”, niż napisać dobry artykuł popularnonaukowy lub umiejętnie rozegrać wywiad z dobrze przygotowanym dziennikarzem. Zwłaszcza gdy pytania są prowokacyjne, celowo pozujące na naukową prostoduszność, przebiegle zawiązujące „intrygę”, która domaga się rozwiązania. Na przykład:

– Czy Wielki Wybuch był głośny?

Bo jeśli wybuch, i to wielki, to musiał spowodować potężny huk. Jak wiadomo, fale głosowe rozchodzą się w atmosferze, ale atmosfery wtedy nie było. Więc jak? Czy sprzeczność już na samym początku?

Intryga zawiązana. Można zadawać dalsze pytania i domagać się na nie odpowiedzi.

Pytania stawia Karolina Głowacka, znana dziennikarka, przez lata związana z Radiem TOK FM. Pytania stawiane nauce (i naukowcom) są jej żywiołem. Prowadząc podcast Radio Naukowe (jej, jak pisze, „wymarzone miejsce pracy”), wyostrzyła swój instynkt stawiania pytań. Inna z jej książek (napisana z Martą Wrzosek) nosi tytuł W czym grzyby są lepsze od Ciebie?. Prowokacja tak doskonała, że chyba musisz tę książkę przeczytać.

Trudne – bo prowokująco zbyt proste – pytania nie będą pułapką dla kogoś, kto wie „od kuchni”, jak się robi naukę. Gdy rozmówca czymś jednak zaskoczy, zawsze można odgrzebać z pamięci (a właściwie nie odgrzebać – samo wyskoczy) coś, co pozwoli pytanie tak zrozumieć, że odpowiedź nasunie się sama. Jean-Pierre Lasota ma z czego wygrzebywać, bo całe swoje dotychczasowe życie poświęcił astrofizyce relatywistycznej, a jest to taki dział nauki, w którym krzyżują się prawie wszystkie wielkie teorie współczesnej fizyki i astronomii. Dziś obserwacyjnymi aspektami astrofizyki relatywistycznej nie można zajmować się w pojedynkę; trzeba brać udział w wielkich badawczych programach międzynarodowych. Profesor Lasota przez wiele lat był związany z konstrukcją i funkcjonowaniem Virgo, europejskiego detektora fal grawitacyjnych, które – jak wiadomo – powstają przy zderzeniach czarnych dziur. Gdy czytałem jego książkę o czarnych dziurach (Droga do czarnych dziur, Copernicus Center Press, 2022), pochłaniały mnie całkowicie, nie mogłem wydobyć się spoza ich horyzontu.

Czas otworzyć i tę książkę. Rozpoczynamy:

– Czy Wielki Wybuch był głośny?

Zafascynowani Wszechświatem (i trochę sobą), rozmawiają: Karolina i Jean-Pierre.

Pasierbiec, 13 lipca 2024 roku

Michał Heller

Przedmowa do wydania drugiego

Spotkaliśmy się dziesięć lat temu w studiu radiowym, gdzie rozmawialiśmy o wnętrzu czarnej dziury. Natychmiast okazało się, że nie tylko świetnie nam się rozmawia, ale też mamy takie samo podejście do opowiadania szerokiej publiczności o nauce i naukowcach: jak najprościej, ale i uczciwie; jak najrzetelniej, ale i z humorem. Na dodatek słuchaczom nasza rozmowa też się spodobała. To był dobry prognostyk.

To właśnie wtedy, tuż po tym, gdy zgasła w studiu czerwona lampka, Jean-Pierre zaproponował Karolinie napisanie wspólnie książki, której treścią miały być rozmowy astrofizyka i dziennikarki na temat podstaw współczesnej nauki o Wszechświecie i jego zawartości. Tak powstała pierwsza wersja Czy Wielki Wybuch był głośny?, opublikowana w 2017 roku przez wydawnictwo Prószyński i S-ka. Byliśmy z niej bardzo dumni, zdaje się, że niebezpodstawnie, bo nasz Wybuch otrzymał nagrodę Złota Róża Festiwalu Nauki w Warszawie i rozszedł się w bardzo przyzwoitym nakładzie.

Dziś, w 2024 roku, kiedy piszemy te słowa, pewne sprawy się zmieniły, inne zaś pozostały stałe. Ktoś z nas przekroczył trzydziestkę, ktoś osiemdziesiątkę. Karolina – nadal w radiu, choć już innym; Jean-Pierre – nadal na emeryturze, choć pracuje tak samo ciężko. Stała jest nasza chęć dzielenia się wiedzą, a także dociekliwość, przekomarzanie się i poczucie humoru.

Było dla nas jasne, że przy okazji debiutu Wydawnictwa RN chcemy zaproponować Wam odświeżony Wybuch. Od czasu pierwszego wydania nie było żadnej rewolucji w nauce: nadal nie mamy pojęcia, czym są ciemna materia i ciemna energia, ale – z drugiej strony – planet pozasłonecznych odkrywa się na pęczki, a detektory fal grawitacyjnych prawie codziennie rejestrują zlewające się pary czarnych dziur, co jest dużą zmianą ostatnich kilku lat. Niedawno wysłany w przestrzeń olbrzymi teleskop Jamesa Webba już przyniósł wiele nowych informacji o Wszechświecie, a satelita Euclid być może przyczyni się do zrozumienia jego ciemnych składników. Dlatego tekst naszych rozmów w stosunku do wydania pierwszego przeszedł gruntowną aktualizację, pojawił się nowy rozdział – o zasadzie antropicznej – będący rozwinięciem wątku ledwie zasygnalizowanego w ostatniej rozmowie poprzedniego wydania.

W wydaniu pierwszym przyjęliśmy konwencję, zgodnie z którą rozmówcy noszą nasze imiona, ale nie są nami, na przykład rzeczywista Karolina jest mądrzejsza od książkowej. (To zdanie napisał Jean-Pierre, a Karolina przez grzeczność nie zaprzecza). Zabieg ten okazał się jednak nieczytelny. W tym wydaniu zmieniliśmy więc częściowo ton niektórych wypowiedzi na bardziej pasujący do naszych rzeczywistych osobowości. Staraliśmy się również oskrobać tekst z niejasności, które wkradły się do poprzedniego wydania, i uwzględniliśmy uwagi pojawiające się w recenzjach i komentarzach.

Nowe wydanie to także nowa okładka, nowe ilustracje i nowa redakcja – za co dziękujemy kolejno Uli Pągowskiej, Konradowi Kondratowiczowi i Gabrieli Niemiec.

Zaprzyjaźniliśmy się przez te lata – co jest kolejnym dowodem na to, jak cenna jest nauka, bo to ona połączyła nasze życiorysy, błądzące wcześniej niezależnie w czasoprzestrzeni. Wspólnie napisaliśmy, również w formie dialogu, jeszcze jedną książkę, wydaną w 2020 roku nakładem Copernicus Center Press – Kłopoty z Eureką. O co kłócą się fizycy?.

A teraz już, Drogie Czytelniczki i Drodzy Czytelnicy, bez zbędnego przedłużania oddajemy tekst w Wasze ręce i oczy (a czasem i uszy!).

Przedmowa do wydania pierwszego

Karolina chce wreszcie naprawdę zrozumieć, o czym mówią i co robią astrofizycy, więc zadaje pytania Jean-Pierre’owi, który sporo na ten temat wie i lubi o tym opowiadać. Ich rozmowy zostały zapisane w tej książce.

Porusza ona sprawy fascynujące, ale czasem trudne do zrozumienia. Postanowiliśmy nie prześlizgiwać się nad żadną wątpliwością – bardzo rzadko znajdziecie zdanie Jean-Pierre’a, że „po prostu tak jest”. Chcieliśmy opowiedzieć uczciwie o współczesnych dokonaniach astrofizyki. Uczciwie, czyli bez zbytniego upraszczania. A jednocześnie przystępnie, choć to tak wyświechtane słowo. Liczymy, że formuła rozmowy pozwoli Wam na wspólne rozumowanie, krok po kroku, razem z Karoliną.

Ta książka nie jest podręcznikiem, dlatego też daleko jej do podręcznikowego układu. Zdarzy się, że będziemy rozmawiać o czymś, czego podstawy teoretyczne wyjaśnione zostaną później. Czyż to nie ulga w porównaniu ze szkołą?

W rozmowach znajdziecie opowieści o naszym pochodzeniu, sąsiedztwie, miejscu we Wszechświecie, jego początkach i jego przyszłości, o obecnych w nim planetach dużych i małych, czerwonych olbrzymach i białych karłach, supernowych, gwiazdach neutronowych, pulsarach, kwazarach, czarnych dziurach… i wreszcie o falach grawitacyjnych, których zaobserwowanie jest jednym z najważniejszych wydarzeń naukowych ostatnich lat. Będzie też trochę teorii, i to nie byle jakiej, bo szczególnej i ogólnej teorii względności. Na koniec Jean-Pierre opowiada o tym, jak pracują fizycy, co ich przekonuje. Sygnalizujemy też temat miejsca – lub jego braku – Boga w fizyce. Nasze rozmowy nie są encyklopedią i z całą pewnością brakuje w nich kilku ważnych tematów. Z góry za to przepraszamy, ale nasza książka musiała mieć rozsądne rozmiary.

Rozmowy prowadzą Karolina i Jean-Pierre, ale choć mają nasze imiona, nie są nami. Naszym postaciom użyczyliśmy jednak wiele z siebie. Karolina Karolinie – ciekawości, dociekliwości, wizji „przeciętnej wiedzy”, swobody i – nie ukrywajmy – odwagi w rozmawianiu z profesorami. Jean-Pierre Jean-Pierre’owi użyczył wiedzy, poglądów, dowcipu, dokonań naukowych, wspomnień i odwagi w wystawianiu się na pytania młodych i bardzo dociekliwych osób.

Książka powstała z rozmów i wspólnego pisania. Wiele uwag, które zgłasza książkowa Karolina, to autentyczne wątpliwości, jakie roztrząsaliśmy w rozmowach. Była to dla nas osobista przygoda i dzięki niej oboje wiele się nauczyliśmy.

Jeśli natkniecie się w tekście na tak zwane trudne słowo, poszukajcie go w Leksykonie na końcu książki. Jean-Pierre postarał się, żeby nie był to typowy, nudny słowniczek. Znajdziecie w nim też niektóre jednostki z ich skrótami.

Reszta należy do Was.

Rozmowa 1

Po co nam to wszystko?

Czyli o tym, że fizyka i astronomia w końcu nie są aż tak trudne do zrozumienia, i o pożytkach, jakie z tych nauk mieć można

Karolina: Kiedy umawialiśmy się na nasze rozmowy, byłam pełna entuzjazmu, ale teraz mam wątpliwości.

Jean-Pierre: A to dlaczego?

Chcę się dowiedzieć i – na ile się da – zrozumieć, jak działa Wszechświat, czym dokładnie są czarne dziury albo te dziwaczne fale grawitacyjne, dlaczego planety są kuliste, jak długo i dlaczego akurat tyle będzie istniało Słońce, w którym kierunku to wszystko zmierza… ale tylko przez ciekawość. To nie jest praktyczne, nie skorzystam z tego. Może to strata czasu?

„Tylko przez ciekawość”? Ależ właśnie dokładnie o to chodzi! Albo raczej przede wszystkim o to chodzi. Tacy jesteśmy – my, ludzie – że chcemy i musimy wiedzieć, skąd się wzięliśmy, na jakiej zasadzie działa to, co nas otacza. Już małe dzieci pytają „dlaczego?”. Ciekawość świata jest częścią nas, naszej kultury, a może i natury.

Kiedyś szukano wyjaśnień głównie w religii, ale nie dawała ona zadowalających odpowiedzi, na przykład na pytanie dotyczące przyczyn ruchu ciał niebieskich. Zresztą religie, także te przypisujące tym ruchom cechy boskie, nawet nie starały się ich opisać, mimo że – a może właśnie dlatego że – szamani i kapłani byli często wyrafinowanymi astronomami-obserwatorami.

Biblia opisuje wyłącznie powstanie Wszechświata, ale nie jego działanie. Czytamy tylko, że Bóg rzekł: „Niechaj powstaną ciała niebieskie, świecące na sklepieniu nieba, aby oddzielały dzień od nocy, aby wyznaczały pory roku, dni i lata; aby były ciałami jaśniejącymi na sklepieniu nieba i aby świeciły nad ziemią”. Następnie „Bóg uczynił dwa duże ciała jaśniejące: większe, aby rządziło dniem, i mniejsze, aby rządziło nocą, oraz gwiazdy. I umieścił je Bóg na sklepieniu nieba, aby świeciły nad ziemią; aby rządziły dniem i nocą i oddzielały światłość od ciemności”[1]. I już. Umieścił, wyznaczył im role, ale nie kierował ich ruchem ani nie wysłał aniołów, by tego przypilnować. Ale Biblia hebrajska nie jest podręcznikiem kosmologii i nie o fizykę w niej chodzi.

Fizyka, a właściwie nauka, rozpoczęła się gdzie indziej. To starożytni Grecy, począwszy od Pitagorasa, szukali wyjaśnienia przyrody w ogólnych prawach i zasadach. Grecy dokonali cudu, gdy odkryli, że przyrodę można opisać matematycznie. Jednocześnie nie do końca zrozumieli, na czym ten cud polega: zauważyli, że świat matematyki jest światem idealnym, doskonałym – nazywamy to teraz platońskim poglądem na matematykę – podczas gdy świat rzeczywisty idealny nie był.

I gdzie tu problem?

Zaraz ci to wyjaśnię. Wielki kłopot sprawiały im liczby niewymierne, to znaczy liczby, które nie są ilorazem dwóch liczb całkowitych. Zauważyli bowiem, że z twierdzenia Pitagorasa wynika, że przeciwprostokątna trójkąta równoramiennego o boku równym 1 jest równa pierwiastkowi z 2, czyli liczbie niewymiernej. Można było więc utworzyć trójkąt z dwoma wymiernymi bokami i jednym niewymiernym, a więc móc zmierzyć dwa, a jednego nie. Tak rozumując, Grecy doszli do wniosku, że „czysta” matematyka nie ma zastosowania w rzeczywistości. Ukoronowanie myśli greckiej – opis przyrody stworzony przez Arystotelesa w IV wieku przed naszą erą – to nie był opis matematyczny.

No, ale istniała grecka astronomia.

Ano właśnie. Ciała niebieskie, zdaniem Arystotelesa, zbudowane były z boskiej substancji zwanej eterem. Uważano wtedy, że ich wieczny i regularny ruch nie należy do „tego” świata, ale do idealnego świata geometrii, a więc do świata figur geometrycznych.

Opis świata geometrii stworzony przez Euklidesa około roku 300 przed naszą erą nie zawierał liczb. Właściwości figur geometrycznych otrzymywało się z aksjomatów na drodze konstrukcji używającej długości, kątów, łuków i tak dalej. Zresztą ciągle uczą w szkołach geometrii euklidesowej. Warto też zajrzeć do Elementów Euklidesa, łatwo je znaleźć w internecie. Jest tam wyłącznie rozumowanie oparte na wykresach. Choć geometria wywodzi się z mierzenia długości i powierzchni, dzięki Euklidesowi oderwała się od podejrzanego świata liczb.

Geometrię do opisu Wszechświata, a więc planet, Słońca i sfery gwiazd stałych krążących wokół Ziemi, zaprzągł Ptolemeusz około 150 roku naszej ery. Jego opis, zawarty w traktacie Almagest, obowiązywał przez następne 1400 lat, aż do pojawienia się De revolutionibus Mikołaja Kopernika, a nawet dłużej, bo model heliocentryczny został powszechnie przyjęty, dzięki Keplerowi i Newtonowi, dopiero w XVIII stuleciu.

Tak długo trwało oddzielenie świata rzeczywistego, ziemskiego od idealnego świata sfer niebieskich. Ten podział był spowodowany, jak twierdzi Nathalie Deruelle, wybitna fizyczka i moja przyjaciółka, przez podejrzany pierwiastek z 2.

Dziwne rzeczy mówisz, przecież ludzie korzystali z matematyki w praktyce: mierzyli pola, budowali domy czy świątynie, robili meble.

O tak, jasne! Ale to byli inżynierowie, technicy i rzemieślnicy, a nie uczeni. Czyli zdaniem filozofów gatunek ludzi poślednich, którzy nie przejmowali się brakiem definicji jakichś liczb – na przykład liczby π, która też nie jest wymierna, jak wiadomo było ze słynnego problemu kwadratury koła – tylko robili swoje, zdając sobie sprawę, że pomiary i tak mogą być jedynie przybliżone. To była pogardzana praktyka. Zauważ też, że nauka wtedy i długo potem nie była doświadczalna, jej reguły starano się odkryć czystym rozumowaniem.

To na czym polegała rewolucja kopernikańska? Tak głębiej, bo to, że „wstrzymał Słońce”, to jasne.

Głównie na tym, że umieszczając Słońce w środku Układu Słonecznego, Kopernik przeniósł Ziemię w sfery niebieskie. Tę „nieczystą”, ewidentnie nie z eteru zbudowaną Ziemię! Można powiedzieć, że Kopernik był tym, który połączył niebo i Ziemię po ich długiej separacji. Nie było to natychmiastowe. Nawet nie było oczywiste, że Słońce musi być w centrum. Znakomity astronom duński Tycho Brahe zgadzał się z Kopernikiem, że planety krążą wokół Słońca, ale cała ta czereda miała według niego krążyć wokół Ziemi, która zachowywała swoje centralne miejsce we Wszechświecie.

Co za dziwny pomysł!

Prawda? I zapomniany, bo asystent Brahego, Johannes Kepler, przedstawił model, według którego planety poruszały się wokół Słońca po elipsach, i odkrył słynne trzy prawa, według których ten ruch się odbywał. Ale nie były to prawa fizyki, były to opisy tego ruchu. Kepler wywiódł je geometrycznie z właściwości wielościanów, a swoje trzecie prawo, mówiące, że „kwadrat okresu obiegu planety wokół Słońca jest proporcjonalny do sześcianu odległości od Słońca”, otrzymał, analizując w Harmonii świata pitagorejską muzykę sfer. Z fałszywych powodów otrzymał prawdziwe prawa.

Dziwne.

Tak, ale pamiętaj, że Kepler opisywał obserwacje, ale nie używał do tego praw przyrody. Wprawdzie ich szukał, podejrzewał nawet, że Słońce przyciąga planety magnetycznie, ale gdy ich nie znalazł, zdał się na wolę boską. To ona miała wyznaczać, gdzie znajdują się planety i po jakich poruszają się orbitach.

Dopiero wielki Izaak Newton odkrył prawa przyrody, których wynikiem były prawa ruchu Keplera. I choć Newton był bardzo pobożny, nie znalazło się w jego teorii miejsce na siły nadprzyrodzone. To był początek prawdziwej nauki.

A Galileusz?

Może powinienem był powiedzieć, że to Galileusz zapoczątkował prawdziwą naukę, czyli opis świata bez sił nadprzyrodzonych i boskiej ingerencji. Powiedziałem o Newtonie, bo był pierwszym, który stworzył teorię. Inni przedtem tego próbowali, na przykład Kartezjusz, ale im się nie udało, choć to dzięki Kartezjuszowi powstało pojęcie bezwładności, tak ważne w teorii Newtona. Ale słusznie pytasz o Galileusza, bo on był tym, który uważał, że księga opisująca Wszechświat napisana jest językiem matematyki, a jednocześnie utrzymywał, że nauka musi wywodzić się z doświadczenia. A ta cała historia, od Pitagorasa przez Newtona do dziś, wzięła się głównie z ludzkiej ciekawości.

Ty też odczuwasz taką ciekawość?

Tak, na swoją miarę oczywiście, bo nie mam przywileju odkrywania praw przyrody.

Przywileju?

Tylko wyższe umysły tego dokonują, a taki umysł to dar, a więc przywilej, nie zasługa. Zasługą jest odpowiednie tego umysłu wykorzystanie. W każdym razie i mnie zdarza się nie móc zasnąć, bo dręczy mnie problem związany z tym, jak jakiś mechanizm we Wszechświecie działa.

A jak poradzono sobie z pierwiastkiem z 2, z liczbą π?

Ha! Dopiero w 1872 roku niemiecki matematyk Richard Dedekind wyjaśnił, czym są liczby niewymierne, czyli – jak to w matematyce – podał ich ścisłą definicję. Przytoczyć ci?

Na razie dziękuję.

Opisowo mówiąc, wynika z niej, że ci, co to przez wieki nie przejmowali się podejrzaną naturą liczb niewymiernych – inżynierowie, a w świecie uczonych Galileusze, Kartezjusze, Newtony i inni – mieli rację.

I wiesz, mamy ciągle do czynienia z dwoma rodzajami uprawiania fizyki. Są tacy, którzy uważają, że nie ma co się za bardzo przejmować ścisłością matematyczną, gdy uprawia się fizykę, szczególnie gdy odkrywa się coś nowego. Taka wojskowa strategia: atakuje się szybko z nadzieją, że tabory nadążą. Inni uważają, że wszystko musi być dokładnie i ściśle zdefiniowane, że nie wolno posługiwać się pojęciami matematycznymi o niepewnym statusie, takim, jaki do 1872 roku miał pierwiastek z 2. Ciekawe, że to podział typowo „narodowościowy”: pierwsze stanowisko, pragmatyczne, jest typowe dla Amerykanów, a drugie, rygorystyczne – dla Francuzów i Polaków. Pamiętam prawie nienawiść w oczach studentów École Polytechnique, gdy mówiłem na wykładzie, że pewne człony w równaniu można zaniedbać, a więc po prostu z niego wyrzucić.

Zabawne. Ale ty jesteś wobec tego kim?

Ja jestem nietypowy.

Ach, no przecież! A jacy są Brytyjczycy?

Oni są tak pośrodku, ale z wyraźnym przechyłem w stronę Ameryki. Na przykład wielki Paul Adrien Maurice Dirac wprowadził do mechaniki kwantowej tak zwaną funkcję δ jako „wygodną notację”, nie przejmując się tym, że nie jest to funkcja, ale coś, co później zostało ściśle zdefiniowane i nazwane „dystrybucją” przez francuskiego matematyka Laurenta Schwartza. Ten ostatni dostał za to matematycznego Nobla, czyli Medal Fieldsa.

Dirac też dostał Nobla, choć nie za funkcję δ, ale za mechanikę kwantową, w której ta dystrybucja jest ważnym elementem. Choć większość fizyków nie ma pojęcia, co to dystrybucja. Ale właśnie, Schwartz chętnie wtrąciłby się do naszej rozmowy. Powiedział on mianowicie: „Jaki jest pożytek z matematyki? Matematyka jest pomocna w fizyce. Fizyka pomaga nam produkować lodówki. Lodówki produkuje się po to, by przechowywać w nich langusty, które są pomocne matematykom, którzy je zjadając, zwiększają swoje zdolności do uprawiania matematyki, która jest pomocna fizyce, która pomaga nam produkować lodówki, w których…” i tak dalej.

Teraz naprawdę rozumiem, do czego służy nauka.

Żart Schwartza jest oczywiście odpowiedzią na bardzo często pojawiające się pytanie wobec badań naukowych: „Do czego to służy?”. Sama wyraziłaś na początku taką wątpliwość. Poważnie na takie pytanie odpowiedzieć można i trzeba pytaniem: „A do czego służą koncert fortepianowy Mozarta, Widok Delft Vermeera albo Boska komedia Dantego?”.

Do wyższych przeżyć? Do zostawienia czegoś po sobie?

Do tego wszystkiego, oczywiście. Ale ogólniej chodziło mi o to, że rezultaty czy też produkty ludzkiej działalności nie muszą służyć jakimś doraźnym celom. Naturalnie sprzedaż obrazu Vermeera przyniosłaby setki milionów euro, ale przecież nie na tym jego prawdziwa wartość polega. Nauka jest wytworem i częścią naszej kultury i naszej cywilizacji.

A z drugiej strony jesteśmy – jako społeczeństwa – tym, co wytworzyli i przechowali nasi poprzednicy, oraz tym, co sami tworzymy. Istotną tego częścią jest nauka.

No dobrze, tylko czy mnie osobiście wiedza o Wszechświecie będzie do czegoś potrzebna? Przyda mi się?

Na pewno. Przede wszystkim, jak się przekonasz, wiedza o Wszechświecie to nic innego jak zastosowanie fizyki do Wszechświata. Nie można zrozumieć Wszechświata, nie mając pojęcia o prawach fizyki. A znajomość praw fizyki może się przydać. Jeśli na przykład chcesz naprawić kontakt elektryczny.

Wiesz, że nie o to mi chodzi. Wiedza o czarnej dziurze nie pomoże mi naprawić kontaktu.

Tobie pewnie chodzi o to: co mi z tego, że wiem, że Wszechświat się rozszerza?

Na przykład.

Mam na to prostą odpowiedź, empiryczną, to znaczy taką, którą będziemy mogli sprawdzić. Twierdzę, że po naszych rozmowach, gdy będziesz wiedzieć, czym są gwiazdy i jak ewoluują, co to znaczy, że Wszechświat się rozszerza, czym są fale grawitacyjne i tak dalej, będziesz mądrzejsza nie tylko dzięki tej wiedzy, ale głównie dlatego, że poznasz sposób rozumowania fizyków. A bycie inteligentniejszym się przydaje, prawda?

Na pewno. Zobaczymy, jak wyjdzie, ale to dobry powód, zgadzam się.

Ale jest też trzeci powód, bardziej przyziemny. Astrofizyka i kosmologia są częścią nauk podstawowych, czyli nauk, których celem i zadaniem jest odkrywanie praw rządzących przyrodą, procesami zachodzącymi w naturze. Brzmi to dość pompatycznie, ale tak jest. A znajomość praw przyrody jest bardzo przydatna w praktyce, bo bez niej nie byłoby większości wynalazków i większości urządzeń, do których istnienia tak się już przyzwyczailiśmy, że mamy wrażenie, że istniały zawsze.

Gdy ktoś mnie pyta, do czego służą nauki podstawowe, odpowiadam pytaniem: „Czy wiesz, kto odkrył zasadę działania lasera?”. Wiesz kto?

Nie znam nazwiska.

Nazwisko znasz, tylko nie wiesz, że to on jest tym odkrywcą. Chodzi o Alberta Einsteina.

O!

Einstein nie miał zamiaru być twórcą żadnego praktycznego wynalazku, starał się tylko – jeśli można tak powiedzieć – opisać, jak zgodnie z zasadami fizyki kwantowej atomy pochłaniają i emitują fotony.

Wcale mnie nie dziwi, że nie szukał wynalazku. Z tego, co słyszałam, nie był zbyt praktycznym człowiekiem.

Bo nie lubił chodzić w skarpetkach? Zdziwisz się zatem, gdy ci powiem, że Einstein ma patent na silnik lodówki.

Poważnie?

Jak najbardziej. Razem z fizykiem węgierskiego pochodzenia Leó Szilárdem wymyślili silnik chłodzący bez części ruchomych i go opatentowali.

To Schwartz nie tylko żartował. I ten silnik działa?

O tak! Szilárd zresztą lubił patenty. Słynna jest historia o tym, jak czekając w Londynie na zielone światło, by przejść na drugą stronę ulicy Southampton Row, wpadł na pomysł jądrowej reakcji łańcuchowej i pomysł ten niemal natychmiast opatentował.

Opatentował reakcję łańcuchową?

Nie tyle reakcję, ile urządzenie, w którym taka reakcja by zachodziła i produkowała energię. Bał się, by nie zostało wykorzystane w złym celu. Potem, wraz z Enrikiem Fermim, opatentował reaktor jądrowy. Miał poza tym dużo innych patentów. Dziś dzięki reakcjom łańcuchowym działają reaktory jądrowe i wybuchają bomby jądrowe, zwane potocznie – ale niesłusznie – atomowymi. To zresztą inny przykład zastosowania badań podstawowych, wolę więcej o nim nie mówić, bo może się źle kojarzyć.

Nauka nie zawsze przynosi dobro, to nic nowego.

To ludzie posługują się nauką i jej wynikami. To też nie jest nowe stwierdzenie.

Einstein odkrył więc, że poza normalnym procesem emisji, podczas którego w atomie elektron sam z siebie, spontanicznie przeskakuje z wyższego na niższy poziom energetyczny, istnieje również emisja „dla towarzystwa”, zwana po polsku wymuszoną, ale lepszy byłby termin „wywołana”. Chodzi o to, że fotony lubią się trzymać w kupie, więc emisja jednego wywołuje – czy też wymusza – emisję fotonów identycznych. Wskutek emisji spontanicznej mogą być emitowane różnego rodzaju fotony, natomiast emisja wymuszona produkuje fotony dokładnie w tym samym stanie. Na tej zasadzie działa laser.

To, że fotony lubią się trzymać w kupie, wynika z tego, że są bozonami, a więc cząstkami, które mogą być wszystkie w takim samym stanie, podczas gdy innym cząstkom, zwanym fermionami, jest to stricte zakazane. To jest jedno z podstawowych praw przyrody i bez jego znajomości zbudowanie laserów byłoby niemożliwe. Co tam zbudowanie! W ogóle sam pomysł byłby niemożliwy.

No dobrze, idea lasera jest w porządku. Ale kiedy zaczynasz mówić „bozon”, „fermion”, to od razu robi się nieswojo. Obcy świat.

To prawda. W końcu fizyka, naukowca, kształci się na uniwersytecie przez osiem czy dziewięć lat. Ale przy odrobinie wysiłku i dobrej woli z obu stron: publiczności i uczonych, wiele rzeczy można przybliżyć niefachowcom tak, aby mogli zrozumieć, czym zajmują się fizycy, czym jest fizyka. Jestem przekonany, że można przynajmniej częściowo wypełnić przepaść między „dwiema kulturami”, o której mówił już ponad sześćdziesiąt lat temu Charles Percy Snow w swoim słynnym wykładzie[2].

Nie znam.

To ci zastąpię lekturę anegdotką z Cambridge, tyle że tego w Massachusetts, a nie w Anglii, gdzie wykład był wygłoszony.

W supermarkecie jest kasa z wyraźnym napisem: „Mniej niż 10 produktów”. Do kasy zbliża się młody człowiek z koszykiem wypełnionym po brzegi. Kasjerka: „Albo jesteś z MIT i nie umiesz czytać, albo z Harvardu i nie umiesz liczyć”.

To jest oczywiście żart, bo Harvard wypuścił więcej przyszłych laureatów Nobla z fizyki niż MIT, ale MIT jest bardziej politechniką niż uniwersytetem. Jest jednak prawdą, że często ci, co umieją liczyć, nie czytają, a ci, co czytają, nie umieją liczyć.

Ty mówisz o różnicy między ludźmi doskonale wykształconymi, tylko w różnych dziedzinach, a co mają zrobić ludzie, którzy nie interesują się na co dzień nauką? Przepaść między profesjonalistami a laikami jest tak duża, że można opowiadać zupełne brednie ubrane w mądrze brzmiące słowa. I bardzo trudno to odróżnić od poważnej nauki. Książki o jakichś kwantowych magiach czy medycynach to skrajność, ale bardziej subtelnych przykładów też jest mnóstwo.

O! Właśnie o tym chciałem teraz mówić. Dlatego nasze rozmowy są ważne. Będziemy się starać tę przepaść zasypać. Myślę, że gdy się zrozumie – a to nie takie trudne – jak fizycy rozumują, czym jest fizyka, jakie kryteria muszą spełniać wypowiedzi na temat świata fizycznego, to człowiek staje się uodporniony na takie bzdety.

Ale z drugiej strony skąd można wiedzieć, że to, co mówią fizycy, ci poważni, to wszystko prawda, a nie jakieś tam wasze wymysły?

Bardzo prosto. Latasz samolotem. Używasz komputera. Gdyby wszystko, co mówią fizycy, było jakimś wymysłem, samoloty by nie latały, komputery nie działały, a langusty gniłyby w lodówkach. Pomyśl chociaż o tym, że GPS, który jest teraz w powszechnym użyciu, wykorzystuje teorię względności Einsteina, a lasery – wymuszoną emisję, którą ten genialny fizyk odkrył. A inni, mniej genialni, odkryli inne prawa przyrody, które mają zastosowanie w życiu codziennym. I nie tylko. Czy myślisz, że lądownik Philae zdołałby usiąść na jądrze komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko, gdyby to, co mówią fizycy, było tylko jakimś tam wymysłem?

No tak, ale jest wiele nowych różnych „newsów” naukowych, jeszcze niezastosowanych. Wszystko jest teraz „według naukowców”, mimo że czasem są to rzeczy ze sobą sprzeczne. Skąd mam wiedzieć, co jest dobrą nauką?

Nasze rozmowy mają ci w tym pomóc, ale nigdy nie będziesz miała stuprocentowej gwarancji, że coś jest dobrą nauką. Możesz zawsze zapytać mnie, ale ja też mogę dać się nabrać, tak jak nabrałem się na fale grawitacyjne rzekomo odkryte przez BICEP2. Ale mogę cię pocieszyć: wystarczy poczekać, bo zła nauka po prostu znika. Na ogół szybko.

To może jeszcze jedno pytanie: jak bardzo denerwuje cię, kiedy mylą ciebie – astronoma – z astrologiem?

Bardzo! Ale twoje pytanie mnie nie denerwuje, bo o tym ambarasującym problemie trzeba coś powiedzieć. Ambarasującym, bo mimo że astrologia nie ma żadnych, ale to żadnych naukowych podstaw, jest brana na poważnie przez olbrzymią część społeczeństwa, od polityków, artystów, sportowców po gospodynie domowe, a nawet proboszczów.

Wróżby chyba nieszczególnie dają się pogodzić z katolicyzmem.

Więcej: astrologia była potępiona jako niebezpieczny zabobon przez Kościoły chrześcijańskie prawie od zarania. Po nawróceniu Rzymu na chrześcijaństwo cesarz Konstantyn wydał edykt grożący karą śmierci za uprawianie astrologii, potępił ją Święty Augustyn i jest potępiona w Katechizmie Kościoła katolickiego, zatwierdzonym przez Jana Pawła II. Jak widać, zakaz nie był i nie jest zbyt skuteczny.

Ale ty nie pytałaś o związek astrologii z religią, tylko z nauką. Wspomniałem o tym jedynie dlatego, że rzadko się zdarza, by coś, co jest ostro i zgodnie potępione zarówno przez Kościół, jak i naukę, cieszyło się takim społecznym powodzeniem. To chyba jedyny taki przykład.

A jednak do XVII wieku prawie wszyscy astronomowie byli też astrologami i zajmowali się stawianiem horoskopów. Jedyny wyjątek to może Kopernik, o którym nie wiadomo, by się tym zabobonem zajmował. Kepler był astrologiem, ale już Galileusz uważał astrologię za przesąd. Związane jest z tym zabawne i pouczające nieporozumienie. Otóż Kepler uważał słusznie, że przypływy i odpływy mórz wywołane są różnicą przyciągania ziemskiego i przyciągania księżycowego. Natomiast Galileusz niesłusznie twierdził, że pływy wywołane są obrotem Ziemi wokół własnej osi i wokół Słońca. A pomysł Keplera, że Księżyc mógłby mieć wpływ na wody oceanów, uważał za niepoważny, wręcz dziecinny. Tym bardziej że w astrologii Księżyc związany jest z wodą. Dla Keplera fakt, że Księżyc ma wpływ na ocean, znaczył, że może on – podobnie jak planety – mieć wpływ na człowieka, Kepler nie wiedział bowiem, skąd się bierze księżycowe przyciąganie. Teraz wiemy – dzięki Newtonowi – że chodzi o grawitację Księżyca i Słońca, które też odgrywa w tym pewną rolę. Wiemy też, że wpływ tej grawitacji na człowieka jest nieistotny.

Ale i tak astrologia nie mówi, na czym ten wpływ miałby polegać, a zasady stawiania horoskopów są zupełnie arbitralne, na co jest mnóstwo dowodów.

Mój przyjaciel i uczeń Marek Abramowicz, świetny astronom, katolik i racjonalista, miał już dość wysłuchiwania podczas dyskusji z astrologami komentarzy w stylu: „A bo panowie nie znacie naszych metod”. Marek się tych metod nauczył i mógł stawiać horoskopy jak zawodowy astrolog. Kiedyś postanowił zdemaskować arbitralność astrologii w telewizji. Opowiada o tym zabawnie znakomity astronom Józef Smak w książce pod tytułem Opowiadania starego astronoma[3]. Marek – po skutecznym, wydawałoby się, wykazaniu przed telewizyjną publicznością nienaukowych metod astrologii – wybierał się, zadowolony z siebie, do domu, gdy okazało się to niemożliwe: przed studiem natknął się na długą kolejkę czekających na niego pracowniczek telewizji. Po gmachu bowiem lotem błyskawicy rozeszła się wiadomość: tu jest prawdziwy astronom, które umie stawiać prawdziwe horoskopy!

Wyborne! I jak się to skończyło?

Nie wiem i wolę nie pytać. Ale jak widzisz, nic i nikt nie daje rady. Ani Kościół, ani nauka, ani wykazanie krok po kroku, na czym polega całkowita dowolność metody.

Ze mną będziesz miał łatwiej, będę pytać tylko o fizykę i astronomię. Chociaż to trudniejsze niż wiara w astrologię, bo w nauce, fizyce, żeby coś zrozumieć, dostać nagrodę w postaci satysfakcji, trzeba się napracować. Ja też się trochę nagłówkuję w czasie naszych rozmów, prawda?

Tak, ale będę się starał, by to wszystko nie było za trudne, a za to zabawne. Ty będziesz mnie pilnowała, tego jestem pewien. Mamy komfortową sytuację, bo nie będziemy spisywać podręcznika, ale zaspokajać twoją ciekawość. Trochę wysiłku się opłaci, obiecuję!

[1] Cytaty za Biblią Tysiąclecia.

[2] C.P. Snow, Dwie kultury, tłum. T. Baszniak, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.

[3] J. Smak, Opowiadania starego astronoma, PTA – TNOiK „Dom Organizatora”, Toruń 2010.

Rozmowa 2

Skąd się wzięliśmy?

Dalsza część dostępna w wersji pełnej

Spis treści:

Okładka

Strona tytułowa

Słowo wstępne

Przedmowa do wydania drugiego

Przedmowa do wydania pierwszego

Rozmowa 1. Po co nam to wszystko?

Rozmowa 2. Skąd się wzięliśmy?

Rozmowa 3. Gdzie jesteśmy?

Rozmowa 4. Co było na początku?

Rozmowa 5. „Najważniejsze jest niewidoczne dla oczu”

Rozmowa 6. Jak ci mija czas?

Rozmowa 7. Spadaj swobodnie

Rozmowa 8. Świergot czarnych dziur

Rozmowa 9. Czarne dziury

Rozmowa 10. Skąd wy to wszystko wiecie?

Rozmowa 11. Kosmos dostrojony?

Rozmowa 12. Czy fizycy wierzą w Boga?

Leksykon terminów fizycznych

Spis ilustracji i źródeł

Strona redakcyjna

Copyright © Karolina Głowacka, Jean-Pierre Lasota, 2017

Copyright © Wydawnictwo RN, 2024

Redakcja: Gabriela Niemiec

Korekta: Przemysław Żbikowski

Opieka redakcyjna: Anna Radwan-Żbikowska

Opieka produkcyjna: Tomasz Jaroszek, Justyna Jaroszek

Projekt okładki: Ula Pągowska

Rysunki: Konrad Kondratowicz

Opracowanie graficzne wykresów: Filip Pachla

Projekt makiety: Mimi Wasilewska

ISBN 978-83-972751-5-7

Wydanie II poprawione i rozszerzone, Warszawa 2024

Wydanie I: Prószyński i S-ka, Warszawa 2017

Wydawnictwo RN

Opracowanie ebooka: Katarzyna Rek