Strach przed ciemnością

W społeczności fizyków teoretyków można obecnie wyczuć atmosferę rozczarowania, dojmujące przekonanie, że nie udało nam się dokonać przełomu równie ważnego jak badania, które na początku ubiegłego wieku doprowadziły do rewolucji kwantowej i relatywistycznej.

Publikacja: 02.02.2024 17:00

rAREE/AdobeStock

rAREE/AdobeStock

Foto: Aree.S

My, fizycy, ustaliliśmy, że ponad 95 procent materii i energii we wszechświecie ma postać, która jest dla nas niewidzialna. Nazwaliśmy te tajemnicze substancje ciemną materią i ciemną energią. Ich odkrycie naprowadziło nas na ślad kolejnych tajemnic, które wstrząsnęły podstawami praw fizycznych.

Wpływ grawitacyjny ciemnej materii, świadczący o istnieniu olbrzymiego halo wokół wszystkich galaktyk, ma kluczowe znaczenie dla wyjaśnienia, w jaki sposób mogły powstać wielkoskalowe struktury materii widoczne we wszechświecie. Podobnie jest z ciemną energią, którą odkryto za pomocą teleskopów, wykonując pomiary coraz szybszego tempa rozszerzania się wszechświata. Jej badanie pozostaje na razie domeną kosmologów, którzy opisują ją w kontekście procesów kosmicznych oraz ogólnego kształtu i losu wszechświata. To błąd. Okazuje się, że te ciemne substancje odgrywają tajemniczą rolę w funkcjonowaniu widocznego świata i mają znaczenie dla zrozumienia samego życia. Ciemna energia znajduje się w całej pustej przestrzeni, a nie tylko w kosmosie, i przenika wszystko, co istnieje. Wywoływane przez nią efekty kwantowe zachodzą nawet w przestrzeni między atomami tworzącymi nasze ciało.

Czytaj więcej

Ostatnia rozmowa z Januszem Majewskim. „Film jest dobry albo zły, reszta nie ma znaczenia”

Czego boją się naukowcy

Najwyższy już czas, by pojawił się jakiś nowy Newton, który połączy fizykę zjawisk pozaziemskich z fizyką procesów obserwowanych na naszej planecie. Taka integracja mogłaby nam pomóc w wyjaśnieniu ciemnej materii i ciemnej energii, a to z kolei pozwoli nam lepiej zrozumieć, kim jesteśmy i jak wygląda kosmos, w którym żyjemy.

Odkrycie ciemnej materii i ciemnej energii niewątpliwie wstrząsnęło podstawami fizyki, jednak fakt, że wciąż nie potrafimy ustalić, z czego składa się większa część kosmosu, pozostaje źródłem nieustającej frustracji i ogranicza możliwość zrozumienia naszego miejsca we wszechświecie. Nadal nie wiemy zbyt wiele o ciemnym sektorze, z wyjątkiem tego, że istnieje, a mimo to uczeni nierzadko przypisują ciemnej materii konkretne własności, opierając się na zachowawczych założeniach, analogicznych do znanych zasad fizyki. Odnoszę wrażenie, że kierunki badań, które mogłyby naprowadzić nas na trop nowych pytań i zaowocować odkryciem nowych własności lub nowej roli ciemnej strony wszechświata, budzą lęk. Czy naprawdę aż tak bardzo obawiamy się ciemności, że przenosimy ten strach nawet na zjawiska, co do których nie mamy adekwatnej wiedzy naukowej?

Ciemna materia i ciemna energia nie są jedynymi niezwykłymi zjawiskami, z którymi nie potrafi sobie poradzić współczesna fizyka. Można wskazać kilka innych procesów niepasujących do obecnie obowiązujących teorii, które są źródłem licznych spekulacji i stanowią równie wielką zagadkę dla fizyków. Jeśli uda się je wyjaśnić, nowa wiedza może wstrząsnąć podstawami tego, co obecnie uważamy za pewnik.

Tego typu anomalie prowadzą do pojawienia się pytań nie tylko z zakresu nauk ścisłych, lecz także społecznych: W jaki sposób nauka reaguje na idee, które mogą łamać dotychczasowe normy naukowe i kłócić się z naszymi oczekiwaniami? Czy społeczność naukowa boi się „ciemnych” idei wysuwanych przez outsiderów, szczególnie jeśli mają one postać, która jest trudna do zaakceptowania, lub gdy nie można ich gładko połączyć z istniejącymi teoriami i przyjętymi metodami pracy naukowej?

Pytania z pogranicza nauki

Na początku ubiegłego stulecia odkrycie promieniowania ciała doskonale czarnego, emitowanego przez większość ciał pozornie niewysyłających żadnego światła, było teoretyczną „katastrofą” fizyki klasycznej, ponieważ biorąc je pod uwagę, fizycy uzyskiwali bezsensowne wyniki, niezgodne z tym, co obserwowano w doświadczeniach. Gdy jednak niemiecki fizyk Max Planck uwzględnił ideę ciała doskonale czarnego w całej jej rozciągłości, postawił na głowie całą teorię elektromagnetyzmu i wywołał rewolucję kwantową. Czy to możliwe, że stojące przed nami obecnie teoretyczne anomalie doprowadzą do podobnej rewolucji w nauce? Jeśli tak, to kto ma największe szanse na to, by stać się motorem takich przemian?

Choć mamy umiejętność tworzenia niezwykle abstrakcyjnych konstrukcji matematycznych i potrafimy odkrywać prawdy wykraczające poza to, czego doświadczamy za pomocą naszych pięciu zmysłów, to jednak jako ludzie jesteśmy ograniczeni uwarunkowaniami społecznymi i psychologicznymi. W tej książce wyjdziemy poza obecnie obowiązujące paradygmaty pojęciowe i naukowo-socjologiczne, wkraczając na nieznane i czasami ryzykowne obszary pojęciowe. Co czai się za osobliwością czarnej dziury w naszej Galaktyce i co było, zanim w Wielkim Wybuchu narodził się czas? W jaki sposób z chaotycznego i jednolitego wczesnego wszechświata wykształciła się struktura kosmosu? Jaką rolę odgrywają w nim ciemna energia i ciemna materia? Czy istnieje jakiś ukryty związek między powstaniem życia i prawami fizyki? Pytania te znajdują się na pograniczu współczesnej nauki. Jeśli uzyskamy na nie odpowiedzi, możemy podważyć teorie stanowiące sedno naszej obecnej wiedzy. Aby je znaleźć, musimy się zastanowić, czy świat naukowy jest gotów na działalność osób nieszablonowych, outsiderów, którzy mają większe szanse na to, by wyjrzeć poza horyzont obecnej wiedzy teoretycznej. Czy społeczność naukowa w jej obecnej strukturze w ogóle może zaakceptować takich outsiderów wytyczających nowe szlaki? (…)

Czytaj więcej

Wymyślam historie i staram się być wesoły. „Powieść naturalna” Gospodinowa

Co powiedzą inni

Często, gdy nie potrafię sobie poradzić z jakimś problemem – fizycznym lub osobistym – pielgrzymuję na północne wybrzeże mojego rodzinnego kraju, Trynidadu i Tobago. Gdy maszeruję ścieżkami stukilometrowego szlaku przebiegającego przez bujne, ciemnozielone pasmo gór nad zatoką Las Cuevas, czuję się, jak gdybym wychodził poza własne ciało. Wspinam się krętą drogą prowadzącą na szczyt wzgórza, które wznosi się nad oceanem, zza pleców dobiegają do mnie odgłosy tropikalnej dżungli, a przede mną, w dole, rozlega się rytmiczny plusk krystalicznie czystych, szmaragdowych fal rozbijających się o brzeg. W otoczeniu przyrody, pięknej i pierwotnej, niespodziewanie zaczynam dostrzegać nowe możliwości uporania się z trapiącymi mnie sprawami.

Pewnego dnia, nie tak dawno temu, natrafiłem na problem badawczy, z którym w żaden sposób nie mogłem sobie poradzić. Wyruszyłem więc po raz kolejny do dżungli, by popatrzeć na morze. Gdy już dotarłem na miejsce, wszystko nagle stało się jasne – nie, nie znalazłem rozwiązania nurtującego mnie problemu, ale uświadomiłem sobie, że w ciągu minionych dwudziestu lat, gdy zajmowałem się badaniami naukowymi, podświadomie unikałem zmierzenia się z podstawowym powodem, dla którego w ogóle zostałem fizykiem, a mianowicie z faktem, że zawsze chciałem dokonać ważnego odkrycia naukowego. Zrozumiałem, że boję się porażki i ryzyka zawodowego, jakie się z tym wiąże. Gdy ktoś decyduje się na karierę naukową, musi brać pod uwagę między innymi to, jak widzą go inni uczeni, i dobrze znać swoją dziedzinę. Uczeni postrzegani jako „szaleńcy” lub wysuwający zbyt wiele ryzykownych spekulacji ponoszą zazwyczaj surową karę. Doskonale wiedziałem, że niektóre z interesujących mnie idei, takie jak związek między świadomością i mechaniką kwantową, mogą wpłynąć negatywnie na moją reputację i być może nawet utrudnić mi karierę.

W społeczności fizyków teoretyków można obecnie wyczuć atmosferę rozczarowania, dojmujące przekonanie, że nie udało nam się dokonać przełomu równie ważnego jak badania, które na początku ubiegłego wieku doprowadziły do rewolucji kwantowej i relatywistycznej. Nie chcę przez to powiedzieć, że uczeni nie próbują zaradzić tej sytuacji. Każdego dnia w internetowym globalnym archiwum badań fizycznych arXiv.org ukazuje się wiele artykułów i bardzo często ich autorzy przedstawiają nowe pomysły na wyjaśnienie nurtujących nas tajemnic. Mimo to nie mamy zbyt silnego poczucia, że dokonuje się postęp. Dlaczego tak jest? Czy dlatego, że te problemy są dla nas za trudne? A może chodzi o to, że poszukując prawdy, niektórzy uczeni obawiają się spoglądać w stronę nieznanego, zakazanego obszaru, być może w strachu przed karami – utratą dobrej opinii i trudnościami w rozwoju kariery – grożącymi za wykroczenie poza powszechnie uznawane paradygmaty? Sądzę, że bliższa prawdy jest ta druga ewentualność. W tej książce przedstawię swoje przemyślenia i rozważania. Podejmę przy tym pewne ryzyko w nadziei, że przy okazji dowiemy się czegoś istotnego, bez względu na to, czy mam rację, czy nie.

Wulkan pomysłów a sensowne teorie

Ponieważ jestem czarnoskórym fizykiem, ta potencjalna zaleta – to, że w mojej głowie wprost roi się od nowych idei, że nie boję się śmiałych pomysłów – może być przeszkodą. W kołach naukowych osoby o ciemnym kolorze skóry spotykają się często z niedowierzaniem odnośnie do ich możliwości intelektualnych i umiejętności „myślenia jak fizyk”. W efekcie śmiały, osobisty styl prowadzenia rozważań teoretycznych w połączeniu z moją rasą często prowadzi do sytuacji, w której koledzy o białym kolorze skóry stają się podejrzliwi i patrzą na moje pomysły z lekceważeniem. Mimo tych rasowych i socjologicznych uprzedzeń udało mi się zrobić karierę w fizyce i dzięki mojemu charakterowi, jak i upodobaniom dalej kroczę naprzód, dzieląc się z innymi hipotezami, które, przynajmniej czasami, okazują się godne uwagi. Ta książka nie będzie pod tym względem wyjątkiem.

Zastanawiając się nad swoją sytuacją podczas tego pobytu w Trynidadzie, postanowiłem, że od tej pory będę poświęcał większą część czasu na szukanie rozwiązania którejś z wielkich zagadek fizyki. Uświadomiłem sobie, że jeśli chcę robić to dobrze, będę musiał całkowicie zaangażować się w rozwiązywanie problemów fizycznych, a to oznacza konieczność improwizacji i popuszczania wodzy fantazji. Każdy, kto poznaje mnie osobiście, bardzo szybko się przekonuje, że przeróżne pomysły wylatują ze mnie jak z wulkanu i choć większość z nich jest błędna, to jednak niektóre, czasami nawet te z kategorii „błędnych”, okazują się ciekawe i warte dalszego rozważania. Pod wszystkimi tymi ideami ukrywa się solidny fundament, który tworzą teoretyczne i obliczeniowe narzędzia fizyki.

Uprawianie fizyki jest aktywnością społeczną i jak wszystkie działania realizowane w grupie wymaga przestrzegania pewnych norm. Oczekuje się, że uczeni będą postępowali zgodnie z tymi niepisanymi regułami, a jeśli je złamią, mogą się spodziewać nieprzyjemności. Zbyt często wymagania związane z „dobrym uprawianiem nauki” myli się z określonymi kierunkami badań teoretycznych, a to oznacza, że pojawia się oczekiwanie, iż uczeni zajmujący się poszczególnymi wąskimi dziedzinami fizyki będą zwolennikami konkretnych argumentacji teoretycznych. Taki mechanizm jest do pewnego stopnia pożądany, ponieważ pozwala wykluczyć idee takie jak przekonanie o płaskości Ziemi i inne pomysły bezsensowne z naukowego punktu widzenia. Czasami jednak oczekiwanie podporządkowania się przyjętym normom tłumi innowacyjność i postęp. Niektórzy uczeni czują niechęć do rozważania idei wykraczających poza utarte ramy, ponieważ może czekać ich za to surowa kara, i w efekcie mamy do czynienia z sytuacją, w której teorie rozbijające przyjęte paradygmaty mogą się nigdy nie pojawić.

W ramach społeczności naukowej musimy wyraźnie odróżniać wartości i normy regulujące działalność naukową od tych, które wymagają zgodności z określoną teorią czy konkretnym paradygmatem. Oczekuje się, że uczeni będą się stosowali do obu rodzajów reguł, ale w tym drugim przypadku takie wymagania mogą ograniczać twórcze podejście i zdolność do wytyczania nowych kierunków badań teoretycznych. Kluczowe jest jednak, byśmy mieli świadomość tego, że wszystkie argumentacje teoretyczne muszą być zgodne z zasadami naukowymi, z regułami poznawczej racjonalności, i powinny być oceniane właśnie w ich świetle. Oznacza to po prostu, że rozważania teoretyczne muszą być logicznie spójne i empirycznie uprawnione. Nie każda „pomysłowa idea” daje się przekształcić w sensowną teorię fizyczną. Prawdę mówiąc, szanse na to, że ktoś doprowadzi do powstania nowego paradygmatu jedynie dlatego, iż złamał normy regulujące działalność naukową w ramach standardowego podejścia, są nikłe. Nie ulega natomiast wątpliwości, że nie można tego dokonać bez złamania takich norm. (…).

Czytaj więcej

Dwie sceny nie zawodzą

Wydobywanie zasad natury

W1914 roku, niedługo po dokonaniu przełomowych odkryć z zakresu mechaniki kwantowej i ogłoszeniu teorii względności, Einstein wygłosił na posiedzeniu Pruskiej Akademii Nauk wykład, w którym omówił swoją strategię rozwoju fizyki teoretycznej.

– Metoda pracy teoretyka bazuje na fundamencie ogólnych zasad, z których można następnie wysnuć wnioski – powiedział. – Działalność ta przebiega zatem w dwóch fazach. Najpierw należy odkryć zasady, a następnie wyciągnąć z nich właściwe konkluzje.

Einstein dostrzegł ukrytą rzeczywistość, w której czas i przestrzeń mogą zwalniać, przyspieszać, zakrzywiać się, a nawet całkowicie przestać istnieć, rzeczywistość wykraczającą poza ramy tego, co postrzegamy na co dzień, rzeczywistość, która wydaje się nam bezsensowna, gdy patrzymy na nią przez pryzmat zdrowego rozsądku. Z pewnością muszą istnieć jeszcze jakieś inne, nowe poziomy rzeczywistości, które są przed nami ukryte i, biorąc przykład z Einsteina, powinniśmy być ciekawi tego, co leży za naszym obecnym (zdroworozsądkowym) rozumieniem fizyki.

Podczas studiów doszedłem do mylnego przeświadczenia, że prowadzenie badań teoretycznych w fizyce polega głównie na wykorzystywaniu matematyki i logicznego myślenia. Einstein był przekonany, że najważniejszą siłą napędową prowadzącą do nowych odkryć są zasady fizyczne, natomiast matematyka jest niezbędna do dokładnego opisania procesów fizycznych, jasnego sformułowania zasad, precyzyjnego wyjaśnienia, jak wygląda przyjęty opis pojęciowy zjawisk, a także do wysuwania przewidywań. Mówiąc krótko, sama matematyka nie wystarcza – jest jedynie narzędziem. W tym miejscu rodzi się ważne pytanie: co należy zrobić, by wymyślić nowe zasady?

– Nie ma żadnej metody, której można by się nauczyć i którą dałoby się stosować systematycznie w celu dojścia do jakiejś nowej zasady – odpowiada Einstein. – Uczony musi wydobyć te zasady z natury, dostrzegając w złożonych zespołach faktów empirycznych pewne ogólne cechy dające się precyzyjnie sformułować.

Chciał przez to powiedzieć, że uczony powinien umieć dostrzec związki i wzorce w obszernym zbiorze wyników doświadczalnych, które nie muszą być ze sobą powiązane w żaden oczywisty sposób. Gdy już uda mu się wyodrębnić takie wzorce, na podstawie swojej wiedzy musi zdecydować, czy wymagają one wprowadzenia jakiejś nowej zasady przyrody. Taki opis może być jednak mylący. Fakty są stwierdzeniami na temat zjawisk i nie istnieją w sposób niezależny. Zawsze podlegają konceptualizacji, co oznacza, że zawsze są – nawet jeśli w sposób niejawny – konstruowane na gruncie teorii. Doświadczenia pozwalają nam udzielić odpowiedzi na pytania sformułowane za pomocą teorii. Teoria podpowiada zaś, jakich „faktów” powinniśmy szukać.

W wieku kilkunastu lat Einstein mógł się swobodnie bawić w zakładach elektrycznych ojca w Pawii we Włoszech. Dzięki tym zabawom rozwinęła się jego wyobraźnia. To pozwoliło mu się zastanawiać, czego mógłby doświadczyć, gdyby zdołał dogonić falę świetlną. Jego proces „wydobywania” zasad natury polegał na wyobrażaniu sobie zjawisk, których nie możemy bezpośrednio obserwować za pomocą zmysłów ani badać w doświadczeniach. Ostatecznie w ten sposób udało mu się sformułować teorie, które podpowiadają nam, co możemy odkryć, i pomagają zrozumieć, gdzie należy szukać tych nowych zjawisk.

Fragment książki Stephena Alexandra „Lęk przed czarnym wszechświatem. Przyszłość fizyki oczami outsidera” w przekładzie Bogumiła Bienioka i Ewy L. Łokas, która ukaże się 6 lutego nakładem wydawnictwa Prószyński i S-ka

Tytuł i śródtytuły pochodzą od redakcji

Plus Minus
„Czechowicz. 20 i 2”: Syn praczki i syfilityka
Materiał Promocyjny
Gospodarka natychmiastowości to wyzwanie i szansa
Plus Minus
„ale”: Wschodnia aura
Plus Minus
„Inwazja uzdrawiaczy ciał”: W poszukiwaniu zdrowia
Materiał Promocyjny
Suzuki Vitara i S-Cross w specjalnie obniżonych cenach. Odbiór od ręki
Plus Minus
„Arcane”: Animowana apokalipsa
Materiał Promocyjny
Wojażer daje spokój na stoku