listopad 1997

Wykład inauguracyjny (nowego roku akademickiego 1997/1998 w Uniwersytecie Opolskim) prof. dr. hab. Bolesława Grabowskiego "U granic czasu i przestrzeni"

Próg wielkiej tajemnicy

Czas - nieuchwytny, ale jak najbardziej realny i nieodłączny towarzysz naszego życia. Czym on jest w istocie? To pytanie od wieków nurtuje uczonych - filozofów, fizyków, astronomów, matematyków, ... a mimo to ciągle nie mamy na nie dobrej odpowiedzi. W starogreckiej mitologii uosobieniem czasu był bożek Chronos, pod którego bacznym i apodyktycznym okiem płynął strumień istot ziemskich, w jednym tylko kierunku: od zaistniałej już, znanej przeszłości ku potencjalnej i niepewnej przyszłości. Wczesnochrześcijański filozof, Św. Augustyn, twierdził, że czas jest cechą wszechświata stworzonego przez Boga i przed początkiem wszechświata nie istniał. Dla wielkiego osiemnastowiecznego filozofa czas był iluzją; iluzją była też przestrzeń, a także namacalny, twardy, a nawet kaleczący go świat materialny. Anegdota głosi, iż współczesny filozofowi, równie znany przyrodnik, gdy zetknął się z tak „iluzyjnym” poglądem , zawołał z pogardą : „O, tak go obalam!” i kopnął pobliski kamień.

Na chwilę zachowajmy w pamięci te znamienne kontrowersje.

Druga kategoria - przestrzeń - odpowiada własnościom naszego intuicyjnego, trójwymiarowego i prostoliniowego postrzegania; z nią nie ma zasadniczych trudności pojęciowych. Na temat przestrzeni epoka starogrecka wypowiedziała się nie tylko mitologicznie, ale i w prawdziwie wielkiej nauce: geometrii Euklidesa.

 Geometria euklidesowa jest wzorem ścisłości matematycznej, ale też jest pierwszą w dziejach wielką teorią fizyczną. Wokół niej przez ponad dwa tysiące lat krzepły fundamenty, na których później Newton zbudował wspaniałą katedrę mechaniki, imponującą pięknem i ogromem. Czas (choć pozostał zagadką co do swojej istoty) i przestrzeń (euklidesowa właśnie, choć także kryła w sobie niespodzianki, o jakich nie śniło się filozofom) legły u podstaw newtonowskiej katedry. Odnajdujemy je w samym jej centrum, jako widownię dramatów ziemskich i niebieskich. Dodajmy: widownię bierną i całkowicie obojętną na te dramaty.

Uderzającą nowością newtonowskiej teorii był matematyczny opis przyrody. Teoria powstała z analizy obiegu ciał niebieskich, ale poprawnie tłumaczyła nie tylko zjawiska znane na niebie, ale także na Ziemi; więcej: przewidywała zjawiska, które odkryto znacznie później! Szeroko znane stało się powiedzenie, że równania matematyczne są mądrzejsze od tego, kto je sformułował.

Dzieło uniezależniło się od twórcy. Stało się dziedzictwem kulturowym następnych epok, chętnie dyskutowanym (zwykle z zerowym jej rozumieniem) w tzw. „dobrych towarzystwach”, a także swoistą ideologią światopoglądową, rozciągającą swoje panowanie na wszystkie dziedziny aktywności ludzkiej. Nawet w kręgach naukowych szeroko podzielana była teza, iż na mapie ludzkiej wiedzy już wkrótce nie będzie białych plam, gdyż wszystko wyjaśni mechanika. Mechanika jest dobra na wszystko! Newtonowska mechanika czuła się powołana - i była chętnie „zapraszana”! - do tego, by opisywać przyszłe losy jednostek i społeczeństw, czy wyjaśniać doznania artystyczne i duchowe. Wielki fizyk drugiej połowy dziewiętnastego wieku, Ludwig Boltzmann, z pełnym optymizmem utrzymywał, że mechanistycznie będzie można wytłumaczyć powstanie pojęcia piękna, podobnie jak pojęcia prawdy. Cały wszechświat jawił się wtedy jako samonapędzająca się, dobrze naoliwiona machina, w której każdy - nawet najmniejszy - trybik ma swoją rolę do odegrania i ma deterministycznie przewidziany ostateczny los. Nie ma w nim miejsca na wolną wolę człowieka i na jego swobodny wybór. Mechanika zaś jest kompetentna w opisie wszechrzeczy - od najmniejszych drobin do krańców wszechświata. Bóg został zredukowany do roli „zbytecznej hipotezy”, jak to lapidarnie ujął Pierre Laplace w rozmowie z Napoleonem.

Mechanika, która u Newtona łączyła się z refleksją teologiczną i z elementami mistyki wobec Najwyższego Rozumu w przyrodzie i „misterium wszechświata”, w fizyce bliższej naszym czasom otrzymała zupełnie odmienny komentarz filozoficzny.

Tak ukształtowany mechanicyzm bardzo długo sprawował despotyczne rządy w umysłach ludzi, nie tolerując przy tym żadnej konkurencji. (Nb. spóźnieni sukcesorzy tej ideologii są do dziś dobrze słyszalni, gdy ex cathedra pouczają „ciemnogrodzian”.)

 Zatrzymajmy się na chwilę u progu XX wieku, równo sto lat temu, aby spojrzeć na panoramę ówczesnej nauki: dominacja fizyki jest absolutnie niepodważalna i jedynie matematyka, jako język fizyki, dzieli z nią splendor panowania. Ale, jak to często bywa, triumfalizm i bezbrzeżna pewność siebie, już kryją w sobie zapowiedź zbliżającej się przegranej. Trzeba było ledwie paru lat, aby ten imponujący wielkością i pięknem gmach dziewiętnastowiecznej fizyki zadrżał w posadach i legł w gruzach. Prawa fizyki okazały się wewnętrznie sprzeczne, gdy zastosowano je do opisu atomu.

Nowy wiek fizyki

 Znane jest powiedzenie: nowa fizyka nastała z nowym wiekiem. Nastała ona we wstrząsach i przełomach dwóch wielkich rewolucji naukowych. Pierwszą zapoczątkował Max Planck w grudniu 1900 roku wprowadzeniem stałej fizycznej, określającej dolną granicę podziału energii światła i - jak się później okaże - zarazem dolną granicę poznawalności materialnego mikroświata. Znamy ją odtąd jako stałą Plancka. Drugą rewolucję nazwano celnie „rewolucją 1905 roku” - w tym bowiem roku została opublikowana pierwsza część wielkiego rangą (a skromnego objętościowo) dzieła Einsteina: teorii względności, degradującej mechanikę Newtona do roli szczególnego przypadku.

Wstrząsy i przełomy były iście straszliwe. W 1906 r. Boltzmann w obliczu ostatecznego załamania się porządku XIX-wiecznej fizyki popełnił samobójstwo. Koniec huraoptymizmu starej fizyki, pretendującej do rangi Absolutu, zbiegł się z akordem tragicznej śmierci detronizowanego monarchy.

Nastała era magii mechaniki kwantowej - wielkiej XX-wiecznej teorii mikroświata, przemawiającej językiem delfickiej Pytii: tu - nie tu, cząstka - nie cząstka, teraz - nie teraz, i drugiej wielkiej teorii naszego wieku - teorii makroświata, całkowicie rozchodzącej się z naszym intuicyjnym trójwymiarowym postrzeganiem. Obie teorie usadowiły się w rozłącznych królestwach swoich kompetencji - jedna u granic wielkości nieskończenie małych, druga - nieskończenie dużych.

Przed zdumionymi oczami fizyków materialne minigrudki atomów rozpłynęły się niemal dosłownie - przeistoczyły się w struktury utkane z włókien mgieł, cieni i matematycznych funkcji. Minicząstka mogła być naraz w dwóch różnych miejscach przestrzeni i zarazem w ogóle nie być cząstką. Stała się paczką fal - swoistą, nielokalizowalną, „nieobliczalną” iluzją właśnie: nie wskutek niemocy naszego dzisiejszego instrumentarium naukowego, ale z samej swojej istoty, z mocy tajemniczych i cudownych praw rządzących mikroświatem. Jeśli ktoś nie jest wstrząśnięty mechaniką kwantową, to znaczy że jej nie zrozumiał - wspomni później jeden z jej głównych twórców, Niels Bohr.

Czy świat kwantów jest konieczny, aby z jego tworzywa mogły powstać myślące i czujące istoty, takie jak my sami? Czy tą właśnie ścieżką, której wyrazem jest znana w fizyce zasada nieoznaczoności Heinsenberga, przeniknął do materii duch samoświadomości? Zostało człowiekowi nadane prawo do wolnego wyboru? Nie ma żadnej, bardziej niż fizyka właśnie, podstawowej nauki przyrodoznawczej, na którą dałoby się zrzucić uwierający ciężar pytań ostatecznych. A fizyka, mimo jej oszałamiających sukcesów, dziś staje wobec nich w pokorze. Czy zatem można je stawiać nauce?...

Kraina czarów

Na drugim - wielkoskalowym biegunie świata, rozciąga się nie mniej zaczarowana kraina Mr. Tompkinsa. Największą prędkością w przyrodzie jest prędkość światła, równa 300 tys. km/s, niezależnie od tego jak względem siebie poruszaliby się nadawca sygnału świetlnego i jego odbiorca; zegary w ruchu, lub w wielkich polach grawitacyjnych, chodzą wolniej, a lecący foton w ogóle nie odczuwa upływu czasu!

Co teraz z głównymi bohaterami naszych rozważań: czasem i przestrzenią, stanowiącymi dotąd oddzielne składowe biernej, wyalienowanej areny zdarzeń fizycznych? „Od tej chwili - to są słowa matematyka, Hermana Minkowskiego, z 1908 roku - czas sam w sobie i przestrzeń sama w sobie są skazane na rozpłynięcie się w cieniach, a jedynie rodzaj ich zjednoczenia zachowa swoją niezależną realność.” Pojawia się nierozdzielne czterowymiarowe kontinuum - czasoprzestrzeń, która nada einsteinowskiej teorii względności najbardziej elegancką postać matematyczną. Grawitacja ujawnia się jako zakrzywienie czasoprzestrzeni, zaś zakrzywienie czasoprzestrzeni rządzi ruchem ciał, a więc i grawitacją. Scena staje się współaktorem w dramacie. Wypływają prawdziwe monstra - osobliwości (w rozumieniu matematyki), w których grawitacja jest tak potężna, iż z tej grawitacyjnej otchłani nawet światło nie jest w stanie się wydostać: czarne dziury.

Monstra te są jedną wielką zagadką, z implikacjami nawet dla historii losów całego wszechświata.

A wszechświat to już nie Układ Słoneczny, jak sądzili Kopernik i Newton i nie pojedyncza galaktyka, jak mniemano jeszcze na początku naszego stulecia. Przed zaskoczonymi oczami badaczy otwiera się wszechświat, którego rozmiary wprost nie poddają się wyobrażeniom, i to wszechświat dynamiczny, rozszerzający się w tempie rosnącym wraz z odległością „od nas”.

Zjawisko ekspansji wszechświata, jednoznacznie wskazujące na to, że wszechświat kiedyś miał swój początek, odkrył obserwacyjnie amerykański astronom Edwin Hubble w 1929 roku.

Reguły bez wędzideł

Często powtarzane są słowa Einsteina „Najbardziej niepojęte jest to, że wszechświat jest pojmowalny”, jakie wypowiedział po latach, gdy okazało się, że równania grawitacji jego Ogólnej Teorii Względności wiedzą lepiej o losach wszechświata niż twórca teorii. Początkowo Einstein nie chciał zaakceptować niestacjonarnego, zapadającego się wszechświata, jakiego wizję podsuwała mu teoria. Próbował stabilizować go sztuczną atrapą - ujemną grawitacją , a potem, zniechęcony, odszedł od tematyki.

Te same równania eisteinowskiej grawitacji, nie krępowane jednak wędzidłem mylącego się w tym miejscu geniusza, prowadziły jeszcze dalej i już wkrótce dwóch młodych matematyków - Aleksandra Friedmana z rosyjskiego Piotrogrodu i belgijskiego księdza, Georgesa Lemaitre’a - niezależnie przywiodły ku pierwszej naukowej wizji stworzenia świata: wszechświat rodzi się w błysku gigantycznego wybuchu i rozwija się ku bezkresom czasoprzestrzeni. Przed wybuchem - czasu ani przestrzeni nie ma. Czas, który minął od chwili wybuchu, Friedman bez wahania nazwał „czasem jaki upłynął od początku świata”.

Parę lat przed odkryciem ekspansji wszechświata Friedman i Lemaitre przewidzieli dokładnie co Hubble miał zaobserwować!

Czasy w młodym Związku Radzieckim były straszne i nikt, kto ośmielił się szerzyć „klechowstwo” (popowszczinu) o początku świata, nie miał prawa przeżyć najbliższych lat. Friedman, szczęśliwie dla niego, zmarł wcześniej, nim wszyscy jego uczniowie zostali zamęczeni w łagrach. Ocalał tylko jeden, który zdołał wcześniej zbiec do Ameryki - znany później w świecie jako George Gamow. W latach pięćdziesiątych Gamow szczegółowo odtworzył scenariusz zjawisk fizycznych w pierwszych chwilach po największej eksplozji wszech czasów, a także przewidział „pogłos” tej eksplozji, jaki jeszcze dziś powinien być „słyszalny” - reliktowe promieniowanie mikrofalowe tła. Teraz z kolei Gamow przewidział dokładnie to, co zostało obserwacyjnie odkryte prawie 20 lat później! Nagroda Nobla przypadła jednak przypadkowym odkrywcom (nb. pracującym nad udoskonaleniem sprzętu telefonicznego), a nie wizjonerowi dziejów wszechświata.

Im potężniejsze narzędzia stosujemy do obserwacji, tym liczniejsze i dalsze - a więc starsze! - obiekty wynurzają się z głębi mroków: obserwowany horyzont wszechświata przesuwa się ku coraz dalszym bezkresom. W istocie rzeczy obserwujemy jednak nie obiekty, lecz ich rozmyte cienie, bezkształtne plamy, w jakie nasza ziemska atmosfera deformuje podobizny obiektów - tym drastyczniej deformuje, im obiekty są dalsze, a więc i słabsze. Całą „resztę”, poniżej pewnego progu, całkowicie gubi w naturalnym szumie - zupełnie niezależnie od wielkości teleskopu. W ten sposób atmosfera ziemska ustanawia nieprzekraczalną granicę, poza którą z powierzchni Ziemi nijak zajrzeć nie można.

To beznadziejne położenie obserwatorów diametralnie odmieniła technika naszej epoki - obserwacje satelitarne, a więc pozaatmosferyczne. W tym dziele wyjątkowa misja przypadła tzw. Teleskopowi Kosmicznemu, który już od kilku lat krąży na wokółziemskiej orbicie. Teleskop nosi imię Edwina Hubble’a i - za wzorem patrona - wpatrzony jest w najdalsze peryferia wszechświata: wpatrzony z precyzją 50 razy większą niż jest to możliwe z powierzchni Ziemi! Jest swoistym wehikułem czasu i przestrzeni: im w dalsze spogląda głębie przestrzeni, tym w głębsze cofa się mroki pradziejów - w dawno temu zaginioną krainę najstarszych reliktów, pamiętających „dni” narodzin światów.

Obserwacja wielkiej myśli

Przez szczelinę, wielkości ziarenka piasku, oczami Teleskopu Kosmicznego patrzymy wstecz w czasie, w tak wielką jego głębię, jak nigdy dotąd: w epokę sprzed 10-13 mld lat! Wśród setek widocznych galaktyk, te najdalsze i najmniejsze powstały „zaledwie” miliard lat po narodzinach czasu i przestrzeni; widzimy je takimi, jakimi były i tam, gdzie były, gdy miały 10-20 % swojego dzisiejszego wieku. A oto i „portrety” owych „dzieci wszechświata”- w takim zbliżeniu, na jakie pozwala dzisiejsza technika. Każde z nich jest wielokrotnie (5-10 razy) mniejsze od naszej rodzimej Drogi Mlecznej; większość jest niebieska - a więc we wczesnej fazie rozwoju.

Spojrzeliśmy przelotem na dwie wielkie drogi, na dwie wielkie wyprawy odkrywcze, na jakie wyruszyli fizycy dwudziestego wieku. Celem pierwszej jest poznanie mikrokosmosu - miniaturowego świata atomów i cząstek elementarnych, aż do ich najgłębszego poziomu struktury, w istocie - do mgieł i pól, które wydają się być podstawowymi włóknami, z jakich utkany jest mikroświat. Druga wyprawa, w której narzędziem jest teleskop - prowadzi na krańce wszechświata i w coraz głębszą przeszłość, aż do progu wielkiej tajemnicy prapoczątku czasu i przestrzeni. U krańców obu tych dróg stajemy w pokorze przed Nieznanym - odmiennie od naszych wielkich, ale jakże mylących się w swym bezgranicznym optymizmie, XIX-wiecznych poprzedników. Przed naszymi oczami wszechświat jawi się nie jako samowystarczalna, wieczna maszyna, lecz jako Wielka Myśl, która przenika cały bezkres i każdy atom z osobna, aż do najgłębszych pokładów jego mikrostruktury.

Dziś, z powodu tylko chwilowego niedostatku danych obserwacyjnych, nie umiemy przewidzieć przyszłych losów wszechświata. Nie wiemy, czy wszechświat będzie się wiecznie rozszerzał, aż umrze we wszechogarniającym chłodzie, czy też kiedyś zawróci z tej drogi i - jak film kręcony wstecz - po własnych śladach pomknie ku swojej zgubie w żarze Wielkiej Zapaści (czy, jak inni to nazywają, Wielkiego Kresu, lub Wielkiego Zgniotu); ku prawdziwemu końcowi świata w takim kształcie, jaki znamy.

Drogi obu wielkich wypraw odkrywczych dwudziestowiecznej fizyki są rozdzielne. Nie dysponujemy jedną, ogólną wizją teoretyczną, która mogłaby przyświecać obu tym wyprawom. Dysponujemy zaś wiedzą szczególną: dobrą, ale tylko asymptotycznie. Nie znamy więc odpowiedzi na rozliczne pytania szczegółowe „dlaczego?” I to także wydaje się być tylko dojmującym niedomaganiem chwili. Istnieje jednak kategoria problemów, które spod rozważań wymykają się z powodów - jak się wydaje - bardziej zasadniczych. Jest to kategoria, w zmatematyzowanym języku nosząca miano warunków brzegowych (lub początkowych). Zdołaliśmy poznać zawiłą matematykę myśli, która rządzi rozwojem wszechświata, swoistą „całkę ogólną” historii świata, ale warunki brzegowe nie wynikają z tego poznania: są dowolne. Tymczasem one są nadane - nadane arbitralnie, z góry, ale zarazem najbardziej optymalnie i trafnie. Są nimi fundamentalne stałe fizyczne, jak stała grawitacji, ładunek, czy masa elektronu. Gdyby były zauważalnie inne - wszechświat już dawno przewertowałby księgę swojej krótkiej historii: od Wielkiego Wybuchu po apogeum, by zapaść się w Wielkim Zgniocie, nie zdążywszy wykształcić żadnych ważnych dla jego losu struktur; albo też przeciwnie: rozpłynąłby się w bezkresach i chłodzie, nie zdoławszy dostatecznie utrzymać materii na grawitacyjnej więzi.

Przyjazny porządek rzeczy

Gdyby były choć nieznacznie inne, wszechświat także nie miałby przed sobą przyszłości: wodór albo zbyt szybko zostałby „wypalony” we wnętrzach gwiazd, nie zostawiając rezerwy, z której mogłaby zawiązać się woda, podstawa wszelkiego życia; albo też zbyt opornie wchodziłby w reakcje termojądrowej syntezy, nie dając szans dla perspektyw zsyntetyzowania atomów tlenu i węgla, z których - na końcu panoramy dziejów - mogłyby powstać organizmy żywe. A przecież niezwykła opowieść o żmudnych milionletnich przygotowywaniach każdego atomu w żarze gwiezdnych palenisk do przyszłej roli „cegiełki” w ciałach żywych istot, w tym nas samych, zdarzyła się naprawdę! Z przejęciem uświadamiamy sobie, że porządek wszechrzeczy został tak dobrany, aby był nam maksymalnie przyjazny - jakby był podporządkowany głównemu celowi: pojawieniu się w podgwiezdnym świecie świadomego obserwatora, który będzie umiał dostrzec i zachwycić się pięknem i mądrością tajemniczego misterium wszechświata. Który wreszcie w zadumie postawi pytania nt. swego pochodzenia, celu istnienia, przemijania w czasie, wieczności...

Wieczności, która czymże jest w istocie? Przebywaniem w czasie od minus do plus nieskończoności, wzdłuż tej drogi, jaką (na krótszym dystansie) przebiega makrokosmos?, czy może - jak to wieści rodząca się właśnie, mglista jeszcze, grawitacja kwantowa najgłębszych poziomów mikroświata, poniżej progu Plancka, gdzie czas rozpływa się i ginie we fluktuacjach kwantowych - wieczność jest trwaniem poza czasem?