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

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

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

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

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

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

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

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.