Cudowną cechą nauki jest fakt, że od czasu do czasu raczy nas ona jakąś oszałamiającą rewolucją, demolującą aktualny porządek opisany w setkach podręczników i wyznaczającą nowe horyzonty. Takiego przewrotu dokonała teoria względności, podająca w wątpliwość uniwersalność czasu oraz przestrzeni, czy chociażby mechanika kwantowa, kontestująca determinizm i pełną przewidywalność wszechświata. Jednocześnie, niemal zawsze nowatorska idea, obalając jeden absolut, wprowadza w jego miejsce inny. Stąd pozwolę sobie na dość odważne stwierdzenie. Rzeczywistość pozostaje oparta o zbiór niezmiennych, fundamentalnych reguł, wyznaczających ostateczne granice tego co jest fizycznie możliwe. Innymi słowy, kosmiczny kodeks zawiera zestaw przepisów, z którymi musimy się po prostu pogodzić.
W słownikach naukowych przybierają one formę praw, zasad, stałych i zakazów. Wątpliwości budzi jedynie, które z tych reguł rzeczywiście są nienaruszalne, a co do których wciąż jesteśmy w błędzie. Dlatego nie jestem w stanie zagwarantować wam, że każda z wynotowanych niemożliwości, nie doczeka się rewizji w odległej przyszłości. Niemniej, w świetle całej obecnej wiedzy – co do zasady(!) – nie mamy powodów, aby je kwestionować, zaś każdy wykształcony i świadomy człowiek, przynajmniej pobieżnie powinien zdawać sobie sprawę z ich istnienia.
Niemożliwe jest, aby uzyskać więcej energii niż dostarczymy
Potencjalne źródło niewyczerpalnej energii zrewolucjonizowałoby nasze życie w sposób trudny do wyobrażenia. Rozpoczęłaby się nowa epoka w dziejach cywilizacji, i nie przesadzam tu w najmniejszym stopniu. W podobnych kategoriach powinniśmy traktować perpetuum mobile, czyli mityczne urządzenie potrafiące wykonywać pracę w nieskończoność, bez dostarczania energii z zewnątrz. Wśród uczonych i hochsztaplerów nigdy nie brakowało kandydatów na Prometeusza, który z chęcią wykradłby dla ludzkości to dobrodziejstwo. Każdego z tych śmiałków sprowadzały na ziemię brutalne zasady termodynamiki oraz zasada zachowania energii. Już w pierwszej połowie XIX wieku James Joule, Robert Mayer i kilku innych fizyków połapało się, że energia w izolowanym układzie nigdy nie znika, ani nie pojawia się znikąd. Co gorsza, fizyka przeczy nie tylko istnieniu maszyn “tworzących” energię, ale również urządzeń potrafiących konwertować w pracę całość dostarczanej energii, zatem działających ze stuprocentową wydajnością. W przyrodzie nie ma nic za darmo. No, może z pewnym osobliwym wyjątkiem…
Niemożliwe jest uzyskanie absolutnej próżni
Próżnia pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej fizyki. W miejsce zwykłej pustki, areny dla wydarzeń i materii, mechanika kwantowa wprowadziła próżnię kwantową – aktywną, tętniącą fluktuacjami i wypluwającą z siebie cząstki wirtualne. Choćbyśmy wypompowali z pojemnika całe powietrze, usunęli wszelkie zanieczyszczenia, osłonili przed wiatrem słonecznym i promieniowaniem kosmicznym, i tak nie osiągniemy czegoś na kształt próżni doskonałej. Fizyczne jak i filozoficzne implikacje tego zjawiska wciąż poznajemy, ale nie ulega wątpliwości, że potęgi pustej z pozoru przestrzeni, nie wolno ignorować.
Niemożliwe jest wyznaczenie uniwersalnego punktu odniesienia
Czterysta lat temu Galileusz dumał nad naturą ruchu: “Ze sto razy, gdy znajdowałem się w kajucie statku, zadawałem sobie pytanie, czy okręt płynie, czy też jest nieruchomy, a czasami, oddany marzeniom, miałem wrażenie, że posuwa się on w kierunku przeciwnym do rzeczywistego”. Rzecz prosta i oczywista, a jednak mówiąca bardzo wiele o fizyce i pozwalająca na wyciągnięcie kardynalnych wniosków. Przykładowo, już sam Galileusz stwierdził, że dostrzeżone przez niego zjawisko dobrze tłumaczy, dlaczego mieszkańcy szybko wirującej planety, w ogóle nie zdają sobie sprawy z nieustannego ruchu.
Eksploatując tę metaforę, możemy zauważyć coś jeszcze. Wyobraźmy sobie bezkresny ocean, z nierealnie gładką taflą wody i idealnie czystym niebem. Siedzimy w łódce i naprzeciwko w oddali widzimy zbliżający się ku nam obiekt. Okazuje się, że to inna łódka, która powoli obok nas przepływa i w końcu znika za horyzontem. O ile oba obiekty poruszają się bez przyśpieszeń, nie mamy zielonego pojęcia, z jaką prędkością suniemy my, a z jaką oni. Możemy wręcz założyć, że spoczywamy w bezruchu i obserwujemy poruszającą się obok łódkę, zaś jej pasażerowie mają prawo stwierdzić, że to oni się nie poruszają, zaś my omijamy ich łódkę. Oba punkty widzenia są równoważne. W roli takiego bezkresnego oceanu świetnie sprawdza się kosmiczna pustka. Planety, gwiazdy, galaktyki – na pierwszy rzut oka wszystko pędzi z ogromnymi prędkościami, ale zawsze jest to ruch względny. Nie ma powodu, aby którykolwiek z obiektów cieszył się przywilejem głównego, czy też jedynego prawdziwego punktu odniesienia.
Niemożliwe jest użycie światła jako układu odniesienia
O galileuszowskiej zasadzie względności doskonale wiedział młody Albert Einstein. Jednakże, w momencie gdy utalentowany fizyk odbierał wykształcenie, popularnością cieszyła się idea eteru. Według niej cała przestrzeń miała być wypełniona niezwykle sprężystą, niewidzialną substancją, stanowiącą jednocześnie ośrodek przenoszący fale elektromagnetyczne. Tak jak powietrze pozwala rozchodzić się fali dźwiękowej, tak drgania wszechobecnej substancji przenosiłyby falę świetlną. Oznaczałoby to jednak, że enigmatyczny eter jest również świetnym kandydatem na uniwersalny punkt odniesienia, jednakowy dla wszystkich obserwatorów we wszechświecie. Einstein sprzeciwił się temu wyjaśnieniu przy okazji publikacji szczególnej teorii względności.
Jak wiadomo, jej podstawowy postulat wymagał, aby wymazać z naukowego słownika pojęcie eteru, w zamian uznając za wartość stałą i niezmienną prędkość światła w próżni, oznaczaną dziś literką c. Geniusz stwierdził, że fala elektromagnetyczna zawsze porusza się z prędkością 300 tys. km/s, niezależnie od położenia i ruchu obserwatora; a skoro tak, to możemy zapomnieć o użyciu jej jako uniwersalnego punktu odniesienia.
Niemożliwe, żeby ciało obdarzone masą osiągnęło prędkość światła
Inną konsekwencją wypływającą ze STW jest zakaz przekraczania prędkości c, przez jakikolwiek obiekt posiadający masę; czy szerzej, przez jakikolwiek sygnał mogący przenieść informację. Einstein wykazał, iż rozpędzane ciało zachowuje się, tak jakby stawało się masywniejsze – po prostu trudniej je “popchnąć” i nadać mu jeszcze większą prędkość. Oznacza to, że aby osiągnąć c, nawet takie drobinki jak pojedynczy proton czy elektron, wymagałyby dostarczenia dosłownie nieskończonej porcji energii. To rzecz jasna niewykonalne, więc w praktyce musimy zadowolić się co najwyżej gonieniem króliczka i dobijaniem do 99,9999999…% prędkości światła.
Niemożliwe jest cofnięcie się w czasie
Zawsze pojawia się przy tej okazji pytanie: co stanie się z obiektem, który niczym foton osiągnie 100% c? Cóż, skoro zgodnie z postulowaną w STW dylatacją czasu, zegar umieszczony w bardzo szybkiej rakiecie tyka wolniej niż zegary nieruchomych względem niej obserwatorów, to w momencie dobicia do prędkości światła, wskazówki powinny ulec zamrożeniu. Fantaści mogą w swoim rozumowaniu pójść o krok dalej i założyć, że hipotetyczne przekroczenie przez rakietę bariery 100% c, zamieniłoby ją w wehikuł czasu, przenoszący pasażerów do przeszłości.
Jeden rabin powie tak, inny powie nie, ale wszystko wskazuje, że to rozmyślania bez praktycznego znaczenia. Po pierwsze, jak ustaliliśmy w poprzednim punkcie, nawet energia całego wszechświata nie wystarczyłaby, aby jakikolwiek masywny obiekt choćby zrównać ze światłem. Drugie obostrzenie stanowią natomiast prawidła logiki. Liczne eksperymenty myślowe (choćby słynny paradoks dziadka) uświadamiają nam, że perspektywa podróży w przeszłość zaburzyłaby naturalny, przyczynowo-skutkowy charakter fizycznej rzeczywistości.
Niektórzy dochodzą wręcz do konkluzji, iż poprzez pierwszy z powyższych zakazów, wszechświat niejako sam zabezpieczył swoją czasoprzestrzenną spójność i wyeliminował totalne absurdy, do których prowadziłyby wehikuły czasu.
Niemożliwe jest jednoczesne określenie pędu i położenia cząstki
Nie będę nawet próbował liczyć ile razy na łamach Kwantowo podnosiłem kwestię zasady nieoznaczoności. Powtórzę więc krótko: w mikroświecie nie istnieje fizyczna możliwość równoczesnego wyznaczenia dokładnego położenia obiektu oraz jego pędu. Kiedy dobrze poznajemy jedną komplementarną wartość cząstki elementarnej, symetrycznie tracimy część danych na temat drugiej. Wynikająca stąd pewna doza niepewności, pozostaje podstawą mechaniki kwantowej, jak również fundamentem działania rzeczywistości. Możemy się buntować, wszcząć strajk, oskarżać Wernera Heisenberga o oszustwo – ale póki co, stuletnie równania nadal opisują zachowanie subatomowych struktur z niezrównaną precyzją.
Niemożliwe jest osiągnięcie temperatury zera absolutnego
Hipotetyczny materiał schłodzony do temperatury 0K, charakteryzowałby się kompletnym unieruchomieniem budujących go drobin. Stan energetyczny takiego układu powinien być zerowy, nie ulegać żadnym zmianom. Ale jak już wiemy, w świecie kwantów nie istnieje coś takiego jak cząstka z jednocześnie określonym położeniem i pędem. A właśnie takim tworem byłby np. proton o jasno oznaczonej lokalizacji oraz pędzie równym zero. Z temperaturą rzecz ma się więc analogicznie jak z prędkością światła: możemy nieustannie schładzać obiekt (jak na ironię wykorzystując do tego celu mnóstwo energii), bez końca tylko zbliżając się do zera absolutnego. Pół żartem, pół serio, już łatwiej uzyskać układ o temperaturze poniżej 0K, niż jej równy.
Niemożliwe jest rozróżnienie dwóch elektronów
Fakt, o którym bardzo rzadko myślimy. Każda cząstka danego rodzaju, jest zupełnie identyczna z inną cząstką, znajdującą się gdziekolwiek we wszechświecie. Każdy elektron czy proton, z dowolnego atomu w waszych ciałach moglibyśmy zamienić z jakimkolwiek innym elektronem lub protonem i nikt by nie ucierpiał. W odróżnieniu od banknotów zalegających w naszych portfelach (no dobra, w waszych), cząstki elementarne nie posiadają żadnego numeru identyfikacyjnego i pozostają ze sobą naprawdę tożsame. Mają dokładnie ten sam ładunek elektryczny, tę samą masę, taki sam spin i tak dalej.
Pewnie dla większości z was nie ma w tej informacji niczego interesującego, ale jednak kwestia ta intrygowała wielu wybitnych fizyków, w tym Richarda Feynmana. Popularny noblista dopuszczał myśl, jakoby cały wszechświat tak naprawdę posiadał tylko jeden jedyny elektron, który cofa się w czasie jako pozyton (swoja antycząstka), po czym znów zmienia zwrot stając się elektronem. I tak biliard biliardów razy. Rzecz jasna, hipoteza ta pozostaje kompletnie niefalsyfikowalna i należy ją traktować raczej w kategoriach ciekawostki, jednak dobrze obrazuje problem braku tożsamości cząstek.
Niemożliwe jest, aby dwie cząstki posiadały jednakowy stan kwantowy
Mowa o czymś, co powinniście kojarzyć z nudnych lekcji chemii w szkole – czyli o zakazie Pauliego. W latach 20. ubiegłego stulecia, młodziutki Wolfgang Pauli zauważył, że żadne dwa elektrony nie mogą mieć tego samego zestawu liczb kwantowych. Miało to kapitalne znaczenie dla całej rzeszy znamienitych chemików oraz fizyków, nierozumiejących dlaczego elektrony okalające jądra atomów, układają się w bardzo konkretnych kombinacjach. W atomie helu, na jednej powłoce mogą zmieścić się dwa elektrony, po warunkiem, że posiadają przeciwny spin. W przypadku litu posiadającego trzy elektrony, ten ostatni nie ma wyboru i musi usadowić się już na wyższej powłoce, i tak dalej. Liczba krzesełek dla każdej cząstki została ściśle zdefiniowana przez naturę.
Ale uwaga! Reguła Pauliego dotyczy jedynie fermionów, czyli cegiełek budujących materię. Wszelkie nośniki oddziaływań, jak chociażby fotony, mają ten zakaz w nosie.
Niemożliwy jest powrót zza horyzontu zdarzeń czarnej dziury
Powróćmy jeszcze na moment w odmęty fizyki relatywistycznej. Niemal natychmiast po publikacji pracy Einsteina znaleźli się naukowcy spekulujący o obiekcie tak masywnym i gęstym, że prędkość ucieczki wymagana do opuszczenia jego powierzchni, byłaby większa od prędkości światła. Dziś wiemy, że takie stwory rzeczywiście istnieją i są wręcz powszechnie rozsiane w przestrzeni kosmicznej. Nie mamy praktycznej możliwości zbadania wnętrza czarnych dziur i tylko gdybamy na temat tego co wyrabia się w ich sercach. Wiemy natomiast, że skoro siła przyciągania czarnej dziury nie zezwala na ucieczkę nawet światłu, to tym bardziej nigdy nie uda się to człowiekowi ani żadnemu skonstruowanemu przez nas urządzeniu.
Właśnie ta przerażająca cecha czarnych dziur, od dawien dawna budzi kontrowersje wśród fizyków. Wielu nie zgadza się z wizją kosmicznych śmietników, które pożerają materię, bezpowrotnie usuwając ją z wszechświata. Stąd takie hipotezy jak parowanie czarnych dziur opisane przez Stephena Hawkinga, czy rozpostarcie kompletu informacji o pochłoniętych obiektach na powierzchni horyzontu zdarzeń, sugerowane przez Leonarda Susskinda. Być może są one prawidłowe, lecz nie zmienia to faktu, że żaden fizyczny obiekt nie jest w stanie dostać się za złowieszczą płachtę horyzontu i jakby nigdy nic, w całej swojej okazałości po prostu zza niej powrócić.
Niemożliwa jest pełna weryfikacja teorii naukowej
Zamiast klasycznego podsumowania, wolę dodać jeszcze jedną niemożliwość, może nie tyle fizyczną co praktyczną. W naukach empirycznych, nigdy nie posiadamy pewności co do sformułowanego zdania. Niektórzy uznają to za słabość nauki, ja raczej jako zwykły fakt, który należy zaakceptować lub obrazić się na rzeczywistość. Nie chodzi tu nawet o ułomność ludzkiego umysłu, lecz o możliwości techniczne. Aby dokonać stuprocentowej weryfikacji danej tezy, musielibyśmy posiadać pełny komplet danych na temat opisywanego zjawiska. Przez komplet rozumiem wiedzę o każdym egzemplarzu badanego obiektu lub każdym przypadku interesującego procesu jaki wystąpił gdziekolwiek we wszechświecie. Tylko wtedy bylibyśmy w stanie absolutnie wykluczyć możliwość wystąpienia anomalii i jakiegokolwiek błędu w pomiarze.
Taka weryfikacja pozostaje oczywiście niewykonalna, w związku z czym zdajemy się na konfirmację, pozwalającą na stawianie twierdzeń “tylko” z olbrzymim prawdopodobieństwem. Dotyczy to również powyższych niemożliwości. Warto o tym pamiętać i nie narzekać.
Literatura uzupełniająca:
E. Speyer, Spadkobiercy Newtona, przeł. J. Dziembowski, Warszawa 1997;
P. Davies, Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina, przeł. L. Kallas, Warszawa 2002;
A. K. Wróblewski, Historia fizyki. Od czasów najdawniejszych do współczesności, Warszawa 2015;
M. Kaku, Fizyka rzeczy niemożliwych. Fazery, pola siłowe, teleportacja i podróże w czasie, przeł. E. Łokas, Warszawa 2011.
