To, czego się nie dowiemy. Badanie granic nauki

Współczesna nauka rozwija się w oszałamiającym tempie. Nieustannie słyszymy o nowych teoriach, odkryciach świadczących o ich prawdziwości. Czy te triumfy mogą trwać bez końca, czy istnieją granice tego, czego możemy się dowiedzieć o naszym fizycznym świecie?

W podróży do granic wiedzy Marcus du Sautoy podąża tropem odpowiedzi na pytanie, czy to możliwe, byśmy pewnego dnia dowiedzieli się wszystkiego, czy też pewne obszary wiedzy muszą na zawsze pozostać poza granicami ludzkiego poznania.

W książce “To, czego się nie dowiemy”, brytyjski matematyk zabiera czytelników w skłaniającą do głębokiej refleksji wyprawę ku horyzontom naukowej wiedzy o materii, Wszechświecie i świadomości.

Wspaniała i fascynująca. Nikt nie potrafi lepiej wyjaśniać abstrakcyjnych, zawiłych spraw, wywołując w czytelnikach głębokie zainteresowanie.
Bill Bryson

Marcus du Sautoy jest brytyjskim matematykiem, członkiem Wadham College w Oksfordzie. Znalazł się na opublikowanej przez dziennik The Independent liście czołowych brytyjskich naukowców. W październiku 2008 roku objął prestiżową katedrę na Uniwersytecie w Oksfordzie, której najważniejszym celem jest popularyzacja nauki. Jego poprzednikiem na tym stanowisku był Richard Dawkins.

Wszyscy ludzie z natury dążą do poznania.
Arystoteles, Metafizyka1

Nauka rządzi.
Co tydzień nagłówki gazet informują o nowych przełomach w naszym rozumieniu Wszechświata, nowych technologiach, które całkowicie zmienią nasze otoczenie, nowych osiągnięciach medycyny, które przedłużą nam życie. Nauka pozwala nam w niespotykany wcześniej sposób zbliżyć się do odpowiedzi na niektóre z ważnych pytań, stanowiących fundamentalne wyzwania dla ludzkości, odkąd tylko potrafiliśmy je sformułować. Skąd się wzięliśmy? Jakie jest ostateczne przeznaczenie Wszechświata? Co stanowi podstawowe składniki fizycznego świata? W jaki sposób zbiór komórek zyskuje świadomość?
Tylko w ciągu ostatnich dziesięciu lat udało się nam doprowadzić do lądowania statku kosmicznego na komecie, skonstruować roboty potrafiące wytworzyć własny język, wykorzystać komórki macierzyste do leczenia trzustki pacjentów chorujących na cukrzycę, odkryć, jak przy użyciu samych myśli poruszać mechaniczną ręką, odtworzyć DNA dziewczynki żyjącej w jaskiniach 50 tysięcy lat temu. Czasopisma naukowe aż pękają od kolejnych przełomowych odkryć pochodzących z laboratoriów na całym świecie. Wiemy tak wiele. Postępy nauki są autentycznie oszałamiające.
Nauka wyposażyła nas w najlepszą broń w zmaganiach z losem. Zamiast biernie poddawać się tragicznym skutkom chorób czy katastrof naturalnych, wytworzyła szczepionki potrafiące zwalczać śmiertelnie groźne wirusy, takie jak polio czy nawet ebola. W obliczu szybko rosnącej ludzkiej populacji to postępy nauki stanowią główne źródło nadziei na wykarmienie 9,6 miliarda ludzi, których spodziewamy się na Ziemi w 2050 roku. To nauka ostrzega nas o dramatycznym wpływie, jaki mamy na środowisko naturalne, i daje nam szanse, by zmierzyć się z jego konsekwencjami, zanim będzie za późno. Asteroida doprowadziła do wyginięcia dinozaurów, ale rozwinięta przez ludzkość nauka to najlepsza tarcza, na jaką możemy liczyć w wypadku podobnych bezpośrednich uderzeń w przyszłości. W nieustającej bitwie ludzkiego gatunku ze śmiercią nauka jest naszym najpotężniejszym sojusznikiem.
Rządzi ona nie tylko wtedy, gdy w grę wchodzi walka o nasze przetrwanie, ale także wtedy, gdy myślimy po prostu o poprawie jakości ludzkiego życia. Umiemy się już komunikować z przyjaciółmi i rodziną, nawet gdy dzieli nas wielka odległość. Dostęp do wiedzy zebranej przez liczne pokolenia badaczy stał się łatwiejszy niż kiedykolwiek wcześniej. Stworzyliśmy wirtualne światy, do których da się uciekać w czasie przeznaczonym na rozrywkę. Po zwykłym naciśnięciu guzika możemy odtwarzać w naszych mieszkaniach wspaniałe występy Mozarta, Milesa czy Metalliki.
Ta żądza wiedzy jest wpisana w ludzką psychikę. To ci spośród naszych przodków, którzy pragnęli wiedzieć więcej, przetrwali, zaadaptowali się do nowych warunków, przekształcili swoje środowisko. Ci, których nie motywowały podobne pragnienia, zostali z tyłu. Ewolucja uprzywilejowała umysły chcące poznać tajemnice działania Wszechświata. Napływ adrenaliny towarzyszący odkrywaniu nowej wiedzy to sposób natury na przekazanie nam, że pragnienie poznania jest równie ważne jak popęd do rozmnażania się. Jak wyraził to Arystoteles w zdaniu otwierającym Metafizykę, „zrozumienie działania świata stanowi fundamentalną ludzką potrzebę”.
Gdy byłem dzieckiem, nauka bardzo szybko przyciągnęła mnie w swoje szeroko rozłożone ramiona. Zakochałem się w jej fascynującej mocy pozwalającej dowiedzieć się tak wiele o Wszechświecie. Fantastyczne opowieści nauczycieli nauk ścisłych zdawały mi się dużo bardziej wyszukane niż beletrystyka, którą czytałem w domu. Oczarowany nauką pochłaniałem wszystkie możliwe teksty, które miały z nią coś wspólnego.
Przekonałem rodziców, by wykupili mi prenumeratę magazynu „New Scientist”. W miejscowej bibliotece czytałem kolejne numery „Scientific American”. Co tydzień przyklejałem się do telewizora, by oglądać kolejne odcinki swoich ulubionych programów popularnonaukowych: „Horizon” i „Tomorrow’s World”. Fascynowały mnie seriale takie jak Kosmos Carla Sagana, Powstawanie człowieka Jacoba Bronowskiego i Body in Question Jonathana Millera. Każdego Bożego Narodzenia indykowi na świątecznym stole towarzyszyła solidna porcja nauki w postaci Wykładów bożonarodzeniowych Royal Institution. Moją skarpetę z prezentami wypełniały książki Gamowa i Feynmana. Bogactwo odkryć tamtych czasów, z doniesieniami o naukowych przełomach pojawiającymi się w zasadzie co tydzień, mogło naprawdę uderzyć do głowy.
Oprócz lektury historii odkrywania tego, czego się już dowiedzieliśmy, zacząłem się coraz bardziej interesować tym, co nie zostało jeszcze zrozumiane. Poznane już fakty należały do przeszłości, a te wciąż nieodkryte były sprawą przyszłości, mojej przyszłości. Książka z zagadkami autorstwa matematyka Martina Gardnera, którą dostałem od nauczyciela matematyki, stała się moją obsesją. Emocje związane ze zmaganiem się z każdą łamigłówką i nagły wybuch euforii, kiedy udało się ją rozwiązać, sprawiły, że uzależniłem się od odkryć jak od jakiegoś narkotyku. Zagadki Gardnera stanowiły świetne pole ćwiczeń przed poważniejszym wyzwaniem stawianym przez pytania, na które nie można było znaleźć odpowiedzi z tyłu książki. To właśnie pytania bez odpowiedzi, matematyczne tajemnice i naukowe łamigłówki, których nikt nie potrafił rozwiązać, miały się stać paliwem napędzającym moje życie uczonego.

Kiedy wracam pamięcią do moich czasów szkolnych, czyli lat siedemdziesiątych, i porównam to, co wiedzieliśmy wtedy, z tym, co wiemy teraz, wielkie wrażenie robi na mnie stopień, w jakim udało się nam pogłębić wiedzę o Wszechświecie nawet w ciągu tego półwiecza, gdy już byłem na świecie. Technologia zwiększyła możliwości ludzkich zmysłów, pozwalając nam zobaczyć obiekty leżące poza granicami wyobrażeń uczonych, którzy fascynowali mnie w dzieciństwie.
Nowe, wymierzone w nocne niebo teleskopy odkryły planety podobne do Ziemi, które mogą być siedliskiem inteligentnego życia. Pokazały nam niesamowity fakt: po upływie mniej więcej trzech czwartych okresu życia naszego Wszechświata proces jego rozszerzania się zaczął przyspieszać. Pamiętam, jak w dzieciństwie czytałem, że jesteśmy skazani na wielkie miażdżenie; teraz wydaje się, że czeka nas zupełnie inna przyszłość.
Zderzacze cząstek, takie jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN (Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych mieszczącej się w Szwajcarii), pozwoliły nam spenetrować wnętrze samej materii, odkrywając tym samym nowe cząstki – takie jak kwark wysoki, zaobserwowany w 1994 roku, czy bozon Higgsa, wykryty w 2012 roku – które w czasie kiedy czytałem w szkole „New Scientist”, stanowiły wyłącznie elementy matematycznych spekulacji.
A od wczesnych lat dziewięćdziesiątych skanery oparte na funkcjonalnym rezonansie magnetycznym umożliwiły nam zaglądanie w głąb mózgu i odkrywanie rzeczy, które w latach siedemdziesiątych uważano wręcz za leżące poza zasięgiem zainteresowania nauk ścisłych. Mózg należał wtedy do dziedziny badań filozofów i teologów, dziś jednak technologia pozwala stwierdzić, kiedy myślisz o Jennifer Aniston, albo przewidzieć, co za chwilę zrobisz, zanim jeszcze sam zdasz sobie z tego sprawę.
Biologia doświadczyła w ostatnich latach prawdziwego wysypu przełomowych odkryć. W 2003 roku ogłoszono, że naukowcy odwzorowali pełną sekwencję ludzkiego DNA, składającą się z trzech miliardów liter kodu genetycznego. W 2011 roku opublikowano mapę sieci neuronów nicienia C. elegans, dającą kompletny obraz połączeń między 302 neuronami tego robaka.
Chemicy także wkroczyli na nieznane wcześniej terytoria. W 1985 roku odkryto zupełnie nową postać węgla, w której atomy układają się w kształt przypominający piłkę futbolową. W 2003 roku chemicy zaskoczyli nas kolejny raz, tworząc pierwsze przykłady grafenu i pokazując tym samym, że węgiel można układać w sieć przypominającą plaster miodu o grubości pojedynczego atomu.
Także nauka, której miałem się ostatecznie poświęcić – matematyka – za mojego życia doświadczyła pojawienia się rozwiązań pewnych fundamentalnych zagadnień, z którymi wcześniej bezskutecznie próbowały sobie poradzić całe pokolenia matematyków: dowodów Wielkiego Twierdzenia Fermata oraz hipotezy Poincarégo. Nowe narzędzia i spostrzeżenia otworzyły ukryte do tej pory ścieżki, pozwalające podróżować po matematycznym wszechświecie.
Już samo nadążanie za wszystkimi tymi nowymi osiągnięciami, nie mówiąc nawet o ich dalszym rozwijaniu, stanowi bardzo poważne wyzwanie.

Kilka lat temu do mojej roli profesora matematyki na Uniwersytecie Oksfordzkim dołączono nowy tytuł. Często mnie to śmieszy: objąłem stanowisko profesora ufundowane przez Charlesa Simonyiego, którego najważniejszym celem jest popularyzacja nauki. Wielu ludziom wydaje się, że z tego powodu powinienem znać się absolutnie na wszystkim. Dzwonią do mnie, oczekując, że będę potrafił odpowiedzieć na każde pytanie dotyczące nauki. Wkrótce po tym, kiedy zgodziłem się przyjąć to stanowisko, ogłoszono nazwiska laureatów Nagrody Nobla z medycyny. Zadzwonił do mnie wtedy pewien dziennikarz, mając nadzieję, że wyjaśnię mu, na czym polegała przełomowość nagrodzonego osiągnięcia: odkrycia telomerów.
Biologia nigdy nie należała do moich silnych stron, ale siedziałem akurat przed ekranem komputera i muszę ze wstydem przyznać, że wyświetliłem stronę Wikipedii o telomerach i po jej szybkim przejrzeniu wyjaśniłem pewnym siebie głosem, że chodzi o fragmenty kodu genetycznego znajdujące się na końcówkach chromosomów, odpowiedzialne między innymi za kontrolowanie procesu starzenia. Technologia, po którą tak łatwo sięgnąć, daje nam poczucie, że możemy się dowiedzieć absolutnie wszystkiego. Wystarczy zacząć wpisywać pytanie do przeglądarki, a ona, zanim nawet skończymy wstukiwać tekst, zdaje się trafnie odgadywać, czego chcemy się dowiedzieć, i dostarcza nam listę miejsc, gdzie możemy znaleźć odpowiedzi.
Zrozumienie jest jednak czymś innym niż znajomością listy faktów. Czy to w ogóle możliwe, by pojedynczy naukowiec znał się na wszystkim? Potrafił rozwiązywać nieliniowe równania różniczkowe cząstkowe? Rozumiał, jak grupa SU(3) determinuje związki między cząstkami elementarnymi? Wiedział, jak inflacja kosmologiczna wpływa na stan Wszechświata? Umiał rozwiązać równania Einsteina z ogólnej teorii względności i równanie falowe Schrödingera? Rozumiał, jak neurony i synapsy generują myśli? Ostatnimi uczonymi, którzy znali całość ludzkiej wiedzy, byli zapewne Newton, Leibniz i Galileusz.
Muszę przyznać, że młodzieńcza arogancja długo nakazywała mi wierzyć, iż zdołam zrozumieć wszystko, co zostało poznane. Jeśli czyjś mózg znalazł drogę wiodącą do nowej wiedzy i rozumowanie zadziałało w tamtym umyśle, to powinno zadziałać i w moim. Sądziłem, że jeśli tylko wystarczy mi czasu, to odkryję tajemnice matematyki i Wszechświata, a przynajmniej opanuję całość tego, co ludzkość już zrozumiała. Coraz częściej jednak zaczynam w to wątpić, martwiąc się, że niektóre sprawy pozostaną już na zawsze poza moim zasięgiem. Mój mózg często ma kłopoty z pojęciem obecnie znanych naukowych faktów. Czasu na to, by zrozumieć wszystko, jest coraz mniej.
Już własne matematyczne badania naukowe sięgają granic tego, co mój ludzki mózg uznaje za możliwe do zrozumienia. Od ponad dziesięciu lat pracuję nad hipotezą, która uparcie opiera się wszystkim moim próbom znalezienia dowodu. Pomimo to nowa rola profesora zajmującego się krzewieniem wiedzy i nauki wypchnęła mnie poza dobrze mi znany świat matematyki ku mętnym koncepcjom neuronauki, śliskim ideom filozofów czy opartym na wątpliwych podstawach teoriom fizycznym. Te obszary nauki wymagają innego sposobu myślenia, obcego mojemu matematycznemu typowi rozumowania, przyzwyczajonemu do pewników, dowodów i precyzji. Próby zrozumienia wszystkiego, co współcześnie uważa się za wiedzę naukową, poważnie przetestowały granice moich własnych zdolności pojmowania.
Proces pozyskiwania wiedzy wiąże się w nieuchronny sposób ze „staniem na barkach olbrzymów”, jak ujął to Newton, pisząc o własnych osiągnięciach. I tak moja podróż do granic nauki polegała między innymi na czytaniu, jak inni przedstawiają obecny stan wiedzy, słuchaniu wykładów czy seminariów prowadzonych przez uczonych zajmujących się zagadnieniami, które usiłowałem zrozumieć, rozmawianiu z tymi, którzy usiłują przesunąć granice ludzkiego zrozumienia, szukaniu prawdy wśród sprzecznych relacji, sprawdzaniu opublikowanych w czasopismach naukowych danych i dowodów potwierdzających daną teorię, a czasami nawet szukaniu informacji w Wikipedii. Chociaż uczymy studentów, że powinni traktować z dystansem wszystkie informacje pojawiające się w wyniku wyszukiwania za pomocą Google, badania pokazały, że zawarte w Wikipedii opisy kwestii należących do mniej kontrowersyjnych obszarów nauki, czyli na przykład do ogólnej teorii względności, nie różnią się wiarygodnością od analogicznych tekstów z literatury fachowej. Jeśli jednak wybierze się zagadnienie budzące większe emocje, czyli na przykład zmiany klimatu, znaleziona w Wikipedii treść może zależeć po prostu od dnia, w którym zdecydowało się jej przyjrzeć.
Budzi to pytanie, jak dalece podobnym historiom należy wierzyć. Z tego, że społeczność naukowa akceptuje daną teorię jako obecnie najlepiej opisującą rzeczywistość, wcale nie wynika, iż jest ona prawdziwa. Historia nauki wielokrotnie pokazała, że może być wręcz przeciwnie, co powinno ostrzec nas, że aktualną wiedzę naukową cechuje zawsze pewna prowizoryczność. Matematyka ma pod tym względem zapewne odmienny charakter, co omówię w dwóch ostatnich rozdziałach. Dowody matematyczne pozwalają nam ustalić mniej zmienny stan wiedzy. Warto jednak zauważyć, że nawet kiedy tworzę nową matematykę, często polegam na wynikach uzyskanych przez innych matematyków, których poprawności sam nie sprawdzam. Gdybym chciał to robić, musiałbym biec w miejscu, tylko po to, by się nie cofać.
Dla każdego naukowca prawdziwe wyzwanie stanowi nie tyle pozostanie w bezpiecznym ogrodzie tego, co już znane, ile wyprawa w dzikie obszary niewiedzy. Właśnie takie wyzwanie leży w sercu tej książki.

Pomimo wszystkich przełomów naukowych ostatnich wieków wiele głębokich tajemnic wciąż czeka na rozwiązanie. Nadal wielu rzeczy nie wiemy. Świadomość rozległości naszej niewiedzy zdaje się rosnąć szybciej od katalogu odkryć. Znane niewiadome są dużo liczniejsze od znanych wiadomych; a to właśnie niewiadome napędzają rozwój nauki. Uczonych znacznie bardziej interesuje to, czego nie potrafią zrozumieć, niż opowiadanie historii, które są już dobrze znane. Nauka to żywy, oddychający organizm właśnie dzięki wszystkim tym pytaniom, na które nie umiemy odpowiedzieć.
I tak na przykład wydaje się, że obiekty składające się na fizyczny świat, z którym oddziałujemy, odpowiadają łącznie tylko za 4,9 procent całej materii Wszechświata. Czym jest wobec tego pozostałe 95,1 procent tak zwanej ciemnej materii czy ciemnej energii? Jeśli tempo rozszerzania się Wszechświata wciąż rośnie, to skąd bierze się napędzająca ten wzrost energia?
Czy nasz Wszechświat jest nieskończony? Czy towarzyszy mu nieskończenie wiele innych, równoległych wszechświatów? Jeśli tak, to czy panują w nich inne prawa fizyczne? Czy inne wszechświaty istniały, zanim nasz pojawił się w Wielkim Wybuchu? Czy przed Wielkim Wybuchem istniał czas? Czy czas w ogóle istnieje, czy jest tylko konsekwencją jakichś bardziej fundamentalnych koncepcji?
Dlaczego obserwujemy trzy niemal identyczne warstwy cząstek elementarnych, różniące się od siebie tylko masą, tak zwane trzy generacje cząstek elementarnych? Czy jakieś cząstki elementarne wciąż pozostają nieodkryte? I czy tak naprawdę są miniaturowymi strunami wibrującymi w jedenastowymiarowej przestrzeni?
Jak możemy połączyć ogólną teorię względności Einsteina, fizykę wielkiej skali, z fizyką kwantową, działającą w mikroskali? Chodzi tu o poszukiwanie teorii zwanej kwantową grawitacją, niezbędnej do zrozumienia Wielkiego Wybuchu, kiedy to cały Wszechświat był ściśnięty do rozmiarów kwantowych.
Zrozumienie ludzkiego ciała to z kolei zadanie tak złożone, że fizyka kwantowa zaczyna przy nim przypominać szkolne ćwiczenia. Wciąż usiłujemy się dowiedzieć jak najwięcej o skomplikowanych oddziaływaniach między wpływem genów a naszym środowiskiem. Czy zdołamy znaleźć lek na raka? Czy można zatrzymać proces starzenia? Czy dziś żyje wśród nas ktoś, kto dożyje tysiąca lat?
A co z pochodzeniem ludzkiego gatunku? Ewolucja to proces losowych mutacji. Czy inny wynik ewolucyjnego rzutu kostką nadal doprowadziłby do powstania organizmów wyposażonych w oczy? Jeśli przewinęlibyśmy ewolucję wstecz i nacisnęli przycisk odtwarzania kolejny raz, czy znów dotarlibyśmy do inteligentnego życia, czy nasze istnienie to tylko wynik szczęśliwego zbiegu okoliczności? Czy gdzieś indziej w naszym Wszechświecie istnieje inteligencja? A co z technologią, którą wytwarzamy? Czy komputer może kiedyś zyskać świadomość? Czy będę mógł któregoś dnia po prostu wczytać swoją świadomość na inny nośnik, tak bym przetrwał śmierć ciała?
Także matematyka nie jest zamkniętą dziedziną. Pomimo często spotykanej opinii Wielkie Twierdzenie Fermata, po angielsku zwane Ostatnim Twierdzeniem Fermata, tak naprawdę nie było ostatnie. Matematycznych niewiadomych jest bardzo wiele. Czy wśród liczb pierwszych występują jakieś regularności, czy zachowują się one zupełnie losowo? Czy uda się nam kiedyś rozwiązać równania matematyczne opisujące turbulencję? Czy zrozumiemy, jak efektywnie rozkładać na czynniki duże liczby?
Choć tak wiele pozostaje wciąż nieznane, naukowcy optymistycznie uważają, że podobne pytania kiedyś doczekają się odpowiedzi. Ostatnie kilka dekad dało nam powody, by wierzyć, że znaleźliśmy się w złotej erze nauki. Tempo odkrywania nowych faktów naukowych wydaje się rosnąć wykładniczo. W 2014 roku czasopismo „Nature” podało, że liczba opublikowanych artykułów naukowych od końca II wojny światowej podwaja się co dziewięć lat. Możliwości komputerów także rosną wykładniczo. Prawo Moore’a to obserwacja, że moc obliczeniowa komputerów podwaja się co dwa lata. Inżynier Ray Kurzweil uważa, że podobne prawidło dotyczy postępu technologicznego: jego zdaniem stopień zmian technologicznych w ciągu najbliższych stu lat dorówna temu, czego doświadczyliśmy w ciągu ostatnich 20 tysięcy lat.
Czy jednak odkrycia naukowe mogą na dłuższą metę utrzymać wykładnicze tempo wzrostu? Kurzweil mówi o Osobliwości, chwili, kiedy to inteligencja wytwarzanych przez nas technologii przewyższy ludzką. Czy postęp naukowy jest skazany na dotarcie do własnej osobliwości? Do momentu, w którym dowiemy się wszystkiego? Pewnie kiedyś możemy naprawdę odkryć fundamentalne równania wyjaśniające mechanizm działania Wszechświata. Ostateczną listę cząstek będących podstawowymi elementami, z których składa się fizyczny Wszechświat, i pełny opis oddziaływań między nimi. Niektórzy naukowcy wierzą, że obecne tempo postępu naukowego doprowadzi do punktu, gdy będziemy umieli odkryć teorię wszystkiego. Nadali jej nawet taką nazwę: Teoria Wszystkiego.
W Krótkiej historii czasu Hawking stwierdził: „Sądzę, że mamy podstawy do ostrożnego optymizmu w kwestii zbliżania się do końca poszukiwań fundamentalnych praw przyrody”, a następnie podsumował te rozważania dramatycznym, prowokacyjnym oświadczeniem: „poznamy wtedy umysł Boga”.