Page 1

MICHAŁ Podglądanie Wszechświata to pasjonująca podróż przez historię fizyki i współczesną kosmologię. Autor w przystępny i zwięzły sposób przedstawia najważniejsze problemy tych nauk. Prezentuje ogólną i szczególną teorię względności, mechanikę kwantową i teorię superstrun. Refleksja naukowa łączy się tu z teologiczną – autor stawia pytania o miejsce człowieka w Kosmosie czy relacje między nauką i religią. Do książki dołączono nagrania emitowanego w radiu RDN Małopolska cyklu audycji ks. prof. Michała Hellera Drogami myślących. Ks. prof. Michał Heller (ur. 1936), fi lozof, teolog, fi zyk kosmolog. Pracownik Watykańskiego Obserwatorium Astronomicznego oraz Uniwersytetu Papieskiego Jana Pawła II. W 2008 roku otrzymał prestiżową Nagrodę Templetona.

Cena detal. 37,90 zł

Podglądanie Wszechświata

Podglądanie Wszechświata

Zawiera bezpłatny egzemplarz płyty w formacie MP3

MICHAŁ HELLER

Czy Wszechświat wymaga poprawek? Jak poruszają się gwiazdy? Czy istnieje życie na Marsie? Co to znaczy, że w próżni są dziury?

KSIĄŻKA

Z PŁYTĄ (MP3)

Ponad 10 godzin wykładów o Wszechświecie i nieskończoności


Michał Heller

PODGLĄDANIE WSZECHŚWIATA współpraca Małgorzata Szczerbińska-Polak Paweł Polak

W Y DAW NICT WO ZNAK KR AKÓW 2011


KU WSPÓŁCZESNEJ FIZYCE

Środek Wszechświata czy kosmiczny margines

J

est niemal sloganem, że rewolucja kopernikańska zdegradowała człowieka, pozbawiając go centralnego położenia we Wszechświecie. To prawda, że właśnie w ten sposób następne pokolenia zrozumiały przesłanie Kopernika, że było to dla nich prawdziwym wstrząsem, ale z drugiej strony jest to ogromne uproszczenie historii. Ażeby ocenić, czy człowiek został zdetronizowany, pozbawiony swojej centralnej pozycji, przyjrzyjmy się najpierw, jakie miejsce zajmował w średniowiecznym obrazie Wszechświata. Każda epoka ma swój obraz Wszechświata. Taki obraz jest zwykle mieszaniną elementów pochodzących z nauki, i to zwykle bardzo spopularyzowanych, przetworzonych wyobraźnią, elementów potocznych wyobrażeń, a także literackiej fikcji. Na przykład: w naszym dzisiejszym obrazie świata jest na pewno znacznie mniej poglądów Einsteina niż telewizyjnych obrazów. W średniowiecznym obrazie świata – podobnie – też było mniej Ptolemeusza, wybitnego starożytnego astronoma, mniej astronomicznych epicykli, za pomocą których ówcześni astronomowie wyliczali pozycje planet, a za to więcej wyobrażeń literackich z domieszką elementów pochodzących z wielkopostnych kazań. Alanus ab Insulis, pisarz z tamtych czasów, porównywał Wszechświat do grodu. W środkowym zamku na tronie siedzi Bóg, cesarz 11


PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA

Wszechświata. W Niższych Niebiosach żyje anielskie rycerstwo, a my, na Ziemi, jesteśmy – jak to wówczas mówiono – extra muros – poza murami, narażeni na ataki wrogów. Jak to możliwe, że jesteśmy poza murami, a mamy rzekomo zajmować środek Wszechświata? Wyjaśnił to wielki poeta Dante, który w swojej Boskiej komedii literacko wykorzystał i rozwinął średniowieczny obraz Wszechświata. Porządek przestrzenny, powiada Dante, jest odwrotnością porządku duchowego, materialny Kosmos odzwierciedla, a więc odwraca, tak jak zwierciadło, rzeczywistość. To, co naprawdę jest obwodem, w zwierciadlanym odbiciu staje się środkiem. Tak więc nasza centralna pozycja wcale nie jest aż tak ważna. Bardzo wpływowy w średniowieczu pisarz Makrobiusz twierdził, że przy stworzeniu świata najszlachetniejsza, eteryczna materia wzniosła się do góry, a to, co mniej czyste, cięższe, co nie dało się wykorzystać do wznioślejszych celów, spadło do środka. Z tej gliny, która spadła do środka, my właśnie powstaliśmy. Nasz środek Wszechświata jest więc w gruncie rzeczy kosmicznym śmietnikiem. Wszechświat średniowieczny był teocentryczny, w jego środku znajdował się Bóg, nie był natomiast antropocentryczny; można nawet powiedzieć, że Wszechświat średniowieczny był antropoperyferyczny, znajdowaliśmy się na peryferiach Wszechświata. Potem przyszedł Kopernik i całkowicie pozbawił człowieka jego centralnej pozycji. To potoczna opinia, ale spójrzmy, co zrobił Kopernik. Jego dzieło miało przede wszystkim charakter techniczny. Kopernik przeniósł układ odniesienia z Ziemi na Słońce. Środek Wszechświata u  Kopernika pozostał, zajmowało go teraz Słońce, a nie Ziemia. Pozostały nawet, wprowadzone przez starożytnych, dyferense i epicykle, ażeby ratować zgodność nowego modelu Kopernikowskiego z obserwacjami astronomicznymi. O człowieku i o jego miejscu we Wszechświecie Kopernik nie napisał ani słowa. Jednak jego dzieło miało ogromne konsekwencje, było jak malutka dziura zrobiona w tamie – najpierw sączy się przez nią wąski strumyczek, a potem rwie lawina niszczącej wody. 12


K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE

To, co nazywamy „kopernikańskim zwrotem”, dokonało się w następnych pokoleniach. Myślę, że symboliczne znaczenie tego dokonania doskonale ilustruje dzieło innego wielkiego astronoma – Keplera. Nosi ono tytuł Somnium seu astronomia lunaris  – Sen, czyli astronomia księżycowa. Jest to pierwsza bodaj w dziejach naszej kultury książka typu science fiction, a jednocześnie w pewnym sensie dzieło życia Keplera, który zaczął pisać tę książkę jako student, a ukończył niedługo przed śmiercią. Treść dzieła Keplera jest następująca: przyjazne duchy zanoszą bohatera historii do krainy Lewanii – tak Kepler nazwał Księżyc – by pokazać mu mieszkańców, ich miasta, całą geografię Księżyca, ale także astronomiczne niebo oglądane z Księżyca. Ten fragment pracy Keplera nie był literacką fikcją. Kepler dokładnie powyliczał, jak będą wyglądać planety, gwiazdozbiory oglądane nie z Ziemi, lecz z Księżyca. Argumentował, że mieszkańcom Księżyca wydaje się, że to oni spoczywają, a Ziemia się porusza. „Celem mojego Somnium...  – pisał  – jest przedstawienie dowodu na ruch Ziemi albo raczej próba odparcia, na przykładzie Księżyca, zarzutów biorących się z powszechnego sprzeciwu rodzaju ludzkiego”. Na czym więc polega symboliczne znaczenie Somnium... Keplera? Oto człowiek po raz pierwszy ogląda Wszechświat nie z Ziemi, lecz z Księżyca, został więc zmuszony do tego, aby porzucić swoją środkową pozycję. Ludzie renesansu zapomnieli, że w średniowieczu byli uważani za kosmiczny śmietnik, z trudem przyjmowali to, że zajmują przeciętne miejsce we Wszechświecie. Fakt ten stał się wielkim wstrząsem dla europejskiej kultury, ale to był dopiero początek. Reszty miało dokonać powstanie nauk empirycznych na przełomie XVI i XVII wieku. Zapytajmy więc: czy człowiek jest rzeczywiście tylko mieszkańcem kosmicznego marginesu i niczym więcej? Owszem, czasem może warto w ten sposób pomyśleć o sobie, ażeby nabrać właściwego dystansu do Wszechświata i pewnej pokory wobec przyrody. Trzeba jednak pamiętać, że człowiek jest we Wszechświecie czymś, a raczej kimś bardzo wyróżnionym. To właśnie w mózgu człowieka zabłysła 13


PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA

iskra, która rozwinęła się potem w niezwykłą zdolność stawiania Wszechświatowi pytań i wydzierania mu jego tajemnic. Dzięki tej zdolności człowiek wykracza poza Wszechświat, wykracza poza własną materialność. Tę iskrę poznania możemy śmiało nazwać Bożą iskrą, nosimy ją w sobie i powinniśmy ją starannie pielęgnować.

Jak poruszają się gwiazdy?

W XVII wieku na niebie nad Europą pojawiło się kilka komet, i to widocznych gołym okiem. Największa z nich była kometa odkryta przez Edmonda Halleya. Komety te wywarły wielkie wrażenie na ówczesnych ludziach, a zwłaszcza na myślicielach. W tamtym czasie kilku ludzi, wśród nich Robert Hooke, Edmond Halley i Christopher Wren (ten ostatni był znanym angielskim architektem), postawiło sobie pytanie: pod wpływem jakiej siły działającej między Słońcem a planetą planeta będzie krążyć po orbicie eliptycznej? Problem ten tak męczył Halleya, że postanowił udać się do Cambridge, by przedstawić go Newtonowi. Zaraz po przywitaniu, bez zbędnych wstępów, Halley postawił pytanie: wzdłuż jakiej krzywej poruszałaby się planeta przy założeniu, że przyciąganie Słońca zmniejsza się z kwadratem odległości? Odpowiedź Newtona była natychmiastowa: po elipsie. Na pytanie uczonego, zadziwionego tą odpowiedzią, skąd taka pewność, Newton odrzekł, że już kiedyś to wyliczył. Halley domagał się tych wyników na piśmie, ale Newton nie mógł na poczekaniu odnaleźć swoich dawnych notatek. Obiecał więc, że wkrótce prześle Halleyowi rachunki. Ale i potem tych notatek nie udało mu się odnaleźć, więc postanowił jeszcze raz zrobić wyliczenie. Jednakże prześladował go pech – nie udawało mu się otrzymać poprzedniego wyniku. Próbował wielokrotnie. Po pewnym czasie okazało się, że błąd nie krył się w samych rachunkach, lecz w nie dość dokładnie zrobionym rysunku pomocniczym. Usunięcie tej przyczyny dało natychmiastowy wynik. 14


K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE

Pod wpływem wizyty Halleya Newton uporządkował wszystkie swoje dotychczasowe wyniki, rozbudował je i w jesiennym semestrze wygłosił na uniwersytecie w Cambridge cykl wykładów na temat dynamiki. Stały się one zalążkiem późniejszego głównego dzieła Isaaca Newtona, które nosi tytuł Philosophiae naturalis principia mathematica (Matematyczne zasady filozofii przyrody). Data ukazania się tego dzieła drukiem rozpoczyna epokę nauk empirycznych. W ten sposób powstała nowożytna fizyka, zwana dziś klasyczną, jako pierwsza z wielu nauk przyrodniczych. Mimo swego ogromnego dokonania Newton nie był jednak pierwszy. Sam o sobie powiedział: „Widzę dalej niż inni, bo stoję na ramionach gigantów”. Spośród tych gigantów poprzedzających Newtona należy wymienić przynajmniej dwóch: Keplera z jego największym odkryciem, że planety poruszają się po elipsach – do tego odkrycia doprowadziły go żmudne obserwacje i matematyczna analiza wyników tych obserwacji – oraz Galileusza, który odkrył podstawowe prawa mechaniki, także stosując metodę doświadczenia, pomiarów i matematycznej analizy. To właśnie Galileusz powiedział, że księga przyrody jest pisana językiem matematyki. Newton dokonał wielkiej syntezy tego wszystkiego. Stworzył spójny system świata, w który osiągnięcia Keplera i Galileusza zostały wbudowane. Nie były już one niepowiązanymi ze sobą odkryciami, lecz wynikały logicznie z Newtonowskich zasad. Gdy patrzymy wstecz i podziwiamy dzieło Newtona, chciałoby się powiedzieć, że największym osiągnięciem tego uczonego było stworzenie, czy może udoskonalenie, metody naukowej. Tej samej metody, na której dziś opierają się nauki o świecie i której zawdzięczają wszystkie swoje sukcesy. Metoda ta wspiera się na dwóch filarach  – na matematyce i na doświadczeniu, czyli eksperymencie. Często mówi się, że nasz świat jest matematyczny. Historia nauki, od Newtona począwszy, a nawet jeszcze wcześniej, pokazuje, że ilekroć próbowaliśmy wniknąć w strukturę świata inaczej niż za pomocą matematyki, ponosiliśmy klęskę. Jeśli natomiast uchwycimy 15


PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA

jakieś prawidłowości wykryte doświadczalnie, jeśli wyrazimy te prawidłowości za pomocą równania, to rozwiązując to równanie, uzyskujemy zwykle nowe, nieprzewidziane informacje o Wszechświecie, o których przedtem nie mieliśmy pojęcia, a które potem – z reguły – potwierdza odpowiednio przeprowadzone doświadczenie. Właśnie doświadczenie, czyli eksperyment, jest tym drugim elementem metody naukowej. Jednak nie może to być byle jakie doświadczenie, musi ono zawsze polegać na pomiarze jakiejś wielkości. Wynik pomiaru jest wyrażony w liczbach, a liczby można wstawić do matematycznych równań – i w ten sposób metoda się domyka, i działa niemal niezawodnie. Jako przykład rozpatrzmy słynną teorię Newtona  – teorię grawitacji, czyli powszechnego ciążenia. Podobno Newton wpadł na pomysł tego odkrycia, obserwując spadające z drzewa jabłko. Spojrzał na to zjawisko zupełnie inaczej niż wszyscy dotychczas. Ilu ludzi przed nim obserwowało spadające przedmioty i nikomu nie przyszło do głowy to co jemu. Czasem trzeba się zamyślić, zadziwić rzeczą najzupełniej zwyczajną. Otóż Newton spojrzał na to w następujący sposób: to nie jabłko spada na Ziemię, lecz jabłko i Ziemia przyciągają się nawzajem. Ponieważ Ziemia ma dużą masę, a jabłko małą, wygląda to tak, jakby jabłko spadało na Ziemię. Newton ujął to w słynne równanie, które głosi, że siła przyciągania działająca pomiędzy dwoma ciałami, na przykład pomiędzy jabłkiem a Ziemią, jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi, czyli ażeby tę siłę obliczyć, trzeba znać masy dwóch ciał (jabłka i Ziemi), pomnożyć je przez siebie i podzielić przez odległość między nimi podniesioną do drugiej potęgi. Proste równanie, ale ile mieści się w nim informacji o świecie! Stosując je do różnych sytuacji, można z niego wyliczyć nie tylko ruch spadającego jabłka, ale i ruch wystrzelonego pocisku, ruch planety w jej drodze dookoła gwiazdy, ruch gwiazd w galaktyce i ruch galaktyk w gromadzie galaktyk. Gdy dziś uczeni planują drogę dla pojazdu kosmicznego, także posługują się równaniem Newtona. 16


K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE

Ponieważ jesteśmy ludźmi myślącymi, zadajmy sobie pytanie: dlaczego metoda matematyki i doświadczenia jest aż tak skuteczna w poznawaniu świata? Matematyka uchodzi za szczyt racjonalności, za najbardziej precyzyjne narzędzie rozumowania, jakie mamy do dyspozycji. Dlaczego nasz świat ulega tej racjonalnej metodzie? Widocznie budowa świata, jego struktura, jest niezwykle racjonalna i ujawnia się tylko wówczas, gdy się ją bada racjonalnymi narzędziami. Albert Einstein – obok Newtona chyba największy fizyk wszech czasów – mawiał, że chciałby poznać tylko jedno: zamysł, jaki miał Bóg, stwarzając Wszechświat. Istotnie, stwarzając Wszechświat, Bóg miał racjonalny zamysł, plan lub projekt, wynikający z ogromnej Jego mądrości. Zamysł ten urzeczywistnił. Racjonalny plan Boga jest zawarty w strukturze Wszechświata, podobnie jak projekt architekta tkwi we wzniesionej przez niego budowli. Uczeni, choćby o tym nie myśleli, choćby nawet w to nie wierzyli, nie robią nic innego, jak tylko odszyfrowują plan Stwórcy, zawarty w Jego dziele stworzenia.

Zmagania z czasem i przestrzenią

Bardzo nie lubimy, gdy coś nas ogranicza. A są takie dwie rzeczy (właściwie trudno je nazwać rzeczami, ale brak lepszego określenia), o których prawie nie myślimy, a które – jak nic innego – ograniczają naszą swobodę: to czas i przestrzeń. W czasie możemy być tylko w jednym „teraz”, w tej, a nie innej chwili, i nie możemy cofnąć się ani o sekundę. Jesteśmy właśnie w tej sekundzie, w tej godzinie, w jakiej jesteśmy, i na to nie ma żadnej rady. Urodziliśmy się w chwili, której sami nie wybraliśmy, i umrzemy wtedy, kiedy przyjdzie czas. Z przestrzenią jest trochę lepiej. Możemy na przykład chodzić w różnych kierunkach – tam i z powrotem – możemy zmieniać miejsce w przestrzeni, podróżować samochodem, pociągiem, samolotem. Niektórzy z nas polecieli nawet na Księżyc. Jednak w porównaniu z ogromem Wszechświata to właściwie tyle co stanie w miejscu, 17


PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA

tyle co wychylenie nosa za próg. Nie możemy też być równocześnie w dwóch różnych miejscach. Gdy myślimy o tych ograniczeniach, odczuwamy je jako szczególnie bolesne. I dlatego może warto zapytać: co to jest czas, co to jest przestrzeń? Czy nie jest tak, że czas to jest po prostu to, co pokazuje zegarek, a przestrzeń to jest to, w czym żyję – przestrzeń mojego pokoju, mojego miasta? Ale co się dzieje, gdy nie ma zegarka, nie ma pokoju, nie ma miasta? Przecież istnieje jakiś czas Wszechświata, mówimy też o przestrzeni kosmicznej. Przyznajmy, że istotnie mamy trudności z odpowiedzią na pytania o czas i przestrzeń. Jeżeli zatem mamy kłopoty z odpowiedzią na pytania: co to jest czas, co to jest przestrzeń? – to może zapytajmy mądrzejszych. Isaac Newton w swoim fundamentalnym dziele „Matematyczne zasady filozofii przyrody”, które uważamy za podwaliny nowożytnej fizyki, podał następujące określenie czasu i przestrzeni: „Absolutny, prawdziwy, matematyczny czas, sam przez się i z własnej natury, płynie jednostajnie bez względu na cokolwiek zewnętrznego i inaczej nazywa się »trwaniem«”. Jest to słynna definicja absolutnego czasu. Absolutny, prawdziwy, matematyczny – te określenia mają odróżnić go od czasu pokazywanego przez nasz zegarek. Wszystko istnieje w czasie, ale nic na czas nie wpływa. Nie można czasu przyspieszyć ani opóźnić. Czas jest jak gdyby obojętny na to, co się w nim dzieje, ale i odwrotnie – czas także nie ma wpływu na te procesy i zdarzenia, które w nim zachodzą. Czas upływa – jak powiada Newton – „jednostajnie bez względu na cokolwiek zewnętrznego”. Podobnie ten wielki uczony, określając przestrzeń, pisał: „Absolutna przestrzeń we własnej istocie, bez odniesienia do czegokolwiek zewnętrznego, pozostaje zawsze taka sama i nieruchoma”. Tę Newtonowską absolutną przestrzeń można sobie wyobrazić jako wielkie pudło bez ścian albo takie pudło, którego ściany znajdują się w nieskończoności. Wszystko, co się dzieje, zawarte jest w tym pudle, zawarte jest w przestrzeni, ale ani przestrzeń 18


K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE

nie ma wpływu na przebieg tych zdarzeń, które się w niej dzieją, ani zdarzenia nie mają wpływu na strukturę przestrzeni, w której zachodzą. Jeśli przez chwilę zastanowimy się nad tymi definicjami czasu i przestrzeni, to jesteśmy skłonni przyznać rację Newtonowi: istotnie, czas i przestrzeń są takimi absolutnymi bytami. Rozciągają się w nieskończoność: czas w przeszłość i w przyszłość, przestrzeń we wszystkich kierunkach – na wschód, zachód, południe, północ. Wszystko istnieje w czasie i przestrzeni, ale nic nie ma wpływu na czas i przestrzeń. Wydaje się więc, że Newton nas przekonał; co więcej, wydaje się, że zawsze mieliśmy podobny pogląd jak Newton, tylko ten wielki uczony nam go jaśniej uświadomił. Isaac Newton miał jednak wielkiego rywala. Był nim Gottfried Wilhelm Leibniz  – wielki filozof, niektórzy sądzą, że jeden z najwybitniejszych w całej historii ludzkości. Isaac Newton nie tylko stworzył podstawy mechaniki, a wraz z nią podstawy całej nowożytnej fizyki, ale odkrył także rachunek różniczkowy i całkowy, który jest podstawą dzisiejszej tak zwanej matematyki wyższej (jest to pierwszy dział matematyki, zwany analizą matematyczną, jakiego uczy się na studiach wyższych). Tak się złożyło, że Leibniz także odkrył rachunek różniczkowy i całkowy, i to nawet kilka lat wcześniej niż Newton. Z początku wszystko dobrze się układało między tymi dwoma wielkimi uczonymi, ale przyjaciele Newtona podsunęli mu myśl, że Leibniz podkradł mu pomysł rachunku różniczkowego i całkowego. Dzisiaj wiemy, że tak nie było. Jednakże nie tylko ten spór podzielił wielkich uczonych. Dzieliło ich przede wszystkim zupełnie odmienne widzenie świata, całkiem różna perspektywa filozoficzna. Uwidoczniła się ona także w poglądach Leibniza na czas i przestrzeń. Oto z kolei znana wypowiedź Leibniza: „Co do mnie, niejednokrotnie podkreślałem, że mam przestrzeń za coś względnego, podobnie jak czas, mianowicie za porządek współistnienia rzeczy, podczas gdy czas stanowi porządek ich następstwa”. 19


PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA

Spróbujmy, używając bardziej współczesnych pojęć, zrozumieć to stwierdzenie Leibniza. Wszechświat możemy traktować jako ogromny zbiór rozmaitych zdarzeń i rzeczy. Ten zbiór nie jest chaotyczny, lecz precyzyjnie uporządkowany. Porządek wśród zdarzeń i procesów wprowadzają zawsze jakieś relacje zachodzące między tymi zdarzeniami i procesami. Podobnie zresztą jest w każdym dobrze uporządkowanym mieszkaniu; na przykład jeżeli spożywam posiłek, to muszę pozmywać naczynia i potem położyć je na swoim miejscu, ażeby był porządek. Pomiędzy jedzeniem, zmywaniem, wycieraniem i tak dalej muszą zachodzić pewne porządkujące relacje – to one utrzymują porządek i czystość w moim mieszkaniu. Podobnie jest we Wszechświecie. Wśród relacji porządkujących Wszechświat dwa rodzaje zasługują na szczególne podkreślenie. Pierwszy rodzaj to relacje, które porządkują wydarzenia obok siebie, i w ten sposób właśnie powstaje pojęcie przestrzeni. Drugi rodzaj relacji to takie, które porządkują rzeczy i zdarzenia jedne za drugimi; one są odpowiedzialne za porządek następstwa. W ten sposób powstaje pojęcie czasu. Tak więc czas i przestrzeń to pewne relacje porządkujące. Taki właśnie był pogląd Leibniza. Płyną z niego daleko idące wnioski. Jeżeli nie ma rzeczy i zdarzeń, to nie ma oczywiście relacji między nimi, nie ma zatem czasu i przestrzeni. A więc czas i przestrzeń nie są absolutne, jak u Newtona, nie mogą one istnieć bez rzeczy i zdarzeń. W koncepcji Leibniza czas i przestrzeń są względne, albo inaczej – relacyjne. Ich istotę stanowią relacje porządkujące świat. Teraz możemy zadać sobie pytanie, która z tych dwu koncepcji czasu i przestrzeni – Newtona czy Leibniza – bardziej przypadła nam do gustu. Z tym że nie chodzi o względy estetyczne: która się mniej lub bardziej podoba, lecz o racje rozumowe: którą z tych koncepcji uważamy za bardziej prawdziwą, za opartą na bardziej solidnych argumentach. W historii nauki i filozofii losy tych dwu koncepcji potoczyły się różnymi drogami. Filozofowie i uczeni o nastawieniu 20


K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE

teoretycznym byli skłonni przyznać rację Leibnizowi, bo rzeczy i zdarzenia istnieją rzeczywiście, obiektywnie, a czas i przestrzeń mają istnienie dziwne, jakby bardziej ulotne – ani czasu, ani przestrzeni nie można dotknąć ani zobaczyć, a jednak są, istnieją. Mówią nam o tym wyraźnie nasze ograniczenia czasem i przestrzenią. Tak więc chyba rzeczywiście czas i przestrzeń to są relacje pomiędzy rzeczami i zdarzeniami. Relacji nie można dotknąć, nie można ich zobaczyć, lecz one istnieją naprawdę. Właśnie tak jak czas i przestrzeń. Czyżby więc Leibniz miał rację? Newton miał jeden wielki atut, którego nie miał Leibniz. Stworzył mianowicie fizykę klasyczną, która zaczęła odnosić ogromne sukcesy, i wszystko wskazuje na to, że w klasycznej fizyce czas i przestrzeń mają własności absolutne, właśnie tak jak widział to Newton. Następne stulecia po Leibnizu i Newtonie to jedno wielkie nieprzerwane pasmo sukcesów Newtonowskiej fizyki. Świat ani się nie obejrzał, jak zaczął myśleć po newtonowsku, i to właśnie dlatego, gdy referowałem przed chwilą poglądy Newtona, wydawały się nam one tak dobrze znane i oczywiste. Chociaż o tym nie myśleliśmy, byliśmy przesiąknięci światopoglądem Newtona. Uczyliśmy się go w szkole, myśleliśmy jego obrazami, ale czy świat fizyki Newtonowskiej to jest świat fizyki dzisiejszej, współczesnej – świat teorii względności, mechaniki kwantowej i różnych najnowszych teorii fizycznych? W tym miejscu chciałbym Czytelnika zostawić z następującą refleksją: jest czas i przestrzeń Wszechświata, ale jest też czas i przestrzeń mojego życia; choć mało o nich myślę, czas i przestrzeń stanowią bardzo ważne środowisko, w którym pracuję i żyję. Abstrahując od wielkich filozoficznych dyskusji – czas i przestrzeń mojego życia na pewno mają wymiar absolutny, zostały mi dane i nie mogę ich ram przeskoczyć. Z całą pewnością czas i przestrzeń są czymś, co powinno moje życie porządkować, i to w dużej mierze zależy ode mnie. To ja powinienem z nich zrobić, jak mówił Leibniz, porządek następstwa i porządek współistnienia. 21


PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA

Czas i wieczność

Polemika między Leibnizem, wielkim filozofem, a Newtonem, twórcą nowożytnej fizyki – czy też, mówiąc ściśle, między Leibnizem a Samuelem Clarkiem, uczniem Newtona – porusza wiele do dziś aktualnych tematów. Przynajmniej na jednym z takich tematów pragnę teraz skupić uwagę. Pamiętamy różnicę zdań między Newtonem i Leibnizem w zasadniczej dla nich kwestii natury czasu. Newton twierdził, że czas jest czymś absolutnym, płynącym jednostajnie bez względu na to, co się w nim dzieje i czy w ogóle cokolwiek się w nim dzieje. Leibniz natomiast sądził, że czas to tylko relacje porządkujące zdarzenia jedne po drugich. Te dwie odmienne koncepcje czasu pociągają za sobą inne poważne różnice w rozumieniu świata. Weźmy na przykład problem stworzenia świata. Obydwaj – Newton i Leibniz – byli głęboko wierzącymi myślicielami i dla obydwu prawda o stworzeniu świata była ważna, ale rozumieli ją inaczej. Newton, który twierdził, że czas jest absolutny i płynie od minus nieskończoności do plus nieskończoności, uważał, że w pewnej chwili tego czasu Bóg stworzył świat, to znaczy w pewnych miejscach absolutnej przestrzeni stworzył cząstki materialne, rodzaj atomów, i nadał im początkowe prędkości. Potem prawa mechaniki zaczęły działać i prowadziły świat swoimi torami. A zatem, według Newtona, Bóg stworzył świat w czasie i w przestrzeni. Przed stworzeniem świata była pusta przestrzeń i pusty czas. W pewnej chwili tego czasu świat zaczął istnieć. Leibniz widział to inaczej. Według niego, czas i przestrzeń są tylko relacjami porządkującymi zdarzenia, jeśli zatem nie ma zdarzeń, nie ma czasu ani przestrzeni. A więc przed stworzeniem świata nie było ani czasu, ani przestrzeni. Bóg stworzył świat razem z czasem i razem z przestrzenią. Przyznajmy, że zawsze wyobrażaliśmy sobie stworzenie świata podobnie jak Newton. Bóg istnieje wiecznie, 22


K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE

to znaczy od czasowej minus nieskończoności do czasowej plus nieskończoności. Kiedyś nie było nic, był tylko pusty czas i pusta przestrzeń, i w pewnej chwili Bóg powołał świat do istnienia. Newtonowski obraz świata utrwalił się na kilka stuleci i my w tym obrazie wyrośliśmy. Nawet nasz katechizm przesiąkł tym obrazem. Ale przed Newtonem teologowie myśleli inaczej, myśleli podobnie jak Leibniz. Nigdy nie wyobrażali sobie wieczności jako nieskończonego czasu, lecz raczej jako istnienie poza czasem – w wiecznym „teraz”. Co więcej, najnowsze teorie dzisiejszej fizyki mocno sugerują, że na najbardziej podstawowym poziomie fizyki, w świecie subsubsubkwantowym, także czas nie płynie. Autorzy książek popularnonaukowych, pisząc o tych teoriach, niekiedy ubarwiają swoje opowiadanie, powołując się na świętego Augustyna z Hippony (warto uświadomić sobie, że żył on na przełomie IV i V wieku po Chrystusie), który na pytanie: „Co robił pan Bóg przed stworzeniem świata?”, miał odpowiedzieć: „Stwarzał piekło dla tych, którzy zadają takie pytania”. Skoro w wielu książkach popularnonaukowych można spotkać takie powołanie się na świętego Augustyna, warto zajrzeć do źródła – do Wyznań tego świętego i myśliciela – i sprawdzić, co on rzeczywiście na ten temat miał do powiedzenia. Istotnie, cała jedenasta księga tego dzieła jest poświęcona rozważaniom o czasie i wieczności. Otwórzmy więc Wyznania i przeczytajmy stosowny fragment. Oto on: „Kiedy ktoś mnie pyta: »Co czynił Bóg, zanim uczynił niebo i ziemię?« – nie powtarzam tej odpowiedzi, jaką ktoś kiedyś podobno rzucił szyderczo, aby odsunąć od siebie natarczywość pytającego: »Przygotowywał piekło dla tych, którzy chcieliby dociec tajemnic«. Czym innym jest znalezienie odpowiedzi, czym innym jest szyderstwo. Więc nie tak odpowiem. Gdy czegoś nie wiem, wolę odpowiedzieć: »Nie wiem« – niż wyśmiewać tego, kto zadał trudne pytanie, i zbierać pochwały za pozorną, fałszywą odpowiedź”. Nieco dalej Augustyn, zwracając się do Boga, przybliża swój punkt widzenia: „Jeśli zaś przed powstaniem nieba i ziemi jeszcze 23


PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA

nie było czasu, to jakże można pytać, co czyniłeś »wtedy«? Nie było żadnego »wtedy«, skoro nie było czasu”. A zatem według świętego Augustyna przed stworzeniem świata nie było czasu. Czas został stworzony razem ze światem. Widzimy tu oczywiste podobieństwo do poglądów Leibniza. Powstaje jednak pytanie: jak można wyobrazić sobie wieczność, która nie jest płynięciem czasu od minus nieskończoności do plus nieskończoności. Ideę tę opracował nieco dokładniej filozof o dwa pokolenia późniejszy od świętego Augustyna – Boecjusz, zwany ostatnim Rzymianinem, człowiek o wielkiej kulturze, który żyjąc w czasach zamieszania politycznego, wiele cennych dzieł greckich przetłumaczył na łacinę i w ten sposób ocalił je dla europejskiej kultury. Otóż Boecjusz podał słynną definicję wieczności, która mówi, że wieczność jest „posiadaniem życia całego naraz, w sposób doskonały”. A więc wieczność to życie – nie bierność, lecz życie, pełnia życia, wielka aktywność, ale nie upływająca, nie rozłożona na chwile – cała naraz. Nie ma tu przemijania, jest wieczne „teraz” i doskonałość. Życie takie, jakim je znamy – przemijające, rozłożone na sekundy, godziny, lata – jest tylko bladym cieniem wieczności. Można sobie wyobrazić, że gdy Boecjusz rozmyślał nad czasem i wiecznością, odrywał się od otaczającej go rzeczywistości i zatapiał w kontemplacji. Najpiękniejszym dziełem Boecjusza jest dziełko zatytułowane O pociechach filozofii. Istotnie, pociechy były Boecjuszowi bardzo potrzebne – był on ministrem na dworze króla Teodoryka. Cesarstwo Rzymskie już wtedy właściwie przestało istnieć. Wplątano go w dworskie intrygi, posądzono niesłusznie o zdradę i uwięziono. Właśnie tam, w więzieniu, czekając na wykonanie wyroku, Boecjusz napisał O pociechach filozofii. Dzieło to zdążył ukończyć, zanim wykonano na nim wyrok. Poniósł śmierć przez zmiażdżenie głowy. Zagadka czasu jest jednym z najciekawszych problemów. Jeszcze niejednokrotnie w naszych rozważaniach będziemy do tego zagadnienia powracać. Na zakończenie chciałbym przytoczyć jeszcze jedno zdanie z jedenastej księgi Wyznań świętego Augustyna, zdanie, 24


K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE

które również często się cytuje, rozważając czas. Augustyn napisał: „Czymże więc jest czas? Jeśli nikt mnie o to nie pyta, wiem. Jeśli pytającemu usiłuję wytłumaczyć, nie wiem”. Tak chyba właśnie jest. Każdy z doświadczenia wie, co to jest czas, ale gdy trzeba tę wiedzę ująć w słowa, wszystko komplikuje się i plącze. A więc może warto przynajmniej dziś nikomu nie próbować objaśniać, tylko samemu pomyśleć nad czasem swojego życia, bo tajemnica czasu jest jednocześnie tajemnicą naszego życia.

Czy Wszechświat wymaga poprawek?

Isaac Newton i Gottfried Wilhelm Leibniz na pewno należeli do wybitnych myślicieli. Dyskusje między wielkimi często, jeśli zostają spisane, stają się perłami literatury filozoficznej. Tak było i tym razem. Leibniz napisał ważne dzieło zatytułowane Teodycea, co można przetłumaczyć: „Filozofia Boga”. Księżna Walii Wilhelmina von Ansbach – zwolenniczka filozofii Leibniza – uznała, że jest to dzieło na tyle ważne, że warto je przetłumaczyć na język angielski. Były to czasy (łza się w oku kręci), kiedy to koła rządzące lub zbliżone do rządzących czytywały dzieła filozoficzne. Znalazła więc tłumacza i poinformowała Leibniza, że ma nim zostać przyjaciel Isaaca Newtona, anglikański duchowny Samuel Clarke. Wówczas Leibniz – myśliciel z Hanoweru – zaprotestował. W uzasadnieniu swojej negatywnej opinii Leibniz przeprowadził krytykę filozoficznych poglądów Newtona. Wielki filozof uważał, że zwolennik filozofii Newtona nie może być dobrym tłumaczem jego dzieła, które znajduje się po zupełnie przeciwnej stronie filozoficznych poglądów. Księżna Walii, otrzymawszy list od Leibniza, przekazała go Clarke’owi. Clarke po jakimś czasie odpisał, również na ręce księżnej, i  w ten sposób nawiązała się słynna korespondencja. Księżna przekazywała listy adresatom. Clarke przynajmniej niektóre swoje odpowiedzi uzgadniał z Newtonem. A więc mamy tu do czynienia 25


PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA

w gruncie rzeczy z polemiką między Leibnizem a Newtonem, pomiędzy dwoma gigantami myśli. Dyskusja ta stała się nie tylko świadectwem epoki, ale i kopalnią myśli, nad którymi także i dziś warto sobie łamać głowę. Już w pierwszym liście Leibniza, z listopada 1715 roku, czytamy: „Pan Newton i jego stronnicy mają jeszcze jedno nader zabawne mniemanie o dziele Bożym. Wedle nich, Bóg musi nakręcać od czasu do czasu swój zegar, w przeciwnym razie ustałoby jego działanie. Nie był bowiem na tyle przezorny, aby nadać mu ruch wieczny. Wedle nich, ta machina Boża jest tak niedoskonała, że Bóg musi czyścić ją od czasu do czasu za pomocą współdziałania, a nawet naprawiać, jak naprawia swe dzieło zegarmistrz, który tym gorszym będzie mistrzem, im częściej będzie zmuszony je ulepszać i poprawiać”. Clarke nie był dłużny i na zarzuty odpowiedział w następujący sposób: „Prawdą jest, i to godną pożałowania, że są w Anglii, podobnie jak i w innych krajach, ludzie, którzy odrzucają lub też bardzo zniekształcają religię naturalną. Należy to głównie przypisać, poza zdrożnymi skłonnościami ludzi, fałszywej filozofii materialistów, której w sposób najbardziej bezpośredni przeciwstawiają się matematyczne zasady filozofii”. Rzecz ciekawa, że zarówno Leibniz, jak i Newton szukają argumentów przeciw ateizmowi i nawzajem zarzucają sobie bezbożność. Clarke twierdzi, że owszem, są w Anglii ateiści, ale jeśli są, to dlatego iż opacznie rozumieją matematyczne zasady przyrody, które odkrył Newton, albo po prostu wcale ich nie znają. Zostawmy jednak na boku, przynajmniej na razie, teologiczne spory Leibniza i Clarke’a i powróćmy do słynnej sprawy poprawek, jakich według Newtona (tak go przynajmniej oskarżał Leibniz) wymaga świat – zegar, który Stwórca musi od czasu do czasu nakręcać. Zasygnalizowałem już, na czym polegał problem Newtona, gdy twierdził on, że świat, to znaczy układ planetarny (tak należy rozumieć w ustach Newtona termin „świat” albo „układ świata”), jest niestabilny. Newton traktował to jako problem kosmologiczny, z tym że trzeba pamiętać, iż wówczas 26


K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE

za kosmologię uważano teorię budowy układu planetarnego. Zresztą cały spór Kopernika i Ptolemeusza dotyczył właśnie budowy układu planetarnego. Gwiazdy stałe były jedynie tłem, na którym rozgrywał się cały dramat Słońca i planet. W trzeciej części „Matematycznych zasad filozofii przyrody” Newton wyłożył teorię grawitacji i jej zastosowanie do wyjaśnienia struktury układu planetarnego. Część ta, zatytułowana „O systemie świata”, jest Newtonowską kosmologią. Z innych pism Newtona wynika, iż wierzył on w coś w rodzaju cyklicznego świata. Wiemy, że hipoteza wiecznych powrotów była utrzymywana w starożytności między innymi przez Heraklita, według którego świat ulega spaleniu i co jakiś czas się odradza. Newton wierzył w coś podobnego – według niego świat z czasem doznaje rozregulowania i wymaga specjalnej interwencji Stwórcy, by wrócić do dawnej struktury. Dodajmy, że w czasach Newtona nasz układ planetarny był nawiedzony przez kilka widocznych gołym okiem komet. Newton sądził, że komety wprowadzają zaburzenia do ruchów planet i powodują stopniowe rozregulowywanie się układu planetarnego. Przed chwilą powiedziałem, że powinniśmy zostawić na boku problemy teologiczne, ale nie tak łatwo to zrobić. U Newtona teologia i fizyka ściśle się ze sobą wiązały. Newton sądził, że potrzeba poprawek jest doniosłym argumentem na rzecz istnienia Boga, chociaż przytaczał też inne argumenty za Jego istnieniem. Sądził także, że największą zasługą jego dzieła jest właśnie to, że – jak mówił – wspiera ono religię naturalną. Wkrótce jednak nastąpił postęp w znajomości mechaniki nieba i  – głównie dzięki pracom francuskiego myśliciela Pierre’a Simona de Laplace’a  – okazało się, że układ planetarny wcale nie jest tak niestabilny, jak sądził Newton. Znana jest anegdota (raczej anegdota niż fakt historyczny), że gdy Napoleon Bonaparte z uwagą wysłuchał wykładu Laplace’a o jego systemie świata (to jest jeszcze jeden dowód, że wówczas głowy państw interesowały się nauką i jej filozoficznymi konsekwencjami), zapytał, gdzie jest w nim miejsce dla Boga. Laplace 27


PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA

miał odpowiedzieć: „Najjaśniejszy panie, nie potrzebowałem tej hipotezy”. Chociaż to prawdopodobnie tylko historyczna anegdota, warto się nad nią przez chwilę zastanowić. My też, podobnie jak Napoleon, chcielibyśmy zobaczyć jakieś miejsce w świecie dla Boga, jakieś Jego dzieło z podpisem: made by God. Gdy czegoś takiego nie widzimy, zaczynamy wątpić, czy Bóg w ogóle istnieje. Warto w tym miejscu przypomnieć sobie argument Leibniza o dwu zegarmistrzach – który z nich jest lepszym fachowcem: czy ten, którego zegar wymaga co jakiś czas nakręcania i napraw, czy ten, którego zegar funkcjonuje bez naprawiania i sam się nakręca? Odpowiedź wydaje się oczywista: Bóg jest oczywiście doskonałym fachowcem, najdoskonalszym z możliwych. Leibniz kończy swój argument bardzo mocnym stwierdzeniem: „... a kto sądzi inaczej, daje dowody nader niskiego wyobrażenia o mądrości Bożej i Jego potędze”. Ujmując rzecz krótko – domagamy się jakiegoś łatwo widocznego śladu Boga we Wszechświecie i nie widzimy go, ponieważ cały świat jest jednym wielkim śladem Boga. Nie ma jakichś śladów pojedynczych, wyciśniętych palcem Boga. Aby dostrzec boski ślad we Wszechświecie, trzeba patrzeć na świat przenikliwym wzrokiem – takim, jakiego używali obaj filozofowie. W naszych czasach zasady mechaniki klasycznej znacznie się wyostrzyły i dziś wiemy, że nasz układ planetarny nie jest jednak doskonale stabilny. Mówi o tym słynne twierdzenie KAM  – Kołmogorowa-Arnolda-Mosera  – z tym tylko, że okres niestabilności naszego układu planetarnego jest bardzo długi. Układ planetarny będzie wymagał poprawek  – używając języka Newtona  – ale dopiero wtedy, kiedy one nie będą już potrzebne, w każdym razie nie będą potrzebne nam, bo nas i naszej cywilizacji już dawno nie będzie. Dziś już wiemy, że wszystko na tym świecie jest mniej lub bardziej niestabilne, jego postać nieustannie przemija.

28


MICHAŁ Podglądanie Wszechświata to pasjonująca podróż przez historię fizyki i współczesną kosmologię. Autor w przystępny i zwięzły sposób przedstawia najważniejsze problemy tych nauk. Prezentuje ogólną i szczególną teorię względności, mechanikę kwantową i teorię superstrun. Refleksja naukowa łączy się tu z teologiczną – autor stawia pytania o miejsce człowieka w Kosmosie czy relacje między nauką i religią. Do książki dołączono nagrania emitowanego w radiu RDN Małopolska cyklu audycji ks. prof. Michała Hellera Drogami myślących. Ks. prof. Michał Heller (ur. 1936), fi lozof, teolog, fi zyk kosmolog. Pracownik Watykańskiego Obserwatorium Astronomicznego oraz Uniwersytetu Papieskiego Jana Pawła II. W 2008 roku otrzymał prestiżową Nagrodę Templetona.

Cena detal. 37,90 zł

Podglądanie Wszechświata

Podglądanie Wszechświata

Zawiera bezpłatny egzemplarz płyty w formacie MP3

MICHAŁ HELLER

Czy Wszechświat wymaga poprawek? Jak poruszają się gwiazdy? Czy istnieje życie na Marsie? Co to znaczy, że w próżni są dziury?

KSIĄŻKA

Z PŁYTĄ (MP3)

Ponad 10 godzin wykładów o Wszechświecie i nieskończoności

Podglądanie Wszechświata  

Ks. prof. Michał Heller: Podglądanie Wszechświata