MIEDZY FIZYKA A CYWILIZACJA

Z Profesorem Dr ANDRZEJEM STARUSZKIEWICZEM

rozmawia Andrzej M. Kobos

(tekst autoryzowany)


Andrzej M. Kobos :   Panie Profesorze, chcialbym w tej naszej po latach rozmowie poruszyc kilka zagadnien fizyki, kosmologii i... cywilizacji. Bedzie troche o Panskiej pracy naukowej, o Pana pogladach na pewne fundamentalne problemy fizyki, a takze o Panskich opiniach madrego czlowieka na istote cywilizacji. Byl Pan tym, ktory przed czterdziestu laty nauczyl mnie moze najwiecej fizyki, wiec tym wieksze sa moje oczekiwania.





Andrzej Staruszkiewicz, 2004,
(fot.   Andrzej Kobos).

O stalej struktury subtelnej

AMK:   Od szeregu lat pracuje Pan nad teoretycznym wyprowadzeniem stalej struktury subtelnej? W niedawnej rozmowie z pania Mira Kus stwierdzil Pan, ze stala struktury subtelnej zostala ustalona przed czasem i przestrzenia, ze gdyby jej wartosc byla choc nieco inna, Wszechswiat wygladalby inaczej. Co konkretnie znaczy, ze Wszechswiat wygladalby inaczej?

Andrzej Staruszkiewicz:   Sprawa sprowadza sie do tego, ze numeryczna wielkosc stalej struktury subtelnej, 1/137.036, okresla sile elektrostatyczna z jaka elektrony wiazane sa w atomie. Okresla wiec ksztalt i polozenie powlok orbit elektronow, a w konsekwencji wiazania atomow w zwiazki chemiczne. Wiadomo, ze niektore procesy, kluczowe dla powstania i podtrzymania zycia na Ziemi, zaleza w sposob niezwykle czuly od pewnych drobnych szczegolow budowy materii. Dam tutaj klasyczny przyklad produkcji energii w Sloncu. Wedlug powszechnie przyjetej teorii, spalanie wodoru w Sloncu w kluczowy sposob zalezy od pewnego szczegolu budowy jadra atomu wegla, mianowicie istnienia pewnego stanu rezonansowego, ktory, jak gdyby, mowiac w przenosni, katalizuje te termojadrowa reakcje spalania wodoru. Z ogolnego punktu widzenia, istnienie tego szczegolnego stanu jest, mozna powiedziec, przypadkiem, bo trudno pomyslec, ze Slonce myslalo o zyciu na Ziemi, ale dzieki temu przypadkowi cykl spalania wodoru w Sloncu przebiega tak, a nie inaczej. Czyli zupelnie fundamentalny proces makroskopowy zalezy od szczegolow struktury mikroskopowej. Takich przykladow mozna podac wiele.

Latwo sobie wyobrazic, ze gdyby stala struktury subtelnej byla odrobine rozna, to caly schemat budowy powlok elektronowych bylby inny, stabilne zwiazki chemiczne moglyby byc niestabilne lub na odwrot, itd. Ewolucja przebiegalaby inaczej, dlatego, ze ewolucja biologiczna na Ziemi zalezy od szczegolow budowy powlok elektronowych. Podstawowy mechanizm utylizacji energii slonecznej, ktory wykorzystuja rosliny na Ziemi, polega na tym, ze pochlania sie wysokoenergetyczne fotony przychodzace ze Slonca i oddaje sie niskoenergetyczne fotony w formie przetworzonej. Roznica czestosci jest zuzywana na podtrzymanie procesow zyciowych. Otoz caly ten proces absorpcji fotonu a nastepnie wyemitowania fotonu o duzo nizszej czestosci jest uwarunkowany wielkoscia stalej struktury subtelnej. To trudno w szczegolach przesledzic, bo to sa niezwykle skomplikowane procesy, ale nie ulega najmniejszej watpliwosci, ze wielkosc stalej struktury subtelnej jest kluczowa. Gdyby sobie wymyslec swiat, w ktorym ta stala mialaby inna wartosc, to te procesy przebiegalyby inaczej.

I teraz pytanie czy taki swiat bylby w ogole mozliwy? Otoz, moja prywatna, na razie, teza jest taka, ze swiat z inna wielkoscia stalej struktury subtelnej nie jest mozliwy.


AMK:   Stala struktury subtelnej to sa w koncu trzy stale pomnozone i podzielone: hc/e². Wiec w gruncie rzeczy zalezy od kazdej z tych trzech: stalej Plancka h, predkosci swiatla c oraz ladunku elementarnego e, z ktorych kazda ma wymiar. Wiec moze trzeba by zejsc jeden stopien glebiej, tj. do tych stalych? Np. skad predkosc swiatla wziela sie taka, a nie inna?

AS:   Jest istotna roznica miedzy predkoscia swiatla i stala Plancka a stala struktury subtelnej. N.B. to co ja teraz mowie, to nie jest nic nowego, np. Einstein omowil to w swojej Autobiografii. Mianowicie, predkosc swiatla jest w istocie fundamentalna stala Przyrody ale ma status przelicznika. Tzn. majac predkosc swiatla mozemy przeliczyc centymetry na sekundy i w ten sposob porownywac odcinki czasowe z odcinkami przestrzennymi; malo tego mozemy zrobic to, co robia fizycy-teoretycy, tj. przyjac uklad jednostek, w ktorych stala c=1. To samo mozna zrobic, ze stala Plancka, dlatego, ze stala Plancka ma podobny charakter do predkosci swiatla, gdyz ma wymiar dzialania i pozwala porownywac dyspersje polozen z dyspersja pedow. Taka jest tresc zasady nieoznaczonosci Heisenberga: iloczyn dyspersji polozen i dyspersji pedow jest rzedu stalej Plancka, co pozwala z dyspersji polozen wyliczyc dyspersje pedow, jesli chodzi o rzad wielkosci. Czyli znowu stala Plancka jest jakby przelicznikiem i mozna, jak to robia fizycy-teoretycy, polozyc ja rowna 1.

Tymczasem stala struktury subtelnej jest liczba bezwymiarowa, wiec niezalezna od jednostek, i jest liczba rzeczywista, taka jak np. p. Liczby p nie mozna zmienic, gdyz ona oznacza stosunek dlugosci obwodu kola do jego promienia, dokladniej jest to 2p, ale to jest to. Liczba p, jesli pamietac o jej tresci, nie moze miec innej wartosci, inaczej nie byloby to kolo.

Malo tego, gdyby wszystkie podreczniki na swiecie, w ktorych liczba p jest wydrukowana, zginely w jakiejs katastrofie, to ludzie znajacy matematyke odtworza liczbe p z jej matematycznego znaczenia. Ja osobiscie wierze, ze status stalej struktury subtelnej jest taki sam jak status liczby p, tzn. jest to pewna liczba, ktora charakteryzuje geometrie nie samej przestrzeni, ale czasoprzestrzeni. W moim przekonaniu, stala struktury subtelnej wyprzedza przestrzen i czas, dokladnie w takim samym sensie, jak liczba p wyprzedza przestrzen i czas, dlatego ze liczba p, jako liczba charakteryzujaca geometrie, ktora nazywamy geometria Euklidesa, istniala juz przed poczatkiem Kosmosu. Wszechswiat mial poczatek w czasie, ale nawet wowczas, gdy jeszcze nie bylo Kosmosu, tzn. gdy nie bylo jeszcze fizycznego czasu i fizycznej przestrzeni, juz istniala geometria euklidesowa jako struktura matematyczna, a w obrebie tej struktury liczba p miala i ma okreslona wartosc. Otoz, moja idea jest taka, ze stala struktury subtelnej ma wlasnie taki status jak liczba p. To jest inherentna cecha czasoprzestrzeni.


AMK:   Rozumiem. Dobrze, liczba p istniala zawsze, moznaby ja odtworzyc z matematyki, ale to jest w koncu pojecie abstrakcyjne. Stala struktury subtelnej dotyczy jednak swiata fizycznie istniejacego, materii. Czy moze Pan powiedziec, bardzo z gruba, z czego probuje Pan te stala wyprowadzic? Bo przed czasem i przestrzenia prawa fizyki nie istnialy. Do liczby p prawa fizyki nie byly potrzebne, ale do stalej struktury subtelnej?

AS:   Tak, rozumiem Pana pytanie. To jest bardzo dobre pytanie, bo z jednej strony stala struktury subtelnej jest czescia praw fizyki, a z drugiej strony ja twierdze, ze byla wczesniejsza niz prawa fizyki.

Moim zdaniem to jest tak... Dobrym przykladem jest geometria Euklidesa. My przeciez wiemy, ze rzeczywista przestrzen nie jest dokladnie euklidesowa, jest zakrzywiona przez materie. Malo tego, na poczatku Wszechswiata przestrzen byla dramatycznie zakrzywiona. Mozna powiedziec, ze na poczatku Wszechswiata przestrzeni euklidesowej, jako fizycznej przestrzeni, w ogole nie bylo, bo wszedzie byla ogromna krzywizna spowodowana ogromna koncentracja materii.

Wracam do pytania: Co to znaczy, ze przestrzen euklidesowa poprzedza rzeczywista przestrzen? Znaczy to, ze geometria Euklidesa, jako obiekt matematyczny, jest ponadczasowa. I liczba p, jako element tej przestrzeni, jest tez ponadczasowa.

Powtarzam, gdy Wszechswiat powstal, istnialy ogromne gestosci, ogromne krzywizny, wiec fizyczna przestrzen w zadnym swoim fragmencie nie przypominala przestrzeni euklidesowej. Dopiero gdy sie to wszystko rozrzedzilo, powstaly fragmenty przestrzeni, takie jak ten pokoj gdzie rozmawiamy, w ktorych przestrzen jest w bardzo dobrym przyblizeniu euklidesowa. I to wszystko jest prawda. Ale prawda jest rowniez, ze przestrzen euklidesowa, jako obiekt matematyczny istniala przed powstaniem rzeczywistej, kosmologicznej przestrzeni, poprzedza ja. W zwiazku z tym liczba p, ktora jest pewna charakterystyka tej przestrzeni, istniala chocby jako suma katow w trojkacie. Trzeba odroznic geometrie Euklidesa jako obiekt matematyczny od pewnej jego realizacji, jaka jest rzeczywista przestrzen. Rzeczywista przestrzen, ktora nas otacza, jest po pierwsze w dobrym przyblizeniu euklidesowa, a po drugie stale ewoluje, zmienia sie w czasie.

I teraz wracam do stalej struktury subtelnej. Teoria tej stalej, ktora ja tworze, jest oczywiscie oparta na znanych prawach fizyki, ale w bardzo szczegolny i uproszczony sposob. Najlepsza analogia do tego czym jest moja teoria stalej struktury subtelnej jest teoria kretu. Wiadomo, ze teoria kretu w mechanice kwantowej jest w gruncie rzeczy teoria grupy obrotow. Jedynym elementem fizycznym, ktory wchodzi do teorii kretu jest stala Plancka, w ktorej mierzymy kret jako wielkosc fizyczna. Stala Plancka, mozna powiedziec, wchodzi tam ze wzgledow wymiarowych: dostarcza jednostki dla wartosci numerycznej kretu. Jest jedynym fizycznym kontaktem teorii kretu. Sam teoria kretu jest czescia algebry; reguly komutacji dla kretow to jest algebra Lie dla grupy obrotow. Wszystkie twierdzenia na temat kretow – np. to, ze kwadrat kretu rowna sie l(l+1), gdzie l jest liczba calkowita i rzut kretu na os z jest tez liczba calkowita – sa w gruncie rzeczy twierdzeniami matematycznymi. Mozna powiedziec, ze teoria kretu ma charakter kinematyczny. My nie musimy znac dynamiki tego co sie kreci, zeby wiedziec jak sie kreci. Prosze zwrocic uwage, jaka to jest niezwykla rzecz, ze i proton, ktory jest 1830 razy ciezszy od elektronu, a nawet jadra np. rteci czy olowiu, ktore wewnatrz maja po kilkaset nukleonow, maja kret taki sam, jak elektron. Ja sie nigdy nie przestaje temu dziwic – jak to jest mozliwe, zeby taka malutka czastka jak elektron miala matematycznie dokladnie, podkreslam dokladnie, taki sam kret jak proton i neutron czy ciezkie jadra? Otoz odpowiedz jest taka, ze jest to mozliwe dzieki temu, ze te wlasnosci kretu sa wyjasnione przez kwantowo-mechaniczna teorie kretu, ktora jest niczym innym jak pewnego rodzaju algebra zwiazana z geometria przestrzeni euklidesowej. Kret – spin – jest wlasnoscia nie tych czastek, lecz przestrzeni w ktorej te czastki istnieja. Malo tego, mozna udowodnic, ze to jest prawda. Mianowicie, mozna wymyslec sztuczna przestrzen, taka jak stozek, w ktorej jest deficyt kata, tzn. stozek tworzymy z plaszczyzny w ten sposob, ze wycinamy dwie proste i sklejamy je. Mozna pokazac przy pomocy rownania Schroedingera, ze gdyby czastke umiescic na stozku, w ktorym jest deficyt kata, to jej kret bylby skwantowany nie w jednostkach h/2p, tylko w innych, tj. h/(2p minus deficyt kata). Wchodzi wiec w to element przestrzeni. Mozna udowodnic, ze kwantowanie kretu jest cecha przestrzeni euklidesowej, w ktorej te czastki "zyja", a nie cecha samych czastek Gdyby przestrzen zmienila sie, to krety tez by sie zmienily.

I taka tez jest moja filozofia w stosunku do ladunku elektrycznego, bo wobec ladunku mozemy postawic dokladnie te same pytania, co wobec spinu: Jakim cudem tak mala czastka jak elektron i tak duza czastka jak proton maja ten sam ladunek (oczywiscie z przeciwnym znakiem) ? Koincydencja ladunku elektronu i protonu jest najdokladniejsza koincydencja w Przyrodzie. Te ladunki sa rowne z dokladnoscia 1:10²⁰ . To jest wrecz niewiarygodne! I ta koincyndencja jest niewyjasniona. W szczegolnosci, tzw. chromodynamika kwantowa, ktora jest wspolczesna teoria silnych oddzialywan, nie wyjasnia tej koincydencji; nie ma teorii, ktora wyjasnialaby te koincydencje. Znowu, moim zdaniem, jedynym sposobem zrozumienia tego, jest przyjecie, ze to jest tak, jak ze spinem, tj. ten ladunek jest wlasnoscia przestrzeni, w ktorej te czastki zyja, a nie samych czastek. Przestrzen jest jedyna wspolna rzecza dla elektronu i protonu.


AMK:   Czyli stala struktury subtelnej pochodzi z wlasnosci przestrzeni?

AS:   Dokladnie tak. Moja idea jest taka, ze stala struktury subtelnej jest pewna charakterystyka przestrzeni euklidesowej, taka jak liczba p.


AMK:   Czyli jesli przestrzen jest taka a nie inna, to musi byc taka a nie inna stala struktury subtelnej.

AS:   Dokladnie, to jest idea. Nie widze innej mozliwosci. Prawa fizyki potrzebne sa w formie resztkowej, takiej jak w teorii kretu. W teorii kretu prawo fizyki dostarcza jednostki. W mojej teorii stalej struktury subtelnej prawa fizyki w zasadzie dostarczaja dwoch jednostek: stalej Plancka i predkosci swiatla, bo sa one razem potrzebne, zeby wyrazic ladunek elementarny. Kwadrat ladunku ma taki sam wymiar jak iloczyn stalej Plancka i predkosci swiatla. Stad stala struktury subtelnej, a = hc/e², jest bezwymiarowa. Sa wiec dwie stale, ktore sa jakby inputem fizycznym w mojej teorii, reszta to jest po prostu geometria abstrakcyjnej przestrzeni pseudoeuklidesowej w szczegolnej teorii wzglednosci, o ktorej w bardzo dobrym przyblizeniu mozna powiedziec wszystko to samo, co o przestrzeni euklidesowej, ktora wyewoluowala z wielkich krzywizn i gestosci na poczatku Wszechswiata i poprzedza przestrzen kosmologiczna. Gdyby okazalo sie prawda, na co mam nadzieje, ze stala struktury subtelnej jest pewna liczba charakteryzujaca przestrzen pseudoeuklidesowa w szczegolnej teorii wzglednosci, to wlasnie w tym sensie poprzedzalaby ta stala prawa fizyki.


AMK:   Czy widzi Pan swiatlo na koncu tunelu do swojej teorii?

AS: (smiech)   To bardzo trudne pytanie, panie Andrzeju. Robie stale postepy, moje wlasne zrozumienie zagadnienia poglebia sie, jest coraz doskonalsze. Natomiast, czy widze swiatlo na koncu tunelu? Nie wiem, swiatla dokladnie to chyba nie widze. Jest to niestety bardzo stresujaca sytuacja i zdaje sobie sprawe, ze moze mi zycia nie starczyc, zeby ten program zakonczyc.

O matematyce i pojeciach ogolnych...

AMK:   Ciekawa rzecz Pan powiedzial, ze geometria euklidesowa istniala przed Wszechswiatem. Jasne, ona istniala, bo matematyka istniala, jako abstrakt, to nie jest cos, co jest zbudowane z czastek. Ale w ten sposob mozna w gruncie rzeczy powiedziec, ze wiele innych struktur myslowych istnialo, nie tylko matematyka. Takich abstraktow jak matematyka jest caly szereg...

AS:   To jest kwestia do dyskusji, dlatego ze, moim zdaniem, jest roznica miedzy pojeciami matematycznymi a innymi pojeciami ogolnymi. Tutaj dotykamy zagadnienia Platonizmu. Platon tez uwazal, ze pojecia ogolne sa pierwotne w stosunku do ich materialnych realizacji. Ale moim zdaniem jest roznica miedzy pojeciami ogolnymi, takimi jak np. "pies" lub "kon", a pojeciami ogolnymi takimi jak "okrag".


AMK:   Absolutnie, pies to jest przeciez uklad czasteczek...

AS:   Wlasnie, "pies" jest pojeciem ogolnym, dotyczacym pewnego, istniejacego w przestrzeni i czasie obiektu, jakim jest populacja psow na Ziemi. Podczas gdy "okrag" jest pojeciem ogolnym, ale w znacznie silniejszym i bardziej pierwotnym sensie niz pojecie "pies". Jest calkiem mozliwe, a prawie pewne, ze psy istnieja tylko na Ziemi, a nie istnieja na innych planetach, na ktorych jest zycie. "Pies" wiec jest pojeciem ogolnym, ale dotyczacym szczegolnego obiektu, umiejscowionego w przestrzeni i czasie, podczas gdy "okrag" jest pojeciem nie ograniczonym do miejsca w przestrzeni i czasie. Jezeli gdzies w Kosmosie istnieje inteligencja, to oczywiscie matematyka jest tam ta sama, a psy sa inne, ludzie sa inni.


AMK:   Gdyby ci ludzie nie znali matematyki, to ta matematyka i tak istnieje.

AS:   Malo tego, jezeli ja poznaja i wylicza liczbe p, to bedzie ona dokladnie rowna naszej.


AMK:   Do takiej kategorii pojec ogolnych mozna chyba wlaczyc i logike?

AS:   Sadze, ze tak. Moim zdaniem logika jest czescia matematyki, wiec uniwersalnosc matematyki przenosi sie na uniwersalnosc logiki.

O stalej kosmologicznej

AMK:   Przejdzmy do innych zagadnien, ktore chcialbym poruszyc w naszej rozmowie. Nie czytam prac naukowych analizujacych astrofizyczne dane z Hubble Space Telescope, choc od lat czytam fascynujace doniesienia agencyjne o tym, co zobaczono dzieki HST, np. niedawno jak to czarna dziura pochlania galaktyke. Sa poza HST i inne telescopy orbitalne, analizujace innego rodzaju promieniowania. Wszystko to, co sie obserwuje, jest oczywiscie jeszcze nieslychanie daleko od poczatku Wszechswiata. Ale czego, z punktu widzenia fundamentalnych teorii fizyki czy astrofizyki lub kosmologii, nauczylismy sie dzieki tym orbitujacym teleskopom?

AS:   Informacje, ktore do nas docieraja z takich urzadzen jak Hubble, a takze informacje, ktorych dostarcza nam wspolczesna astronomia sa absolutnie rewelacyjne. Ja sam za najbardziej rewelacyjne, moze nawet rewolucyjne odkrycie astronomii z ostatnich lat uwazam stwierdzenie, ze w Kosmosie istnieje dodatnia stala kosmologiczna. Jest to absolutnie fundamentalne odkrycie, dlatego, ze stawia nas ono w nowej sytuacji. Mianowicie, stala kosmologiczna jest fundamentalna stala przyrody. I musimy sie zastanowic, tak jak w przypadku kazdej stalej przyrody, nad charakterem tej stalej. Juz widzielismy w przypadku predkosci swiatla, stalej Plancka i stalej struktury subtelnej, ze nie wszystkie stale maja ten sam status. Czym jest stala kosmologiczna, jezeli potwierdza sie, a jest to prawie pewne, te wyniki? Jaki charakter ma ta stala? Tutaj nasza niewiedza jest kompletna, musimy sie tu przyznac do totalnej ignorancji. Czy to jest fundamentalna stala, taka jak masa protonu, czy to jest jakis efekt kwantowy na makroskopowa skale istniejacy w Kosmosie, czy tez jeszcze cos innego?

Kilka lat temu, kiedy jeszcze sadzono, ze stala kosmologiczna jest rowna zero, zeby zacytowac kogos konkretnego, David Gross, jeden z najglosniejszych amerykanskich fizykow teoretykow, mowil, ze wyjasnienie tego, iz stala kosmologiczna jest rowna zero, jest jednym z najwazniejszych otwartych problemow calej fizyki. A w tej chwili mamy jeszcze gorszy problem: wiemy, ze stala kosmologiczna jest dodatnia, czyli mamy problem nie jakosciowy by wyjasnic, ze jest rowna zero, ale problem ilosciowy, by wyjasnic dlaczego jest taka, a nie inna. Nie slyszalem tu o dobrych pomyslach, lecz jest to ogromne wyzwanie, problem fizyczny, ktory zawdzieczamy obserwacjom astrofizycznym na duza skale oraz astronomom.


AMK:   Czy moglby Pan wyjasnic czym jest stala kosmologiczna?

AS:   Stala kosmologiczna mozna rozumiec na dwa sposoby. Jezeli rownania Einsteina w ogolnej teorii wzglednosci umownie podzielimy na lewa strone i prawa strone, to mozemy stala kosmologiczna l napisac albo po lewej stronie, albo po prawej stronie, dodajac do tensora Einsteina wyraz l g_{m n}, gdzie g_{m n} jest tensorem metrycznym. Einstein doskonale zdawal sobie z tego sprawe. I teraz, jezeli ten wyraz napiszemy po lewej stronie, to stala kosmologiczna l jest czyms co charakteryzuje pole grawitacyjne, podobnie jak np. ladunek elektryczny charakteryzuje pole elektromagnetyczne. Natomiast jezeli ten sam wyraz przeniesiemy na prawa strone, co formalnie mamy prawo zrobic, to wowczas dodatnia stala kosmologiczna, taka jak jest obserwowana, ma znaczenie pewnego bardzo specyficznego rozkladu materii, tj. rozkladu materii w ktorej cisnienie jest co do bezwglednej wielkosci takie samo jak gestosc materii, lecz ujemne. Widac, jak niezwykla musi to byc materia, gdyz jestesmy przyzwyczajeni do tego, ze cisnienie i gestosc materii sa dodatnie. Tu mielibysmy cisnienie o znaku przeciwnym niz gestosc, wiec jakas niezwykle egzotyczna materie. Ten egzotyczny rozklad materii przyspiesza ekspansje Wszechswiata. W tej chwili astronomowie twierdza, ze Wszechswiat nie tylko ekspanduje, ale przyspiesza swoja ekspansje.

O "teorii wszystkiego"

AMK:   Jest w dzisiejszej fizyce poszukiwanie owej legendarnej tzw. "teorii wszystkiego". Co konkretnie ma znaczyc "teoria wszystkiego"?

AS: (smiech)   To pytanie powinien Pan, Panie Andrzeju, zadac tym ludziom, ktorzy uzywaja tego terminu. Ja sie dosyc niejasno domyslam, co oni rozumieja przez "teorie wszystkiego", aczkolwiek ja sam bym czegos takiego nie uzywal, bo uwazam, ze to jest, przepraszam za slowo, troszke niepowazne. Domyslam sie, ze przez "teorie wszystkiego" rozumie sie pewna strukture tego typu, jakie uzywa sie w fizyce teoretycznej, ktora zawieralaby w sobie kwantowa teorie pola z jednej strony i teorie pola grawitacyjnego z drugiej strony. Jestesmy jak najdalsi od jakiegokolwiek postepu w tym kierunku, a poza tym powinnismy pamietac, ze cos takiego, jak "teoria wszystkiego" moze byc naprawde niemozliwe.

To znaczy moze byc tak, ze Wszechswiat ma do konca, tzn. do najbardziej fundamentalnych skladnikow, strukture hierarchiczna. Rozumiem przez to cos takiego... My jestesmy przyzwyczajeni do struktury hierarchicznej Wszechswiata w skali ludzkiej, kazdy np. rozumie, ze opisywanie czlowieka jako zbioru elektronow nie ma sensu, gdyz to po pierwsze jest niemozliwe, a po drugie, gdyby nawet bylo mozliwe, to nie mialoby sensu, bo opisujac czlowieka jako zbior elektronow skupiamy sie na rzeczy nieistotnej, podczas gdy pozbawiamy sie wgladu w rzeczy istotne. Czyli na poziomie naszego zycia widac, ze Kosmos ma strukture hierarchiczna w tym sensie, ze sa prawa fizyki, ale juz chemia, ktora jest najblizsza fizyce, nie jest czescia fizyki. Chemicy bardzo czesto stosuja take pojecia, jak np. powinowactwo elektryczne, ktorych dokladna tresc kwantowo-mechaniczna nie jest latwa do uchwycenia. Chemicy maja caly szereg swoiscie chemicznych zasad, swoiscie chemicznej wiedzy, ktora nie jest bezposrednio wyprowadzalna z zasad mechaniki kwantowej; z pewnoscia nie jest w praktyce wyprowadzalna, a jest wielkie pytanie czy jest teoretycznie wyprowadzalna. Wiec juz chemia, nauka scisla, najblizsza fizyce, wykazuje pewna hierarchicznosc w stosunku do zasad fizyki: mianowice nie jest ani celowe ani mozliwe opisanie zlozonych struktur chemicznych przy pomocy np. rownania Schroedingera, czyli opisu, ktory w rozumieniu fizyki jest fundamentalny. Im wyzej pojdziemy w tej hierarchii, np. do biologii, to juz staje sie calkowicie oczywiste, ze opisanie struktur biologicznych, takich jak bakterie, rosliny, zwierzeta w jezyku fizycznym jest po prostu niemozliwe, a po drugie nie mialoby sensu, gdyby bylo mozliwe, gdyz byloby to skupianie sie na rzeczach nieistotnych dla tego, czym jest ten obiekt zyjacy.

Jezeli widzimy, ze gdy idziemy w gore, to manifestuje sie hierarchicznosc, to przeciez nie mozemy wykluczyc takiej mozliwosci, ze hierarchicznosc istnieje od samego poczatku, tzn. cos, co my w tej chwili uwazamy za fundamentalny twor przyrody, np. elektron, nie jest nim. Nasze obecne rozumienie fizyki jest takie, ze elektron jest czastka elementarna, tzn. jest elementarnym i podstawowym skladnikiem modelu standardowego czastek elementarnych. Ale, i tu zaczyna sie dramat, moim zdaniem nikt nie moze dac glowy za to, ze elektron nie jest, jak sie to mowi, czyms emergentnym w stosunku do czegos jeszcze bardziej podstawowego. Gdy obaj bylismy studentami, to protony uwazalo sie za czastki elementarne, nawet po dzis dzien, jezeli poluzuje sie pewne rygory, uzywa sie tej nazwy. Ale odkryto kwarki, wobec ktorych proton jest emergentny. Skoro mamy takie ostrzezenie w przypadku protonu, to byloby nierozsadne i niepowazne lekcewazyc mozliwosc podobnego rozwoju wypadkow w przypadku elektronu. Zreszta slynny fizyk, Hans Dehmelt, laureat nagrody Nobla (1989), podejrzewa, ze elektron jest zlozony.

Ostroznosc poznawcza i filozoficzna trzeba zawsze zachowac. Trzeba sobie zdawac sprawe z tego, ze to, co pewni ludzie uwazaja za "teorie wszystkiego" moze byc od poczatku niemozliwe ze wzgledu na hierarchicznosc zjawisk, ktora nie ma poczatku ani konca, tzn. nie konczy sie ani w gore, ani w dol. Ci ludzie chcieliby dotrzec do najnizszego poziomu – tylko pytanie czy on istnieje. Czy to nie jest tak, jak z liczbami? Np. jezeli okreslimy sobie zbior liczb rzeczywistych dodatnich, to w tym zbiorze nie ma liczby najmniejszej. Analogicznie, poziom podstawowy budowy hierarchii bytow moze bardzo dobrze nie istniec. Jestesmy skazani na schodzenie w glab, ale nie mozemy miec nadziei, ze dojdziemy do granicy, ktora po prostu moze nie istniec. Jest to logiczna mozliwosc, ktorej nie mozna lekcewazyc.

O podrozach w czasie

AMK:   Zyjemy w czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Mozemy swobodnie poruszac sie tam i z powrotem w trojprzestrzeni – lecz w czasie tylko w jednym kierunku i to nie swobodnie. Czy moglby Pan w skrocie powiedziec, co, z punktu widzenia fundamentalnych praw fizyki, jest przyczyna tego "uposledzenia", a moze "uprzywilejowania" czwartego wymiaru, tj. czasu?

AS:   To bardzo trudne pytanie. Tego to ja nie wiem. Kwestia podrozy w czasie zrobila sie bardzo modna ze wzgledow komercyjnych. W Ameryce kreca takie filmy, w powaznych ksiazkach sa fotomontaze Sokratesa rozmawiajacego z amerykanskimi turystami, sa ludzie znajacy sie na fizyce teoretycznej, ktorzy twierdza ze podroze w czasie sa mozliwe. Moim zdaniem cos takiego nie jest mozliwe.

Ludzie, ktorzy mowia o podrozach w czasie, popelniaja pewien blad logiczny, ktory polega na tym, ze nalezy sobie wyobrazac, iz Kosmos, mowiac w przenosni, jest rozwiazaniem pewnych rownan ruchu jakiejs teorii, prawda? Te rozwiazania musza byc rzeczywistymi rozwiazaniami, tzn. musza byc spelnione w kazdym punkcie. Dam przyklad procedury, ktora jest wymagana w kazdym wypadku. Gdy rozwiazujemy rownanie Schroedingera dla atomu wodoru, to separujemy to rownanie we wspolrzednych sferycznych a nastepnie zadamy aby funkcja falowa byla ciagla. I to narzuca kwantowanie rzutu kretu na os z.

Otoz, gdyby nawet – podkreslam, ja nie wierze, ze cos takiego jest mozliwe i wielu ludzi tez tak uwaza – gdyby nawet cos takiego jak cykliczny czas bylo gdzies mozliwe, to Wszechswiat jako rozwiazanie rownan ruchu, winien miec te wlasnosc, ktora ma funkcja falowa okreslona na okregu, mianowicie, ze jest ciagla. Dlatego, ze funkcja falowa, ktora bylaby nieciagla na okregu, nie jest w sensie matematycznym rozwiazaniem rownania Schroedingera. W punkcie, w ktorym od lewej i prawej strony rozwiazanie schodzi sie w sposob niegladki, nie spelnia ono tego rownania rozniczkowego, ktore ma spelniac. I dlatego, moim zdaniem, blad logiczny, ktory robia ludzie mowiacy o podrozach w czasie, polega na tym, ze oni zapominaja, ze rownania opisujace Kosmos musza byc spelnione wszedzie, bez osobliwosci. To znaczy, gdyby nawet czas byl cykliczny, to zdarzenia tez musialyby byc cykliczne. Musi byc takze i dla czasu dokladnie spelniony ten sam warunek ciaglosci, ktorego zadamy na okregu: jezeli robimy pelny obieg po okregu, to zadamy, zeby funkcja falowa byla ciagla, czyli aby stan od ktorego zaczelismy dokladnie powtorzyl sie po zrobieniu pelnego obrotu. Jezeli wiec zadamy cyklicznosci na okregu, to czas musialby byc tez cykliczny. Teoretycznie mozliwe jest cykliczne powtarzanie sie tych samych zdarzen, ale nie jest mozliwy powrot w przeszlosc zmieniajacy te przeszlosc, bo to byloby wlasnie cos takiego jak nieciagla, niecykliczna funkcja falowa na okregu.

To oznacza, ze skoro wiemy, iz Sokrates nigdy nie rozmawial z turystami amerykanskimi, to on juz nigdy nie bedzie rozmawiac, gdyz byloby to zlamaniem rownan, ktore rzadza ewolucja Kosmosu.


AMK:   Czyli czas nie moze sie powtorzyc?

AS:   Moim zdaniem nie. Tutaj sa rzeczy, ktorych do konca nie rozumiemy. Intuicja jest taka, ze cyklicznosc zdarzen nie jest mozliwa. Nawet jezeli czas bylby cykliczny, to musialby byc cykliczny na zasadzie nie tylko przestrzeni, ale wszystkiego co sie wydarzylo w tej przestrzeni. Ludzie, ktorzy rysuja Sokratesa, robia ten blad, ze dla nich czas sie powtorzyl, ale zdarzenia sie nie powtorzyly, bo historycznie Sokrates nie rozmawial z turystami amerykanskimi. Tak, jakby Sokrates inaczej przezywal swoje zycie, a to jest tez i logiczna sprzecznosc.

To trzeba rozumiec w sensie czasoprzestrzennym... Wezmy nas dwoch: na poczatku jestesmy razem, nastepnie jeden z nas wychodzi i wraca, czyli robi kolo, a drugi spoczywa. Ale to wszystko dzieje sie w czasie. Czyli obrazem czasoprzestrzennym naszego ruchu nie jest kolo, tylko spirala. Mianowicie, osoba pozostawiona na miejscu porusza sie w czasoprzestrzeni po linii prostej, a osoba, ktora wyszla i wraca, porusza sie po spirali, ktora po pewnym czasie powraca do tego samego przestrzennego punktu, ale juz wyzej na osi czasu. To jest ruch po spirali w czasoprzestrzeni. Czyli to nie jest powrot do tego samego punktu w czteroprzestrzeni, tylko do tego samego punktu w trojprzestrzeni.

O naszej cywilizacji

AMK:   Kilka lat temu mowil i pisal Pan o zagrozeniu cywilizacyjnym pochodzacym od braku czystej matematycznie fundamentalnej teorii fizycznej. Konkretnie, dlaczego uwaza Pan to wrecz za zagrozenie az cywilizacji?

AS:   Ja to rozumiem w taki sposob... Wspolczesna cywilizacja tak naprawde jest juz globalna. My juz zyjemy w obrebie jednej cywilizacji, ktora objela caly swiat. Zdaje sobie doskonale sprawe, ze sa rozne regiony, ze w tej chwili jest konflikt z muzulmanami, ale cywilizacja jest juz jedna, w tym sensie, ze wszyscy posluguja sie tymi samymi komputerami, telefonami komorkowymi itp, nawet terrorysci.

Zrodlem tej cywilizacji bylo to, co nazywamy cywilizacja Zachodu, tj. cywilizacja, ktora powstala w XVII wieku w Europie Zachodniej, przede wszystkim Francji, Anglii, Niderlandach. Moim zdaniem, przyrodoznawstwo matematyczne, tzn. to, co zrobili Newton, Huyghens, Galileusz, Kepler i inni bylo sila sprawcza tej cywilizacji. Nie wiem, czy historycy zgodziliby sie ze mna, ale ja nie mam co do tego najmniejszej watpliwosci, ze gdyby nie te wielkie odkrycia w dziedzinie fizyki, ktorych dokonali Newton, Kepler i inni, to zaawansowana cywilizacja zachodnia po prostu by nie powstala. Mielibysmy do czynienia z jeszcze jedna taka cywilizacja jak Chiny, Indie, Japonia, ale nie z tym, co nazywamy cywilizacja zachodnia. To, co nazywamy cywilizacja zachodnia, i co jest przeciez pewnym konkretem, powstalo w XVII wieku w rejonie Kanalu La Manche. To cos powstalo dzieki odkryciom w dziedzinie fizyki i matematyki, mozna bardzo skrotowo powiedziec dzieki Newtonowi. My zyjemy w swiecie wykreowanym przez Newtona. Czyli podstawowe badania w dziedzinie fizyki w ogole, a fizyki matematycznej w szczegolnosci stanowia czesc tego, co nazywa sie tozsamoscia, stanowia czesc tozsamosci tej cywilizacji, w ktorej zyjemy.

I teraz, jezeli by, z jakiegokolwiek powodu, kreatywnosc w dziedzinie podstaw przyrodoznawstwa matematycznego ulegla przerwaniu, a z czyms takim musimy sie liczyc – mamy przeciez przyklad starozytnych Grekow, ktorzy stworzyli wspaniala matematyke, ale w pewnym momencie znikneli i wraz z nimi zniknela matematyka i dopiero w XVII wieku zaczeto pracowicie odtwarzac grecka matematyke na podstawie starych rekopisow. Otoz, gdyby cos takiego, jak zniszczenie kreatywnosci w dziedzinie fizyki matematycznej naprawde nastapilo, jak rowniez gdyby nastapilo znikniecie ludzi, ktorzy w jakis sposob rozumieja o co chodzi w fizyce teoretycznej, to by to oznaczalo obumarcie elementu, ktory jest czescia tozsamosci naszej cywilizacji. Ja przez zagrozenie rozumiem zagrozenie dla czegos, co stanowi niezbywalna czesc naszej osobowosci.

Zdaje sobie sprawe, ze wielu ludzi moze uznac te moje obawy za wydumane czy przesadne. Ale mamy przed oczyma wyrazny przyklad Grekow, wspanialej cywilizacji, ktora stworzyli i ktora stworzyla wspaniala matematyke, a jednak zniknela. Po prostu w pewnym momencie przestali fizycznie istniec ludzie, ktorzy te cywilizacje i matematyke tworzyli.

O osrodkach krystalizacji idei

AMK:   Wie Pan, pasjonuja mnie poczatki cywilizacji, przede wszystkim malarstwo jaskiniowe, to sprzed 30,000 lat, odkryte przed niewielu laty w Jaskini Chauvet we Francji, i pozniejsze o 10,000-15,000 lat, odkryte wczesniej w jaskiniach na niewielkim obszarze Departamentu Dordogne we Francji, czy w hiszpanskich Pirenejach.

Zastanawiam sie nad, wydaje mi sie, fundamentalnym tu problemem, ktory zda sie byc przemilczany. Otoz, ludzie, ktorzy 30,000 lat temu potrafili tak wspaniale rysowac i malowac, dlaczego oni nic innego nie wytworzyli? Ciagle lupali kamienie. Przeciez inteligencja jest jakas jedna, jesli potrafili tak rysowac..., czy to byl brak motywacji, czy moze jakas wybiorcza kreatywnosc tylko w jednym kierunku?

AS:   Pytanie, ktore Pan zadal jest niezmiernie trudne, ale rownoczesnie jest to niezwykle ciekawe pytanie. Sama jakosc tych malowidel swiadczy o tym, ja nie mam co do tego zadnych watliwosci, ze ludzie, ktorzy potrafili stworzyc tak wspaniala sztuke, to byli dokladnie tacy sami ludzie jak my. My ich nie przewyzszamy, tzn. oni niczym nie odrozniali sie od nas jesli chodzi o mozliwosci umyslowe, mozliwosci percepcji, inteligencje, wyobraznie, przypuszczam nawet zdolnosc abstrakcyjnego myslenia. To byli juz calkowicie wspolczesni ludzie.

Mozemy postawic konkretne pytanie: dlaczego trzeba bylo czekac 30,000 lat, az do Grekow, zeby np. stworzyc matematyke? To jest pytanie, ktore dotyczy, mozna powiedziec, mechanizmow ewolucji ludzkosci. Co inicjuje mechanizm tej ewolucji? Moim zdaniem, charakterystyczne jest to, ze pewne, bardzo wazne z punktu widzenia ewolucji calej ludzkosci pomysly powstaja w jednym miejscu, a nie w wielu miejscach. Dam przyklad tego, o co mi chodzi. Matematyke i filozofie wymyslili Grecy. W koncu maly narod. W czasach greckich istnialy juz potezne cywilizacje Chin, Indii, a jednak tylko Grecy wpadli na matematyke. Podobnie, religie monoteistyczna wymyslili Zydzi, inny maly narod, zyjacy w czasie, gdy istnialy juz potezne imperia, a jednak tylko w ich miejscu powstala idea jednego Boga, ktora odegrala kolosalna role w historii ludzkosci. Wezmy teraz inna idee, jaka jest demokracja. Moim zdaniem, demokracja powstala w Anglii, bo wszystkie inne kraje przed Anglia tak naprawde nie byly demokratyczne. Wspolczesna idea demokracji wywodzi sie z Anglii. Mamy znowu ten sam wzor. Anglia od pewnego czasu robi wrazenie mocarstwa, ale to jest wynik kolosalnej ekspansji Anglikow. W zasadzie, w momencie gdy tworzyla sie angielska demokracja, Anglia byla czyms takim jak Grecja, tzn. niewielkim narodem u brzegow Europy.

Mamy na tych trzech przykladach: filozofii i matematyki, religii monoteistycznej i demokracji, stale ten sam rys, iz pewna fundamentalnie wazna idea powstaje w dobrze zlokalizowanym miejscu i w obrebie w koncu niewielkiej grupy ludzi. Ale potencjal ewolucyjny zawarty w tej idei jest tak duzy, ze z czasem idea ta rozszerza sie na caly swiat.

To jest pewien obraz, ktory bym stworzyl, tzn. ze rzeczywiscie rewolucyjne idee powstaja na niewielkim obszarze, w okreslonym miejscu i czasie, a to czy one rozszerza sie na caly dostepny obszar, czy po prostu umra, zalezy od ich wartosci dla calej ludzkosci. Te trzy idee: filozofia i matematyka, religia monoteistyczna i demokracja, okazaly sie tak wartosciowe, ze ludzkosc, a co najmniej jej wiekszosc, przyjela je jako swoje, mimo, ze poczatki tych idei byly bardzo ograniczone przestrzennie i czasowo.

Otoz, jezeli jest tak, ze pewne wazne idee powstaja w malym miejscu i w okreslonym czasie, to jest to po prostu zjawisko malo prawdopodobne. I dlatego, ten ogromny okres czasu, ktory uplynal miedzy ludzmi, ktorzy stworzyli te wspaniale malowidla na czesci dzisiejszego terytorium Francji i Hiszpanii, znowu na niewielkim obszarze, a Grekami, ja tlumaczylbym po prostu tym, ze powstanie osrodka krystalizacji, ktory jak widac jest zawsze potrzebny, jest czyms w sumie trudnym i malo prawdopodobnym i wymaga specjalnego zbiegu okolicznosci, ktory sam w sobie jest czyms rzadkim. A rzadkie wydarzenia maja to do siebie, ze trzeba na nie dlugo czekac.


AMK   To jest absolutnie przekonywujace, ale mnie chodzilo o cos nieco innego. Skoro owi jaskiniowi ludzie byli tak, powiedzmy, inteligentni i zdolni, ze potrafili tak rysowac, to zapewne gdyby mieli jakis impuls, to mogli zrobic np. i mlotek, a tego jednak nie zrobili...

AS:   Z cala pewnoscia. Tylko niech Pan zauwazy czym jest gotowy mlotek dla tego, ktory potrafi z niego zrobic uzytek, ale sam tego mlotka nie ma. Ten mlotek jest osrodkiem krystalizacji, wokol ktore moga skrystalizowac sie idee. To sie stale powtarza. Ktos moze nie znac jakiegos urzadzenia, ale gdy mu sie to urzadzenie pokaze, to zobaczy o co chodzi w tym urzadzeniu i sam sobie zrobi jego kopie. To jest standardowy proces. Krotko mowiac, nie mam zadnej watpliwosci, ze gdyby owym prehistorycznym ludziom, ktorzy tak malowali, wytlumaczyc o co chodzi w geometrii Euklidesa, to natychmiast by to zrozumieli. Tak, jak np. studenta z Nowej Gwinei, ktory przeciez jest cofniety w czasie, mozna dac na amerykanski uniwersytet i on sie wszystkiego nauczy.

Ja to widze w ten sposob, ze potrzebne sa osrodki krystalizacji idei, ktore do swego powstania wymagaja niezwyklego zbiegu okolicznosci i dlatego rzadko pojawiaja sie w przestrzeni i czasie.

Andrzej Staruszkiewicz, 2004,
(fot.   Andrzej Kobos).


AMK:   Znakomicie. Panie Andrzeju, niezwykle Panu dziekuje.

AS:   Dziekuje bardzo rowniez.

Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego
Uniwersytetu Jagiellonskiego,
Krakow, lipiec 2004.

Copyright © 1997-2004 Zwoje