Elektryczny wszechświat

Artykuł po raz pierwszy w języku polskim ukazał się w dwumiesięczniku Nexus w numerze 153 (1/2024)

Tomasz Zaborowski

Copyright © 2023

 

NAUKA U PROGU REWOLUCJI

Każdy, kto na bieżąco śledzi postępy nauki, na pewno zauważył, że w ostatnich latach pojawia się coraz więcej artykułów mówiących o problemach w wyjaśnianiu nowych zjawisk przy pomocy starych i uznanych teorii naukowych. Coraz więcej obserwacji astronomicznych, wykopalisk archeologicznych czy badań laboratoryjnych wprawia w zakłopotanie specjalistów poszczególnych dziedzin nauki. I chociaż tak zwany „Gmach Ludzkiej Wiedzy” nadal wydaje się być solidnym monolitem, to jednak coraz bardziej wygląda na to, że w nauce nadchodzi gigantyczna rewolucja. Nadchodzące zmiany mogą być porównywalne chyba tylko z rewolucją kopernikańską.

Chociaż przewrót kopernikański był rewolucją intelektualną, która zmieniła radykalnie nasze widzenie całego kosmosu, to jednak nie miał on większego wpływu na rozwój wielu dziedzin nauki. Tymczasem zmiany które nadchodzą teraz, oprą się na zupełnie nowym paradygmacie, którego zasięg obejmie bardzo szeroki wachlarz dyscyplin naukowych.

Zacznijmy więc od słowa paradygmat. Pojęcie to wprowadził filozof Thomas Kuhn w swojej książce The Structure of Scientific Revolutions (Struktura rewolucji naukowych). Oznacza ono zbiór pojęć i teorii tworzących podstawy danej nauki. Według Kuhna dopóki obrany paradygmat pozostaje twórczy poznawczo (czyli pozwala formułować falsyfikowalne i prawidłowe przewidywania wyników nowych obserwacji i eksperymentów), dopóty nie ma powodów aby go kwestionować. Przykładem paradygmatu był na przykład Model Ptolemeusza. Przyjmował on Ziemię jako centrum wszechświata i opisywał ruchy ciał niebieskich w odniesieniu do nieruchomej Ziemi. Model ten sprawdzał się do momentu, w którym precyzja obserwacji pozwoliła astronomom zauważyć rozbieżności ich pomiarów z przewidywaniami. Rozbieżności te próbowano tłumaczyć istnieniem dodatkowych składowych ruchu planet zwanych epicyklami. Tymczasem Kopernik wykazał, że do wyjaśnienia ruchów planet nie potrzeba żadnych epicykli – wystarczy zmienić układ odniesienia. Można dyskutować, czy model Kopernika sam w sobie zasługuje na miano paradygmatu. Pewne jest jednak, że bez niego nie powstałaby teoria Newtona, która wraz ze swoim niezwykle skutecznym aparatem matematycznym, dała początek paradygmatowi grawitacyjnemu.

 

PARADYGMATY W KRYZYSIE

Grawitacja

Paradygmat grawitacyjny opiera się na założeniu, że w skali kosmicznej zachowaniem materii rządzi tylko grawitacja. To grawitacja ma być odpowiedzialna za powstawanie i kształt planet, to grawitacja ma wyzwalać energię termojądrową we wnętrzach gwiazd i tylko grawitacja utrzymuje gwiazdy w ramionach galaktyk. Sformułowane przez Newtona równania opisujące oddziaływanie dwóch mas pozwalały na daleko idące przewidywania ruchów planet i mniejszych ciał niebieskich. Z kolei precyzja pomiarów ich ruchu i położenia pozwalała na dokładną weryfikację tych przewidywań. Paradygmat ten sprawdzał się doskonale przez ponad 200 lat. Nic więc dziwnego, że przez ten czas uczeni zdążyli skonstruować na jego podstawie cały obraz kosmosu. To w oparciu o ten paradygmat już od wielu pokoleń budowane były (i nadal są) osiągnięcia i kariery całego naukowego establishmentu.

Pierwsze problemy paradygmatu grawitacyjnego pojawiły się wraz z obserwacjami pomiarów prędkości rotacji galaktyk. Prędkości te nijak nie pasowały do równań. Okazało się że gdy zsumujemy masy wszystkich gwiazd w galaktyce, to otrzymany wynik jest zbyt mały, by to grawitacja mogła utrzymać niektóre gwiazdy w ramionach galaktyk. Aby gwiazdy znajdujące się z dala od centrum galaktyki nie zostały wyrzucone siłą odśrodkową w przestrzeń międzygalaktyczną, potrzebna jest masa co najmniej 10 razy większa niż szacowana masa wszystkich widzialnych gwiazd w danej galaktyce!

Problem z paradygmatem nie polega na tym, że ogranicza on ogólne ramy naszego postrzegania i myślenia. Taka koncentracja ma przecież swoje zalety. Problem zaczyna się wtedy, gdy chcemy ratować paradygmat kosztem ważnych zasad wnioskowania naukowego.

Otóż dokładnie tak zrobiono, gdy paradygmat grawitacyjny stanął w obliczu kryzysu. Wówczas w celu ratowania starego modelu wymyślono, że w centrum galaktyki musi znajdować się obiekt, którego nikt wcześniej nie zaobserwował i który nazwano Czarną Dziurą. Założenie istnienia takiego obiektu stanowi jawne pogwałcenie tak zwanej brzytwy Ockhama, która w filozofii nauki jest odpowiednikiem zasady najmniejszego działania w fizyce. Zasada Ockhama mówi, że jeśli jakiś proces można wyjaśnić na wiele różnych sposobów, to najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest to najprostsze i które nie wymaga wprowadzania do teorii wcześniej nie znanych bytów lub praw natury. Zasada ta została wymyślona właśnie po to, by wyeliminować wprowadzanie do naszych teorii takich rzeczy jak elfy, krasnoludki czy… czarne dziury.

Tymczasem w przeciągu 200 lat swojego istnienia paradygmat grawitacyjny z ogólnych ram przeistoczył się w mentalną pułapkę. Chociaż równania Newtona zastąpiono równaniami Einsteina, grawitacja pozostała nadal jedyną siłą rozważaną w skali kosmicznej.

W obliczu kryzysu wywołanego pomiarami prędkości rotacji ramion galaktyk, paradygmat grawitacyjny uratowano ignorując brzytwę Ockhama. Gdy zrobiono to raz (postulując istnienie czarnych dziur) i gdy spotkało się to z entuzjastycznym przyjęciem ze strony środowiska naukowego, nauka zeszła na manowce. W efekcie fizyka teoretyczna do dziś zajmuje się rozważaniem własności takich bytów, jak czarne dziury, ciemna materia i ciemna energia. Teoretycy wręcz prześcigają się w egzotyce swoich pomysłów. W międzyczasie nawet nie spostrzegli, że swoimi pracami rozwijają już tylko matematykę, nie zważając na problemy wynikające z fizycznej interpretacji wyprowadzanych przez siebie równań.

 

Teoria kwantowa

Dokładnie tak samo jest w fizyce kwantowej. Problem związany z pojawianiem się w jej równaniach wartości nieskończonych, zamiast powiedzieć fizykom, że coś jest nie tak z ich teorią, w praktyce podpowiedział im, że wystarczy zastosować matematyczny trik (chyba dla zmyłki nazwany renormalizacją – cokolwiek to znaczy) i nieskończoności znikają jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki. Biorąc pod uwagę, jak daleko uprawianie fizyki odeszło od przeprowadzania rzeczywistych eksperymentów, w zasadzie nie powinno nas wcale dziwić, że mimo ogromnego wysiłku całych rzesz naukowców, jak dotąd nie udało się stworzyć kwantowej teorii grawitacji. Co więcej, aparaty pojęciowe i matematyczne, jakimi posługują się teoretycy kwantowi i specjaliści od ogólnej teorii względności, wydają się nie do pogodzenia.

 

Przesunięcie ku czerwieni

W naukach o kosmosie do statusu paradygmatu urosło też założenie że tak zwane przesunięcie widma światła obiektów kosmicznych w stronę czerwieni lub fioletu jest w całości wynikiem efektu Dopplera. Przyjęcie tego założenia doprowadziło między innymi do stworzenia atrakcyjnej z religijnego punktu widzenia teorii Wielkiego Wybuchu. Wśród kosmologów teoria ta uzyskała wręcz status dogmatu. Niestety, traktowanie efektu Dopplera jako jedynego wyjaśnienia przesunięć widma światła emitowanego przez obiekty kosmiczne, z czasem doprowadziło do wielu wręcz szokujących wniosków obserwacyjnych. Przykładem niech będą tak zwane kwazary, które zdaniem astronomów są obiektami wprost absurdalnie jasnymi (niektóre świecą jaśniej niż całe galaktyki), a niektóre z nich mają się obracać wokół własnej osi tysiące razy na sekundę!