Miesiąc: Grudzień 2022

Bo tak

Fizycy strasznie nie lubią wyjaśnienia „bo tak”. Na ogół nie zadowalają się stwierdzeniem, że jest, jak jest, tylko pytają dlaczego jest, jak jest.

Swego czasu fizyka ograniczała się do odkrywania nowych zjawisk, katalogowania ich i coraz staranniejszego mierzenia. Tak było w czasach antycznych i wczesnych nowożytnych, ale jeszcze w latach ’70 XIX wieku, gdy Philipp von Jolly odradzał Maxowi Planckowi studiowanie fizyki, w której „prawie wszystko zostało już odkryte” i zadaniem fizyki pozostawało tylko robienie coraz dokładniejszych pomiarów, było to podejście bardzo popularne. I choć wyjaśnienia teoretyczne, jak zasady dynamiki Newtona, powszechne prawo ciążenia czy równania Maxwella, były znane i doceniane, ówczesna fizyka koncentrowała się na katalogowaniu i mierzeniu różnych wielkości. Pod koniec XIX ludzkość zgromadziła w ten sposób multum danych. Na szczęście ludziom uważanym dziś za twórców współczesnej fizyki nie wystarczało stwierdzenie, że skoro takie oto są wyniki precyzyjnych pomiarów, to znaczy, że takie są własności Natury, a ludziom nic do tego, tylko próbowali zrozumieć, z czego one wynikają. Żeby wyjaśnić widmo promieniowania ciała doskonale czarnego, Max Planck położył podwaliny pod mechanikę kwantową. Albert Einstein zapostulował istnienie fotonów aby wyjaśnić zjawisko fotoelektryczne. Po niedługim czasie okazało się, że kombinacja tych dwóch podejść prowadzi do zrozumienia widm emisyjnych atomów, precyzyjnie pomierzonych jeszcze w XIX wieku. Gdy Loránd Eötvös doświadczalnie wykazał równość masy ciężkiej (źródła siły ciężkości) i bezwładnej (tej, która występuje w II zasadzie dynamiki), Einstein zadał sobie pytanie dlaczego są one równe, co doprowadziło go do sformułowania Ogólnej Teorii Względności. Przykłady można mnożyć.

Widać, że próby zrozumienia, wyjaśnienia przyczyn zjawisk, a nie samo ograniczanie się do ich zmierzenia i opisu, były w fizyce bardzo płodne. Stało to się wręcz paradygmatem rozwoju fizyki. Fizycy upierają się, by za każdym razem dociekać dlaczego coś jest, jakie jest.

Niestety, są sytuacje, w których fizycy są bezradni i nie znajdują odpowiedzi na pytanie dlaczego. Mam na myśli wyznaczanie wartości fundamentalnych stałych przyrody. No cóż, one są, jakie są i (na razie?) nie widać powodów, dla których nie mogłyby one mieć jakichś innych wartości. Weźmy Model Standardowy oddziaływań fundamentalnych (bez grawitacji). Opisuje on w sposób praktycznie doskonały elektromagnetyzm i oddziaływania jądrowe (silne i słabe), wszystkie jego przewidywania, na czele z istnieniem cząstki Higgsa, udało się potwierdzić doświadczalnie, ale fizycy go nie lubią. Nie lubią go, gdyż zawiera on bodaj 19 parametrów swobodnych, to znaczy wielkości, które potrafimy bardzo dokładnie wyznaczyć eksperymentalnie, ale zupełnie wie wiemy, dlaczego te wartości są takie, jakie są. Potencjalnie mogłyby być inne, ale nawet niewielka modyfikacja zmieniałaby własności sił jądrowych, co mogłoby z kolei wpływać na stabilność jąder atomowych. Dlatego fizycy zajmujący się cząstkami elementarnymi usilnie poszukują „nowej fizyki”, „fizyki poza Modelem Standardowym”, licząc na to, że w ramach takiej szerszej, bardziej ogólnej teorii, wartości parametrów Modelu Standardowego uda się wyliczyć w oparciu o prawa fundamentalne. Fizycy nie musieliby się już ograniczać do doświadczalnego wyznaczania tych parametrów, nie rozumiejąc, skąd się one biorą.

Efekty tych poszukiwań są na razie mizerne, ale fizycy wciąż mają nadzieję na wyjaśnienie wartości parametrów Modelu Standardowego w ramach jakiejś szerszej teorii.

Inaczej jest z fundamentalnymi stałymi przyrody, charakteryzującymi Wszechświat jako taki: stałą Plancka, prędkością światła, ładunkiem elementarnym i stałą grawitacji. Nie dość, że nie wiadomo, dlaczego mają one takie wartości, jakie mają, to zauważono, że gdyby ich wartości były nawet odrobinę inne, zupełnie inne byłyby własności Wszechświata. Wszechświaty byłyby puste (bez materii, jedynie z promieniowaniem), lub przeciwnie, supergęste, lub istniałyby krótko, lub zmiany w charakterze sił jądrowych drastycznie wpłynęłyby na ewolucję gwiazd, lub zmiany w charakterze sił elektromagnetycznych uniemożliwiłyby powstanie stabilnych atomów, lub coś jeszcze innego, równie nieprzyjemnego. W szczególności życie w formie zbliżonej do nam znanej, oparte na chemii złożonych związków, nie mogłoby powstać. Zaburzenie własności Wszechświata uniemożliwiające powstanie życia byłoby możliwe na bardzo wielu poziomach! A jednak życie istnieje. Jest to znane jako problem dostrojenia Wszechświata (ang. fine-tuned Universe).

A fizycy chcieliby wiedzieć dlaczego stałe fundamentalne mają wartości, jakie mają. To pragnienie zrozumienia, połączone z problemem dostrojenia, doprowadziło do powstania zasady antropicznej, której jedno ze sformułowań brzmi

Wszechświat musi mieć takie własności, aby wewnątrz niego, w pewnych okresach jego historii, mogło rozwijać się życie.

Nacisk położony jest na słowo musi. Własności świata nie są przypadkowo takie, że mogło w nim powstać życie, ale istnieje jakaś kosmiczna zasada, która to powoduje. Przeczytałem kiedyś, że Wszechświat potrzebuje inteligentnego życia aby mógł opisać sam siebie. Inni w niezrozumiałej zdolności Wszechświata do podtrzymywania życia dopatrują się dowodu na istnienie jakiegoś Stwórcy lub Projektanta – tak zdaje się sądzić na przykład prof. Marek Abramowicz, autor mocno ostatnio dyskutowanego (i krytykowanego) artykułu w Gazecie Wyborczej. Należy przy tym od razu zaznaczyć, że gdyby taki Stwórca istniał, wcale nie musiałby być podobny do osobowego Boga wielkich religii monoteistycznych. Mógłby, ale nie byłoby to konieczne.

Ja tymczasem w przyjęciu zasady antropicznej, zwłaszcza w formie postulatu istnienia Stwórcy/Projektanta, dopatruję się błędu logicznego petitio principii, założenia tezy, którą chcemy udowodnić. Spójrzmy: Zakładamy, że musi być jakiś powód, dla którego stałe fizyczne mają swoje wartości, a po skonstatowaniu, że te akurat wartości umożliwiają powstanie życia, dochodzimy do wniosku, że Coś specjalnie nadało im wartości takie, aby życie mogło powstać. No ale przecież założyliśmy, że istnieje jakiś powód, więc nie powinniśmy się dziwić, że z tego założenia wywodzimy, że powód w istocie był. To jest błędne koło.

Jeśli założymy istnienie Stwórcy, to możemy spekulować, że istnienie życia było dla Stwórcy w jakimś sensie korzystne, stworzył więc taki świat, w którym życie mogło powstać. Myśmy jednak chcieli pójść w przeciwną stronę i z istnienia życia wywnioskować istnienie Stwórcy, a taka implikacja najwyraźniej nie działa. Jeżeli S, to ż, z tym mógłbym się zgodzić bez większych oporów, ale stwierdziwszy, że ż, nie mogę na tej podstawie wnioskować, że S.

Na pozór wydaje się, że byłoby prościej, gdyby zasada antropiczna wynikała z jakiegoś prawa, meta-prawa przyrody, na przykład regulującego Wielki Wybuch. Jak pisałem poprzednio, nie rozumiemy momentu Wielkiego Wybuchu. W Wielkim Wybuchu znane prawa fizyki załamują się, ewolucja staje się nieunitarna. Może kiedyś lepiej zrozumiemy Wielki Wybuch? Na to z pewnością liczymy. Ba, może uda się pokazać, że fundamentalne stałe przyrody powstającego w Wielkim Wybuchu Wszechświata muszą przyjmować wartości z jakiegoś wąskiego zakresu. Może okaże się, że jest jakieś prawo przyrody, które coś takiego gwarantuje? Nie mam pojęcia. Ale nawet jeśli tak się stanie, będzie to tylko odsunięcie problemu o jeden krok do tyłu. Bo z czego miałoby takie meta-prawo wynikać? Z jakiegoś meta-meta-prawa. A ono z kolei? Wygląda to jak początek regresji do nieskończoności 🙂 Brzytwa Ockhama sugerowałaby rozwiązanie najprostsze: Stałe fizyczne przyjęły swoje wartości zupełnie przypadkowo. Bez żadnego powodu. Bo tak.

Jeśli przyjąć, że wartości stałych fizycznych mogły być dowolne, stwierdzamy jedynie, że okazały się one takie, iż życie mogło powstać. Jeśli Wszechświat jest jedyny, to wartości stałych przyrody po prostu są, jakie są, bez żadnego kosmicznego powodu, bez żadnej generalnej zasady rządzącej powstaniem Wszechświata. Po prostu tak się stało, a my – i być może także inne istoty w innych układach planetarnych i galaktykach – mogliśmy zaistnieć. Ot tak, przypadkowo, nie dla wypełnienia jakiegoś kosmicznego celu. Gdyby wartości stałych były choć odrobinę inne, życie by nie powstało, ale wówczas nie miałby kto się nad tym faktem użalać.

Inną ucieczką od kłopotów, jakie rodzi arbitralne przyjmowanie zasady antropicznej jako „rozwiązania” problemu dostrojenia, jest hipoteza Wieloświata, Multiverse. Ale o tym napiszę osobno.

Max Planck i Albert Einstein

Fizyka a wiara

W świątecznej Gazecie Wyborczej ukazał się dość duży artykuł Marka Abramowicza, astrofizyka, pod dość nieszczęśliwym tytułem Fizyka jest dziś o wiele bliżej uznania istnienia Boga jako aktywnego elementu obiektywnej rzeczywistości.

Każdemu wolno jest szukać uzasadnienia swojej wiary, a komu innemu swojej niewiary, w dokonaniach nauki. Czym innym wszakże jest dowód, czym innym zaś uzasadnienie. Rzecz w tym, że nauka nie dowodzi istnienia Boga ani w ogóle żadnej rzeczywistości nadprzyrodzonej. I w drugą stronę: z nauki nie wynika, że Boga lub innej rzeczywistości nadprzyrodzonej nie ma.

Autor doszukuje się

niemożliwego do zaprzeczenia splątania fizyki z metafizyką

w dokonaniach fizyki współczesnej: względności czasu i przestrzeni, mechaniki kwantowej z nierównościami Bella, splątaniem i teleportacją kwantową, a także astrofizyki i kosmologii. Cóż, pokazuje to, że naiwny, mechanistyczny materializm, charakterystyczny dla fizyki końca XIX wieku, gdy poważni ludzie twierdzili, że w fizyce „wszystko już zostało odkryte”, a później choćby dla myśli stalinowskiej, która w imię tak pojmowanego materializmu sprzeciwiała się mechanice kwantowej i teorii względności, nie ma racji bytu. Fizyka, gdy zaczyna mówić o obiektach bardzo małych lub bardzo dużych i procesach bardzo szybkich lub bardzo powolnych, wykraczających poza nasz „zwykły” obszar poznania, staje się mocno nieintuicyjna. Nasze zmysły, a za nimi nasze narzędzia poznawcze, powstały (lub wyewoluowały, to jest w tym kontekście bez znaczenia) do radzenia sobie z obiektami i procesami jako-tako przystającymi do ludzkiej skali rozmiarów i czasów trwania, od mikrometrów po tysiące kilometrów i od mikrosekund po tysiąclecia. Im bardziej oddalamy się od tej skali w jedną lub w drugą stronę, tym trudniej nam prowadzić pomiary i choć mamy – lub przynajmniej wydaje nam się, że mamy – adekwatny język opisu takich zjawisk, matematykę, uzyskane rezultaty są dla nas trudne do wtłoczenia do codziennej, intuicyjnie dla nas zrozumiałej skali. Wiemy też doskonale, że pewnych zjawisk wciąż nie umiemy ani zmierzyć, ani opisać i domyślamy się, że istnieje gazylion obiektów, o których nawet nie wiemy, że istnieją. We wszystkich tych przypadkach naiwny materializm zawodzi. Mamy nadzieję, że z czasem udoskonalimy nasze teorie naukowe i narzędzia badawcze i kiedyś, choć być może nieprędko, znacząco rozszerzymy dostępny nam obszar poznania. Zarazem wydaje mi się oczywiste, że ludzkość, jak długo by istniała, nie zdoła poznać i zrozumieć wszystkiego. Nie wynika z tego jednak, że musi istnieć jakiś wszechogarniający Bóg. Nie wynika z tego także, że wszechogarniającego Boga nie ma.

Ciekawe, że Abramowicz tylko pobieżnie odnosi się do najpoważniejszej, moim zdaniem, kontrowersji związanej z mechaniką kwantową: koncepcji obserwatora. Rzeczywiście, granica pomiędzy fizyką kwantową a klasyczną, a konkretnie sposób, w jaki obiekty kwantowe przekształcają się we wskazania klasycznych urządzeń pomiarowych, jest źle zdefiniowany. Autor cytuje tu austriackiego fizyka Antona Zeilingera, laureata Nagrody Nobla:

Będziemy się chyba musieli pożegnać z naiwnym realizmem, zgodnie z którym świat istnieje sam z siebie, bez naszego udziału i niezależnie od naszych obserwacji

Skoro obiekty kwantowe dopiero w akcie pomiaru przybierają swoje klasyczne wartości – cząstka zostaje zlokalizowana w jakimś tu, choć przed pomiarem była, w pewnym sensie, wszędzie, kot Schrödingera okazuje się być żywy bądź martwy, choć przed pomiarem nie był ani taki, ani taki (nie, mechanika kwantowa nie twierdzi, że był jednocześnie żywy i martwy), a właściwie w ogóle nie było odrębnego kota – bez obserwatora świat nie może istnieć. Czy to miałoby oznaczać, że bez ludzi cały Wszechświat by nie istniał? Przecież to bzdura, skoro wiemy, że ludzie pojawili się dopiero miliardy lat po powstaniu Wszechświata. Stąd rzekomo miałaby wynikać konieczność istnienia Boga jako „pierwszego obserwatora”. Ot, taka modyfikacja arystotelesowskiej koncepcji pierwszego poruszyciela. Ale to jest fałszywa implikacja. My, ludzkość, po prostu wciąż niedostatecznie dobrze rozumiemy koncepcję pomiaru kwantowego – jest to jeden z tych problemów, które, jak liczymy, kiedyś uda nam się wyjaśnić, choć dziś nam on wciąż umyka. Są już zresztą pierwsze koncepcje teoretyczne, jak choćby teoria dekoherencji. Podobnie zresztą nie rozumiemy samego momentu Wielkiego Wybuchu. Naiwnie interpretuje się go jako akt stworzenia, ale to po prostu jest kolejna rzecz, której jeszcze nie rozumiemy i może kiedyś zrozumiemy. A może nie. Podobnie jak nie wiemy, co dzieje się pod horyzontem zdarzeń czarnej dziury.

Innymi słowy, fizyka wciąż jest – i zapewne zawsze pozostanie – niedoskonała, a im więcej na poziomie formalnym rozumiemy, nawet mogąc to poprzeć eksperymentami, tym bardziej nasze wywiedzione z ludzkiej skali intuicje zawodzą. Ale to niestety, na szczęście, niepotrzebne skreślić, nie dowodzi istnienia Boga.

Marek Abramowicz dość dużo miejsca poświęca temu, że dzięki, jak się wydaje, starannie dobranym wartościom stałych fizycznych,

Wszechświat jest bardzo wyjątkowy, gdyż wyraźnie zdaje się sprzyjać naszemu istnieniu.

Jest to pewna forma zasady antropicznej, o której napiszę oddzielnie.

Autor kończy swój artykuł podając wyniki głosowania na pewnej konferencji fizycznej w Uppsali. Otóż na pytanie: Czy twoim zdaniem istnieją poważne powody na to, by uznać, że Bóg istnieje? trzy czwarte głosujących odpowiedziało twierdząco. No i fajnie. Nie ma w tym niczego dziwnego. Podobnie bowiem jak naiwny materializm jest nie do utrzymania, błędne jest przekonanie, że wiara religijna i „światopogląd naukowy” pozostają w sprzeczności. Światopogląd naukowy wymaga, aby wszystkie obserwowane zjawiska wyjaśniać odwołując się do znanych praw naukowych, a jeśli to się nie udaje, to najpewniej dlatego, że jakichś praw wciąż jeszcze nie znamy lub nie rozumiemy. Jednak postulat, że wszystko potencjalnie da się wyjaśnić w oparciu o prawa naukowe, jest tylko postulatem, założeniem o charakterze filozoficznym, nie zaś prawem naukowym per se. Tym bardziej, że jak napisałem wyżej, zapewne nigdy nie poznamy wszystkich praw naukowych. I nadal nic nie wynika z tego w kwestii istnienia bądź nieistnienia Boga.