Bóg gra w kości: Przemyślenia o naturze przypadku

Co powiedzieliby Izaak Newton, Albert Einstein i inni święci fizyki, gdyby mogli spojrzeć z góry na gmach współczesnej nauki? Zapewne z rozczarowaniem rzuciliby hasłem w stylu – “Nie o taki wszechświat walczyliśmy!” – w czym wtórowałyby im duchy starożytnych filozofów. 

Mechanika kwantowa opisuje przyrodę jako absurdalną z punktu widzenia zdrowego rozsądku. I w pełni zgadza się z doświadczeniem. Mam więc nadzieję, że zaakceptujecie naturę taką, jaka jest. Absurdalną.

Richard Feynman

Choć obaj mistrzowie klasycznej fizyki nigdy się nie spotkali, a jeden zrobił karierę na poprawianiu błędów drugiego, to co do idei, hołdowali dość podobnej wizji rzeczywistości. Rzeczywistość ta miała być przewidywalna, pewna i podlegać stałym regułom pozwalającym z powodzeniem opisywać przebieg i skutki zachodzących w niej procesów. Właśnie ta niechęć do losowości i chaosu nakazała twórcy teorii względności wdać się w spół z jednym z ojców mechaniki kwantowej, Nielsem Bohrem. Podczas jednej z wielu dysput, poirytowany geniusz miał rzucić do duńskiego kolegi – “Bóg nie gra w kości!” – lub podobną wariację tego zdania.

Dziś wiemy, że Stwórca chyba jednak wcale nie gardzi grą w kości. W świetle współczesnej nauki to raczej zdroworozsądkowe rozumowanie nas zawodzi, ustępując miejsca losowości jako elementarnej zasadzie funkcjonowania świata. Przynajmniej świata w mikroskali. Potwierdził to już na początku ubiegłego stulecia Ernest Rutherford, prowadząc pionierskie badania nad radioaktywnością. Przyszły noblista długo rozważał zjawisko połowicznego rozpadu pierwiastków i nie mógł znaleźć żadnego klucza tłumaczącego dlaczego i kiedy dana cząstka się rozpadnie. Długie i bezskuteczne poszukiwania w końcu skłoniły fizyka do ułatwienia sobie życia poprzez sięgnięcie do statystyki. Podobnie działa bukmacher, nieznający poszczególnych wyników następnej kolejki ligowej, ale potrafiący dzięki prawdopodobieństwu ustawić kursy w taki sposób aby zawsze wyjść na swoje. Rutherford na podstawie niepewnych wyników wysnuł ogólne i uśrednione zależności. Nie mamy zielonego pojęcia kiedy, dajmy na to pojedynczy atom węgla C14 rozpadnie się – może nastąpi to za minutę, może za milion lat – ale obserwując próbkę złożoną z bilionów atomów tego węgla, zauważamy wymierną tendencję. I tak, po pół wieku przyglądania się próbkom dostrzeżemy, że rozpadło się niecałe pół procenta atomów, po stu latach ponad procent, a po sześciu tysiącach lat, połowa całej substancji. Ile byśmy próbówek z C14 nie przygotowali, wyniki zawsze będą bliźniacze.

Rozpadem atomu rządzi prawdopodobieństwo

Czym dalej uczeni brnęli w kwantowy las, tym częściej odczuwali potrzebę sięgnięcia po prawdopodobieństwo. Nieoznaczoność, superpozycja, fluktuacje próżni, i każda inna z pojawiających się na horyzoncie zagwozdek, wymagały uwzględnienia elementu losowości. A mówiąc “losowość”, mam na myśli prawdziwą niemożność przewidzenia przyszłości. Kiedy rzucamy monetą tak naprawdę tworzymy iluzję przypadku, bowiem to czy wypadnie reszka czy orzeł, jest skutkiem wielu możliwych do zmierzenia czynników: siły rzutu, oporu powietrza, kształtu monety i tak dalej. Posiadając odpowiedni zestaw danych, sprawny fizyk obliczy ze stuprocentową pewnością jaki wynik otrzymamy. Z mikroświatem jest inaczej, warunki zewnętrzne w żaden sposób nie zaburzają procesu rozpadu cząstki i nigdy nie damy rady bezsprzecznie przewidzieć przyszłości.

Możliwość spotkania cząstki zależy od prawdopodobieństwa
Prawdopodobieństwo napotkania elektronu w atomie wodoru.

Jako ludzie nie lubimy niepewności, mierżą nas niechciane niespodzianki i niepokoi niemożność zaplanowania swoich zadań. Nie czulibyśmy się bezpiecznie w świecie, w którym wystrzelony pocisk zmierza w niewiadomym kierunku. Dlatego też, jeśli z jakiegoś powodu usłyszałeś o nieprzewidywalności mikroświata dopiero po raz pierwszy, masz prawo pukać się w czoło z myślą: “co to za brednie”?

Podobnie Einstein nie potrafił poważnie potraktować losowości jako cechy natury, uważając, iż wykorzystywanie obliczeń opartych na prawdopodobieństwie stanowi tylko półśrodek i plaster naklejony na lukę w naszej wiedzy. Kultura oraz doświadczenia płynące z codziennego życia w rzeczywistości dużych obiektów, wpoiły w nas przekonanie o niezachwianej pewności świata. Otaczają nas bezpieczne schematy. Zdarzenie A, zawsze prowadzi do skutku B.

W pewnym sensie prawda leży po środku, między probabilizmem a bezwzględną pewnością. Zwróćmy uwagę na zastanawiającą regularność przypadkowości. Jak wspominałem, pojedynczy atom promieniotwórczego węgla rozpada się nie wcześniej niż sam “zechce”, co nie zmienia faktu, iż w większej próbce połowa atomów zawsze ulegnie rozpadowi po niecałych sześciu tysiącach lat. Gdyby rzeczywistość była naprawdę zwariowana i rządziła się pełnym przypadkiem, nie otrzymywalibyśmy tak niesamowitych regularności. Weźmy jeszcze prostszy przykład. Rzucając zwykłą kostką do gry w kształcie sześcianu, szansa na trafienie każdego z wyników powinna wynosić dokładnie 1/6. Z jakiegoś powodu zdziwiłaby nas sytuacja, podczas której w dziesięciu rzutach zawsze wypadała np. “jedynka”. Zapewne zaczęlibyśmy węszyć podstęp i zarzucilibyśmy naszemu przeciwnikowi wywieranie jakiegoś wpływu na wynik. Okazuje się, że nawet losowość rządzi się określonymi prawidłami a wszechświat mimo wszystko zawsze dąży do uśrednienia.

Gdzieś w tym rejonie rozważań, powinniśmy poszukiwać odpowiedzi na pytanie, dlaczego wszechświat z wierzchu wydaje się tak niesamowicie stabilny. Dlaczego rzucona piłka porusza się po ściśle określonej trajektorii, a my nie potrafimy przeniknąć przez ścianę. Wszystko dlatego, że chociaż na najniższym poziomie wszystko zbudowane jest z kwantowych kości do gry, to jest wykonywana tak wielka ilość rzutów, że wszelkie odchylenia i anomalia nikną. Szansa na dostrzeżenie gołym okiem jakiegokolwiek kwantowego zjawiska staje niewyobrażalnie mała; na tyle, że pozostaje bez praktycznego znaczenia.

Wziąwszy to wszystko pod uwagę, macie prawo wątpić, czy prawdopodobieństwo należy postrzegać jako istotną cechę rzeczywistości. W końcu co zmienia w naszym życiu szansa jedna na centylion lub mniejsza? W rzeczy samej dla naszego codziennego funkcjonowania powyższe kwestie pozostają bezwartościowe, ale z perspektywy ogółu wszechrzeczy rodzą niebagatelne problemy.

Czy Bóg gra w kości?
Powstanie świata – historia prawdziwa?

Pewnie słyszeliście o twierdzeniu, jakoby miliard małp naciskających przypadkowo klawisze miliarda maszyn do pisania, mógłby przypadkiem spłodzić któreś z dzieł Szekspira, jeżeli tylko zapewnimy im dostatecznie długi okres czasu. Czymże jest niewyobrażalnie obszerny wszechświat ze wszystkimi drobnymi niezwykłymi zjawiskami i wszechobecnymi trybikami, jeśli nie owym miliardem małp? Nie siląc się na jakieś wysublimowane teorie, możemy dojść do prostego wniosku: jeżeli prawa fizyki czegoś nie zabraniają, a szansa jest większa niż zero, to pewnie takie zjawisko już gdzieś miało miejsce.

Stąd bardzo blisko do arcyważnych implikacji o charakterze filozoficznym. Na tej bazie wiele osób od nowa rozpatruje potrzebę istnienia boskiego zegarmistrza, przeciwstawia się paradoksowi Fermiego, czy też przyjmuje jako pewnik zasadę antropiczną. Nie ma znaczenia jak nieprawdopodobny był scenariusz powstania wszechświata, którego parametry fizyczne ukształtowały gwiazdę z planetą o warunkach pozwalających na narodziny skomplikowanej maszynerii nukleinowo-białkowej, siedzącej teraz przed komputerem i dumającej nad naturą tego wszystkiego. Jeżeli tylko szansa wynosiła więcej niż zero to mogło się zdarzyć. Jeśli zaś ponad tym wszystkim istnieje jakiś wyższy wymiar nieskończonego multiuniwersum, ten wszechświat powstać wręcz powinien. Musimy trzy razy zastanowić się zanim powiemy nigdy.

Bo między wydarzeniem nieprawdopodobnym a niemożliwym istnieje co najmniej tak wielka różnica jak między czymś a niczym.

Literatura uzupełniająca:
K. Ferguson, Ogień w równaniach. Nauka, religia i poszukiwania Boga, przeł. P. Amsterdamski, Poznań 1994;
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2014;
J. Gribbin, W poszukiwaniu kota Schrödingera. Realizm w fizyce kwantowej, przeł. J. Bieroń, Poznań 1997.
Ted Kaczynski i jego manifest – “Śmierć nauce” Kwantowe interpretacje: dekoherencja środowiskowa i darwinizm Żurka Czarne dziury – pożeracze informacji