Dowód na istnienie Boga

Ile już odczytaliśmy z tego rozdziału księgi przyrody?

Wciąż się czegoś dowiadujemy, m.in. dzięki nowym technikom badawczym, jak misje kosmiczne i wielkie teleskopy nowej generacji. Kosmologia stała się dziś nauką doświadczalną, w której weryfikuje się różne teorie i hipotezy. Wciąż też czegoś szukamy, jak choćby tzw. ciemnej materii, która w 70 proc. wypełnia Wszechświat, a my nie wiemy, z czego się składa. Ale na temat Wszechświata, jego budowy i historii wiemy dziś naprawdę bardzo dużo. Znamy na przykład z ogromną dokładnością wiek Wszechświata – 13,8 mld lat, choć jeszcze niedawno mówiło się o 10, a może 20 mld; wiemy, że Wszechświat się rozszerza, znamy jego geometrię. Ale zawsze najbardziej przyciąga naszą ciekawość to, co znajduje się poza granicą naszej wiedzy. Dlatego już od dłuższego czasu zajmuję się nie tyle kosmologią, ile poszukiwaniem kwantowej teorii grawitacji. (Podobno jest regułą, że w pewnym wieku każdy kosmolog zaczyna zajmować się kwantową grawitacją). Ta teoria ma wyjaśnić pierwsze sekundy istnienia Wszechświata. To jest dziś zagadnienie numer jeden dla fizyki.

Dlaczego to jest takie ważne?

Miniony wiek dał nam dwie wielkie teorie opisujące dwa różne aspekty rzeczywistości. Pierwsza, to stworzona przez Einsteina teoria względności, będąca podstawą kosmologii – nauki, która pozwala nam wyjaśnić, co się dzieje we Wszechświecie, a więc w bardzo dużej skali, największej, do jakiej mamy dostęp. Druga teoria, mechanika kwantowa, zapoczątkowana w 1900 r. przez Maksa Plancka, stosuje się do mikroświata, do układów bardzo małych, takich jak atomy i cząstki elementarne. Obie teorie, mimo odmiennych założeń, doskonale opisują rzeczywistość, jednak tylko tak długo, dopóki nie wchodzi się w obszar, w którym powinny ze sobą współpracować. Dotyczy to właśnie stanu, jaki musiał panować na początku Wszechświata w pobliżu Wielkiego Wybuchu, kiedy to, co lokalne, staje się globalne. Jest to tzw. era Plancka, gdy gęstość materii przekraczała 10 do 93 potęgi gramów na centymetr sześcienny. W tych warunkach obie teorie załamują się, znane nam równania przestają działać.

Matematyczny odpowiednik Wielkiego Wybuchu nazywa się osobliwością początkową. Jeszcze Einstein wyobrażał sobie osobliwość jako punkt, z którego wybuchł świat. Ale to niedobre wyobrażenie. Osobliwość to miejsce, w którym nie było czasu i przestrzeni. Te podstawowe dla naszego postrzegania świata pojęcia załamują się po przekroczeniu progu Plancka, a gdy nie ma czasu i przestrzeni, nie można mówić o geometrii, a więc i o żadnym punkcie. Potrzebna jest więc jakaś nowa teoria, łącząca teorię kwantową i teorię względności, inaczej mówiąc – kwantowa teoria grawitacji. Jeżeli Wszechświat istniał przed osobliwością, zapomniał, jaki był, wszelkie informacje o czymkolwiek, co mogło istnieć przedtem, zostały wymazane z obecnej fizyki.

Znane nam oddziaływania fizyczne – elektromagnetyczne i jądrowe – dość łatwo ujawniają swoją naturę kwantową. Natomiast grawitacja jest oddziaływaniem bardzo słabym, ale robi się coraz silniejsza, im bardziej cofamy się do początku Wszechświata, w miarę, gdy rośnie gęstość materii. Intuicja fizyczna mówi, że w erze Plancka grawitacja powinna ujawnić swoją kwantową naturę, tym samym prowadząc do unifikacji obu wielkich teorii fizycznych.

Jak blisko jesteśmy tej nowej wielkiej teorii?

Gdy wreszcie znajdziemy ostateczną teorię unifikującą, stanie się to wielką naukową rewolucją. Mamy już kilka poważnych programów badawczych i szereg roboczych modeli, które nas do tej rewolucji przygotowują. Prawie wszystkie próby zunifikowania fizyki prowadzą do wniosku, że poszukiwana teoria będzie miała wiele do powiedzenia na temat czasu i przestrzeni. Być może będzie to teoria aczasowa i aprzestrzenna, być może czas i przestrzeń będą istnieć, ale w jakiejś innej niż obecnie konfiguracji, np. jako jedne z wymiarów jakiejś całkiem odmiennej geometrycznej struktury. Z tym wiąże się problem przyczynowości. Przyczynowo-skutkowe łańcuchy zdarzeń rozciągają się przecież w czasoprzestrzeni. W świecie bezczasowym i bezprzestrzennym przyczynowość nie może dotyczyć poszczególnych zdarzeń, musi mieć jakiś inny charakter. Takie wyniki są sugerowane przez popularne obecnie teorie superstrun, pętli Asztekara czy M-teorię.


JĘZYK WSZECHŚWIATA

Czy można to wszystko zrozumieć?

Nikt nie powiedział, że nasz umysł jest w stanie zrozumieć początek świata, a zwłaszcza że wszystko można wyrazić naszym językiem. Tylko do pewnego poziomu daje się przekładać naukowe teorie na język potoczny. Na przykład według teorii superstrun cząstki elementarne nie są – powiedzmy – punkcikami, lecz małymi niteczkami o rozmaitych poplątanych kształtach. Z geometrii tych nitek próbuje się wyprowadzić całą fizykę. To są oczywiście tylko porównania. Dziś wydaje się, że teoria superstrun nie jest teorią ostateczną, ale szczególnym przypadkiem bardziej ogólnej, zwanej M-teorią.

Skąd ta nazwa?

Z braku lepszej. Być może któryś z uczonych zakochał się w Magdzie? Niektórzy mówią, że M pochodzi od słowa tajemniczy (mysterious), ale bardziej prawdopodobnie od matematycznego terminu macierz, czyli Matrix. M-teorią zajmują się setki ludzi. Jest to ogromny program, który doprowadził do rozkwitu wielu działów matematyki.

W M-teorii przyjmuje się istnienie nie tylko jednowymiarowych strun, ale też tworów o większej liczbie wymiarów, np. dwuwymiarowych membran. Inny program, stworzony przez hinduskiego matematyka Asztekara, wprowadza pewne nowe zmienne do teorii względności, tak że robi się ona bardziej podobna do mechaniki kwantowej. Dziś widać pewne zbliżenie strunowców i asztekarowców, ale co i kiedy z tego wyjdzie, jeszcze nie wiadomo. Oprócz tych dwóch wielkich programów są i małe, angażujące po kilka osób, jak choćby mój – i kilku moich współpracowników – program geometrii nieprzemiennej.

Cóż to takiego?

Dziś to bardziej teoria matematyczna niż fizyczna. Nasz model jest obiecujący, choć na razie stworzyliśmy coś, co nazwałbym modelem zabawkowym, służącym do testowania pewnych koncepcji. Praca nad tym modelem dostarcza nam wiele radości, choć nie jest łatwa. Nawet gdyby nasz model okazał się nieprawdziwy, ma on niejaką wartość, gdyż ukazuje pewne możliwości pojęciowe. Pozwala on na przykład przypuszczać, że w erze Plancka, kiedy nie istniał czas, mogły jednak zachodzić jakieś zmiany. Dynamika kojarzy się nam z następstwem czasowym, ale nieprzemienna kosmologia kwantowa, jak inaczej można określić nasz model, dowodzi, że czas nie jest potrzebny, aby działały jakieś siły i zmieniały się stany, choć nasz język nie potrafi tego opisać.

Otóż to. Po raz kolejny mamy problem językowy: jak wyrazić Wszechświat?

Językiem Wszechświata jest matematyka. Cała fizyka jest właściwie matematyką z pewnym naddatkiem interpretacyjnym, odnoszącym struktury matematyczne do rzeczywistego, dostępnego eksperymentom świata.

Prawa matematyki nie podlegają zmianom, są wieczne, istnieją niezależnie od świata materialnego i od naszego umysłu. Gdy wykonuje się pracę matematyka, silnie doświadcza się tego, że nie można zmienić wyników. Żadna bomba nie usunie przeszkody, nie ocali wyniku, jeśli popełniliśmy błąd w matematycznym rozumowaniu. Znany jest przykład z historii nauki, gdy w 1915 r. Einstein rozwiązywał swoje słynne równanie pola grawitacyjnego i wychodziło mu, że Wszechświat jest niestabilny. On sam z tym się filozoficznie nie zgadzał. Dodał wówczas do równania człon, zwany kosmologicznym, żeby zmusić równanie do stabilności. I co się wkrótce okazało? Że świat nie jest stabilny, że się rozszerza, odkryto efekt ucieczki galaktyk. Matematyka stawia taki właśnie opór naszej woli. Co więcej, niekiedy zdaje się wiedzieć, jak świat jest zbudowany.

Czasem używam innego porównania. Jak wiadomo, w komputerze znajdują się jakieś druty, półprzewodniki, płytki, czyli tzw. hardware. Podobnie obiekty, które można zobaczyć na niebie i zmierzyć, to hardware Wszechświata – materia, z której wszystko jest zrobione. Ale cała ta maszyneria, komputerowa czy kosmiczna, nie miałaby sensu, gdyby nie było programu, software. Językiem Wszechświata jest matematyka, jego software jest pisany językiem matematyki. Matematyka to nauka o bardzo pięknych, abstrakcyjnych strukturach.