7 przełamanych paradygmatów naukowych

O paradygmatach powinniśmy mówić jako o fundamencie nauki. Bez pewnych, ugruntowanych i z góry przyjmowanych modeli, żadna gałąź wiedzy nie zdołałaby wyjść nawet z fazy embrionalnej. Równocześnie należy jednak pamiętać, że nawet najtwardszy paradygmat nie musi być prawdą ostateczną, a długo wyczekiwany przełom nierzadko wymaga jego skruszenia. Najlepiej uczy nas tego historia fizyki.

1. Geocentryzm

Paradygmat geocentryzmu

Pierwszy paradygmat, budzący dzisiaj uśmiech, wynikał z jak najbardziej trafnych przesłanek. Już człowiek pierwotny, posługujący się obserwacją w sposób niemalże instynktowny, zwrócił uwagę na podstawowe zasady rządzące mechaniką nieba. Widział jak w określony sposób, z pewną mierzalną częstotliwością, punkty nad jego głową zmieniały swoje położenie. Wysunął zatem szereg słusznych – z jego perspektywy – wniosków. Ziemia była dlań całym światem, bo przecież nie miał żadnych przesłanek aby uważać, że istnieje coś położonego poza horyzontem. Słońce i inne ciała niebieskie codziennie pojawiały się na wschodzie i zanikały na zachodzie, więc najwyraźniej krążyły wokół Ziemi, być może przylepione do jakiejś trwałej struktury. Co sprytniejsi szamani mogli również wysunąć argument “grawitacyjny” – Ziemia to centrum wszechrzeczy, bo wszystko na nią spada podczas gdy ona sama wydaje się nieruchoma. Inni wpadli na pomysł, jakoby nasza matczyna planeta w istocie powinna spadać, ale pozostaje wsparta na grzbiecie Atlasa bądź żółwiej skorupie.

Nie można nazwać tego typu bajkopisarstwa pełnoprawną nauką, ale niewątpliwie człowiek od samego początku próbował racjonalizować oglądaną rzeczywistość i mimowolnie tworzyć pewne modele oparte o doświadczenie. Przez geocentryzm rozumiem nie tylko samo przyjęcie Ziemi jako absolutnego środka Układu Solarnego czy całego wszechświata, lecz także ideę człowieka jako istoty predestynowanej do wyższych celów, obdarowanej właśnie tym szczególnym miejscem w kosmosie. Jedno wynikało z drugiego, a obalenie pierwszego poglądu musiało skłonić wszystkich do powtórnego rozważenia roli człowieka w przyrodzie. Dzięki astronomii doszło do nagłej degradacji naszego gatunku. Z panów świata, zamieszkujących luksusowe śródmieście kosmosu, przeszliśmy do pozycji ponadprzeciętnie inteligentnych zwierząt, zameldowanych na pyłku krążącym wokół przeciętnej gwiazdy, leżącej w jednej z miliardów galaktyk. To bolało, ale pozwoliło ludzkości otworzyć oczy.

2. Przestrzeń jako nieaktywna scena

Paradygmat czasoprzestrzeni
Brian Greene demonstruje elastyczność przestrzeni (za: Poza kosmosem, prod. National Geographic Channel).

Przejdźmy do nowożytnych paradygmatów, których podważenie zatrzęsło fizyką u samych fundamentów. Na pierwszy ogień idą dwa pewniki, będące głównymi elementami wizji uniwersalnego i stałego wszechświata, ukutej przez Izaaka Newtona. Przestrzeń oraz czas, dla mistrza z Cambridge pozostawały absolutne i… nudne. W słynnej Principia Mathematica czytamy: “Przestrzeń jest absolutna przez swą naturę, bez związku z czymkolwiek zewnętrznym, pozostaje zawsze taka sama i nieruchoma”. Naukowiec postrzegał ją jedynie jako odmożdżająco wielką scenę, na “deskach” której dokonuje się spektakl wszelkich możliwych wydarzeń. Trudno mówić o jej właściwościach, tak samo jak trudno opisywać wnętrze jakiegoś pojemnika. Przestrzeń po prostu jest i pozwala na określenie, gdzie coś się dzieje. 

W ostatnich miesiącach bez skrupułów katowałem was Einsteinem, więc doskonale wiecie jak bardzo Anglik zabrnął w ślepą uliczkę. W dziejowych artykułach z 1905 i 1915 roku roku, młody uczony rozbił w puch tradycyjne i zdroworozsądkowe spojrzenie na rzeczywistość, ogłaszając, iż funkcjonuje ona dokładnie odwrotnie niż w niekwestionowanych dotąd pismach Newtona. W tym momencie przestrzeń przestała być traktowana jedynie jak bierna scena, zyskując przymioty swego rodzaju bytu; obdarzonego konkretnymi właściwościami i wpływającego na wszystkie zanurzone w nim ciała. Einstein zasugerował, że otacza nas niewidzialna, trójwymiarowa (kolejny paradygmat naukowy, który współcześnie próbuje się podgryzać) sieć, ulegająca skręcaniu, wleczeniu i zaginaniu. Napór masy zniekształca przestrzeń, ale i ona sama wpływa na ruch wszystkich obdarzonych masą obiektów. 

3. Uniwersalny czas

Czasoprzestrzeń Einsteina

Przyczyną drugiego starcia autorytetów XVII i XX wieku, była problematyka czasu. Zajrzyjmy znów do newtonowskich Principiów: “Czas jest absolutny, prawdziwy i matematyczny, sam z siebie i przez swą naturę upływa równomiernie bez związku z czymkolwiek zewnętrznym i inaczej nazywa się trwaniem”. Piękna idea, zgodna z naszymi codziennymi doświadczeniami i zapewne przez wielu szarych zjadaczy chleba wciąż uważana za poprawną. W końcu czas to po prostu czas, zegar musi tykać i dla wszystkich powinien tykać tak samo. Bo jak mogłoby być inaczej?

Albert Einstein przede wszystkim zerwał z wyznawaniem wyjątkowości czasu, traktując go jedynie jako równoprawny element większego konstruktu, zwanego czasoprzestrzenią. Aby kosmos Einsteina współgrał, stosownie do elastycznej przestrzeni, należało również przyjąć pogląd o względnym czasie. Spokojnie, nie będziemy w tym miejscu setny raz przypominać wszystkich postulatów szczególnej teorii względności. Przypomnę jedynie, że zegarek każdego obserwatora w kosmosie tyka inaczej, zależnie od jego prędkości i masy (czyli tych samych czynników, które wpływają na kształtowanie przestrzeni). W miejsce trwałych przestrzeni i czasu, Einstein jako nową wartość absolutną, ustanowił prędkość światła w próżni. W ten sposób jeden paradygmat wypchnął drugi.

4. Statyczny wszechświat

Kosmiczne paradygmaty

Mit o wielkim początku pojawia się w niemal każdej kulturze i religii. Jednocześnie, większość podań propaguje pogląd, jakoby świat został tworzony przez istotę wyższą w bardzo odległej przeszłości, dzięki czemu obecnie mamy szczęście żyć w gotowym i statycznym produkcie. Problemy pojawiły się wraz z nowożytnym opisem grawitacji, która musiała przecież jakoś wpływać na kosmos w skali makroskopowej. Wyjaśnienie tego dylematu przez pobożnego Newtona wyglądało w skrócie tak: “Wszystko jest stabilne bo dobry Bóg poukładał ciała niebieskie w idealnych odległościach, tak aby nic się nie zapadało ani nie rozszerzało”. Rzeczywiście, standardowe obserwacje, prowadzone w krótkiej skali czasu nie dawały podstaw do zwątpienia w stan stacjonarny. W końcu patrząc co noc w gwiazdy odnosimy wrażenie, że wszystko pozostaje w idealnej harmonii i regularnie wraca do tego samego położenia.

Nawet Einstein zdając sobie sprawę z implikacji własnych obliczeń, wiedział, że kosmos nie może po prostu stać w miejscu. Nie był tym zachwycony. W trosce o ostatni bastion newtonowskiej fizyki wprowadził dziwny twór, znany pod nazwą stałej kosmologicznej. Dodatkowy człon w równaniach, miał zapewnić, iż mimo oddziaływań grawitacyjnych wszechświat pozostałby stabilny. Dość szybko geniusz przekonał się, że desperacka obrona tego paradygmatu nie była potrzebna. Obserwacje galaktyk prowadzone przez Edwina Hubble’a oraz znacznie późniejsze odkrycie mikrofalowego promieniowania tła, stanowiły żyzną glebę dla bujnego rozwoju świeżej koncepcji. Nowa astronomia wykazała, że wszechświat ciągle ekspanduje, a zatem w dalekiej przeszłości musiał być znacznie mniejszy i cieplejszy. W każdym razie, na pewno nie jest statyczny.

5. Bezwzględność pomiaru

Zasada nieoznaczoności

Niedługo po tym jak rozczochrany naukowiec wylał beton pod fundament fizyki relatywistycznej, jego koledzy zaczęli od nowa szkicować obraz rzeczywistości subatomowej. Dotychczasowy paradygmat wynikał z tego co podpowiada nam zwykła logika i posiadana wiedza. Kopiąc piłkę, strzelając z pistoletu, czy obserwując ruch planet po orbitach, widzimy jak każdy obiekt zaczyna w punkcie A, sunie po oczywistej trajektorii, aż w końcu dociera do celu B. Wszystko jest pewne i całkowicie możliwe do dowolnie dokładnego opisu, jeśli tylko posiadamy odpowiedni sprzęt. Stąd wynikały naturalne próby tworzenia “planetarnych” modeli atomu, wewnątrz których cząstki poruszałyby się nie inaczej niż planety w Układzie Słonecznym. Rzecz w tym, że protony i elektrony jakoś niespecjalnie chciały pójść fizykom na rękę i dostosować swój ruch do tej eleganckiej analogii.

Impas rozwiązał inny urodzony w Niemczech młody naukowiec. Werner Heisenberg zrozumiał, że struktura atomu może pozostać stabilna tylko wtedy, gdy przestaniemy traktować cząstki jak kule odbijające się od siebie na stole bilardowym. (Równie istotne było odkrycie Louis’a de Broglie’a, potwierdzone przez Clintona Davissona, wskazujące że elektron podobnie do fotonu skrywa korpuskularno-falową naturę.) Dumając nad nietypowymi zachowaniami cząstek, przyszły noblista porzucił całą intuicyjną wiedzę na temat ruchu i położenia obiektów. Rzeczywiście, oglądając duże ciała widzimy, jak przemieszczają się one w banalny sposób z miejsca na miejsce, ale obiekty subatomowe zmieniają położenie wedle własnych, bardzo oryginalnych reguł. W swojej zasadzie nieoznaczoności Heisenberg zasugerował, że nie istnieje jednoczesna możliwość absolutnie dokładnego określenia pędu i położenia cząstki elementarnej. Chcesz ustalić położenie elektronu w tym momencie? Ok, ale pogódź się z tym, że jej pęd i przyszły adres pozostaną dla Ciebie tajemnicą. Po więcej zapraszam do tego tekstu.

6. Lokalność

Splątanie i nielokalność

Brnąc dalej w mechanikę kwantową, trzeba było rezygnować z kolejnych paradygmatów. W 1935 roku ukazał się artykuł Czy opis rzeczywistości fizycznej przez mechanikę kwantową można uważać za pełny?, którego autorzy z zadowoleniem stwierdzili, że nowa gałąź fizyki skrywa poważne nieścisłości. Według nich wszystko sypało się po analizie splątania kwantowego, czyli stanu w którym dwie splątane cząstki pozostają ze sobą w ścisłej korelacji – np. mając zawsze odwrotną polaryzację. Jeśli jeden badany foton ma polaryzację pionową, to drugi musi mieć poziomą i tak dalej. Szkopuł w tym, że jak nas uczył Erwin Schrödinger i inni kwantowi mędrcy, każda cząstka podlega superpozycji. Oznacza to tyle, że przed aktem pomiaru nasz foton, niczym słynny kot umieszczony w pudle, nie posiada jeszcze określonego stanu, będąc spolaryzowanym pionowo i poziomo jednocześnie.

W takim razie, co może się stać jeśli umieścimy dwa splątane fotony bardzo daleko od siebie i zbadamy ich stan oddzielnie? Obecnie wiemy, że jeśli foton A okaże się spolaryzowany poziomo, to foton B musi mieć polaryzację pionową, choćbyśmy go wcześniej umieścili miliard lat świetlnych stąd! Obie cząstki nie posiadają sprecyzowanego stanu przed pomiarem, ale po otworzeniu jednego z pudełek druga od razu “wie” jaką cechę ma przybrać. Dochodzi do rodzaju niezwykłej komunikacji dziejącej się poza czasem i przestrzenią. Dla ekipy EPR – Einsteina, Podolskiego, Rosena – miał być to dowód na niepełność fizyki kwantowej, sprzecznej z paradygmatem realizmu lokalnego. Według nowej teorii splątania, lokalność nie jest już czymś pewnym, a dwie z pozoru oddzielne cząstki mogą zachowywać się jak układ wspólny, ignorujący taki szczegół jak odległość. Więcej znajdziecie tutaj.

7. Jesteśmy złożeni z kul bilardowych

Wielowymiarowa struna

Ostatni z fizycznych paradygmatów jaki pozwolę sobie przywołać, wciąż obowiązuje, ale jego przyszłość stoi pod coraz większym znakiem zapytania. Nie mam tu na myśli tylko zasady nieoznaczoności, podkopującej obraz mikroświata jako stołu bilardowego, ale coś znacznie głębszego. Być może od początku daliśmy się zapędzić w ślepą uliczkę, wyobrażając sobie, że cegiełki materii muszą mieć strukturę zbliżoną do tego co oglądamy na co dzień. Skoro staraliśmy się przez pewien czas oprzeć model atomu na wzorze Układu Słonecznego, to nawet nasza podświadomość nakazywała nam wyobrażać sobie elektrony, protony i neutrony jako odpowiedniki planet i gwiazd. Obiekty kuliste lub punktowe.

Współcześni teoretycy pracujący nad teorią strun próbują doprowadzić do przełomu, rozprawiając się właśnie z tym paradygmatem. Prawdziwie elementarnym budulcem wszystkiego co nas otacza, nie są dla nich ani kule ani punkty, lecz twory hiperprzestrzenne, możliwe do prawidłowego opisania dopiero w jedenastu wymiarach. Od tego jaką “melodię” gra drgająca superstruna, zależą jej właściwości i to jak ją postrzegamy. Strunowcy robią dokładnie to samo co ich poprzednicy: zakładają, iż intuicyjny ogląd rzeczywistości, oparty na niedoskonałych ludzkich zmysłach, może być gigantycznym uproszczeniem. Aby dojrzeć prawdziwy rdzeń problemu, musimy zdobyć się na heroiczny wysiłek wyjścia poza nasze biologiczne możliwości.

Obrażeni na paradygmaty

Przewrażliwiony czytelnik mógłby dojść do smutnej konstatacji, że cały nasza wizja świata oparta jest na mniej lub bardziej błędnych modelach, czekających na wyparcie przez inne fałszywe modele. I tak i nie. Nauka to rzeczywiście ciąg pomysłów zastępowanych po pewnym czasie, przez pojawiającą się konkurencję. Osobiście stoję po stronie osób uważających, że prawda ostateczna (jaka by ona nie była) nie znajduje się w naszym zasięgu, a ludzkość będzie do niej nieustannie dążyć, aż nastanie jej kres. Według mnie to wspaniałe widowisko, godne naszej uwagi i pochwały – nawet jeśli sami, jako jednostki, nie bierzemy w nim bezpośredniego udziału.

Natomiast paradygmaty naukowe to niezbędna bieżnia dla tej niekończącej się gonitwy. Postęp dokonuje się w kolejnych krokach, a trudno byłoby je stawiać, za każdym razem badając od zera grunt, po którym stąpamy. W każdym razie, nasz marsz zamiast przyśpieszyć, okazałby się znacznie wolniejszy.

Noblista wyklęty. Tragedia Abdusa Salama Architekt nowej fizyki cz.2: cudowna dekada Einsteina Miony znów rozrabiają w Fermilabie