Teoria doskonała. Stulecie geniuszy i bitwa o ogólną teorię względności

Jedną z najcudowniejszych cech ogólnej teorii względności jest to, że mimo iż istnieje już niemal sto lat, nadal przynosi nowe rezultaty. Dlatego opowieść o niej nie dotyczy wyłącznie przeszłości.

Czarne dziury, ciemna materia, ciemna energia i teoria strun są spuścizną teorii Einsteina. Historia ogólnej teorii względności jest wspaniała i wszechobejmująca, jednak istnieje inny, ważny powód, by ją opowiedzieć. Współczesna fizyka przechodzi właśnie czas gwałtownych przekształceń. Naukowcy eksplorują alternatywne teorie grawitacji, które mogą zdetronizować teorię Einsteina, i poszukują egzotycznych obiektów w kosmosie, których istnienie może potwierdzić albo obalić podstawowe zasady ogólnej teorii względności.

Coś naprawdę ważnego naprawdę wydarzy się w ciągu następnych kilku lat i musimy rozumieć, dlaczego tak się dzieje.

O ile wiek XX był wiekiem fizyki kwantowej, wiek XXI z pewnością pozwoli w pełni rozwinąć skrzydła ogólnej teorii względności Einsteina.

Zniewalająca opowieść o przełomowych ideach i niezwykłych postaciach.
Sir Roger Penrose, fizyk i matematyk, autor „Drogi do rzeczywistości” i „Cykli czasu”

Historia ogólnej teorii względności jest tak wspaniała i ponaddyscyplinarna, że trzeba ją opowiedzieć. Im dalej w XXI wiek, tym więcej przed ludzkością odkryć i pytań bez odpowiedzi; w ciągu następnych kilku lat wydarzą się zapewne rzeczy ważne, a my będziemy musieli zrozumieć ich genezę. Mam przeczucie, że o ile wiek XX uważano za epokę fizyki kwantowej, o tyle kolejny zdominuje teoria Einsteina.
– z prologu

Pedro G. Ferreira jest profesorem astrofizyki w Oxford University. Prowadzi prace z zakresu kosmologii teoretycznej, dotyczące pochodzenia wielkoskalowych struktur we Wszechświecie, ogólnej teorii względności oraz ciemnej materii i ciemnej energii.

Pedro G. Ferreira
Teoria doskonała. Stulecie geniuszy i bitwa o ogólną teorię względności
Tłumaczenie: Sebastian Szymański
Seria: Wiedza i Życie – Orbity Nauki
Wydawnictwo Prószyński Media
Premiera: 29 stycznia 2015

Prolog

Kiedy Arthur Eddington występował na połączonym posiedzeniu Royal Society i Royal Astronomical Society 6 listopada 1919 roku, ogłaszane przezeń odkrycie po cichu wywracało do góry nogami panujący paradygmat fizyki grawitacyjnej. Astronom z Cambridge uroczyście i monotonnie opisywał swoją wyprawę na małą, porośniętą bujną roślinnością Wyspę Książęcą u zachodnich wybrzeży Afryki, na której ustawił teleskop i sfotografował całkowite zaćmienie Słońca, szczególnie starając się uchwycić słabo świecącą gromadę gwiazd rozrzuconych za Słońcem. Eddington odkrył, że teoria grawitacji stworzona przez patrona brytyjskiej nauki, Izaaka Newtona, teoria, która była uznawana za prawdę przez ponad dwa stulecia, jest błędna. W jej miejsce, jak twierdził, należy stosować nową, poprawną teorię, zaproponowaną przez Alberta Einsteina, znaną jako „ogólna teoria względności”.

W owym czasie teoria Einsteina była już znana w równej mierze zarówno ze swojego potencjału wyjaśniania Wszechświata, jak i z niewiarygodnej trudności. Po ceremonii, gdy słuchacze i mówca kręcili się bez celu, gotowi do ucieczki w londyński wieczór, polski fizyk Ludwik Silberstein spokojnym krokiem podszedł do Eddingtona. Silberstein napisał już książkę o węższej, „szczególnej teorii względności” Einsteina i z zainteresowaniem wysłuchał wykładu. „Profesorze Eddington, musi być pan jedną z trzech osób na świecie, które rozumieją ogólną teorię względności” – zagadnął. A gdy Eddington zwlekał z odpowiedzią, dodał: „Proszę nie być tak skromnym”. Eddington posłał mu stanowcze spojrzenie. „Przeciwnie. Po prostu zastanawiam się, kim jest ta trzecia” – odparł.

Do czasu odkrycia przeze mnie po raz pierwszy ogólnej teorii względności Einsteina szacunki Silbersteina można było prawdopodobnie skorygować w górę. Na początku lat osiemdziesiątych zobaczyłem w telewizyjnej serii Cosmos Carla Sagana, opowiadającego o tym, jak przestrzeń i czas mogą się kurczyć albo rozszerzać. Natychmiast poprosiłem ojca, żeby wytłumaczył mi tę teorię, ale on potrafił jedynie powiedzieć, że jest ona bardzo, bardzo trudna. „Niemal nikt nie rozumie ogólnej teorii względności” – stwierdził. Łatwo się nie poddałem – w tej dziwacznej teorii, z jej siatką czasoprzestrzeni zakrzywioną wokół głębokich, opustoszałych gardzieli nicości, było coś głęboko pociągającego. Mogłem ją zobaczyć w działaniu w starych odcinkach Star Treka, kiedy statek kosmiczny Enterprise przeskakiwał wstecz w czasie za pomocą „ciemnej gwiazdy”, albo kiedy James T. Kirk zaplątał się między różnymi wymiarami czasoprzestrzeni. Czy naprawdę mogło to być aż tak trudne do zrozumienia?

Kilka lat później poszedłem na uniwersytet w Lizbonie, gdzie studiowałem inżynierię w monolitycznym budynku z kamienia, żelaza i szkła, doskonałym przykładzie faszystowskiej architektury reżimu Salazara. Było to odpowiednie miejsce na niekończące się wykłady, na których uczono nas użytecznych rzeczy: jak budować komputery, mosty i maszyny. Kilku z nas uciekało w wolnym czasie przed ciężką harówką w lekturę poświęconą współczesnej fizyce. Wszyscy chcieliśmy być Albertami Einsteinami. Od czasu do czasu niektóre z jego idei pojawiały się na wykładach. Dowiadywaliśmy się, że energia jest związana z masą i że światło w rzeczywistości składa się z cząstek. A kiedy naszedł czas na studiowanie fal elektromagnetycznych, wprowadzono nas w szczególną teorię względności. Einstein sformułował ją w 1905 roku, jako zaledwie dwudziestosześciolatek, starszy od nas raptem o kilka lat. Jeden z naszych bardziej oświeconych wykładowców kazał nam przeczytać jego oryginalne artykuły – w porównaniu z męczącymi opracowaniami, jakie w nas wmuszano, okazały się małymi klejnotami klarowności i zwięzłości. Jednak ogólna teoria względności, wielka teoria czasoprzestrzeni Einsteina, nie należała do menu.
W pewnej chwili postanowiłem ją poznać.

Przeszukałem bibliotekę na moim uniwersytecie, gdzie znalazłem magnetyzujący zbiór monografii i podręczników autorstwa niektórych z największych fizyków i matematyków XX wieku. Był wśród nich i Arthur Eddington, Królewski Astronom z Cambridge, i Hermann Weyl, geometra z Getyngi, i Erwin Schrödinger, i Wolfgang Pauli, dwaj ojcowie fizyki kwantowej – wszyscy z własnym punktem widzenia na to, jak powinno się nauczać teorii Einsteina. Jeden z tomów wyglądał jak wielka czarna książka telefoniczna i liczył ponad tysiąc stron (z przerywnikami i komentarzami tria amerykańskich specjalistów od teorii względności). Inna książka, napisana przez fizyka kwantowego Paula Diraca, zaledwie dobijała do siedemdziesięciu. Miałem poczucie, że oto wkroczyłem w zupełnie nowy świat idei, zamieszkany przez najbardziej fascynujące postaci.
Zrozumienie ich pomysłów nie było łatwe. Musiałem nauczyć się myśleć w zupełnie nowy sposób, oprzeć się na czymś, co początkowo przypominało ulotną geometrię i zawiłą matematykę. Odszyfrowanie ogólnej teorii względności wymaga mistrzowskiego opanowania obcego języka matematyki (nie wiedziałem, że podczas wymyślania teorii zgłębiał go sam Einstein). Gdy opanowałem już słownictwo i gramatykę, uderzyło mnie, co mogę z tym zrobić. Tak zaczął się mój trwający przez całe życie romans.
Wyda się ono zapewne skończoną przesadą, ale nie potrafię się oprzeć wygłoszeniu tego zdania: nagrodą za okiełznanie ogólnej teorii względności jest – ni mniej, ni więcej – klucz do zrozumienia historii Wszechświata, początku czasu oraz ewolucji gwiazd i galaktyk w kosmosie. Ogólna teoria względności może powiedzieć nam, co leży w najodleglejszych zakątkach Wszechświata, i wyjaśnić, jak ta wiedza wpływa na nasze istnienie tu i teraz. Teoria Einsteina rzuca również światło na najmniejsze wymiary istnienia, gdzie wysokoenergetyczne cząstki mogą powstawać z niczego. Potrafi wyjaśnić, jak tkanina rzeczywistości, przestrzeń i czas powstają, by stać się kręgosłupem natury.

Podczas miesięcy intensywnych studiów nauczyłem się, że ogólna teoria względności ożywia czas i przestrzeń. Przestrzeń nie jest już miejscem, w którym istnieją rzeczy, a czas nie jest tykającym zegarem, mającym rzeczy na oku. Według Einsteina przestrzeń i czas pozostają ze sobą nierozerwalnie splecione w kosmicznym tańcu, gdy reagują na każdą drobinę możliwej do wyobrażenia materii, od cząstek do galaktyk, układając się w zawiłe konfiguracje, które mogą doprowadzić do najdziwaczniejszych efektów. A od chwili kiedy po raz pierwszy zaproponował swoją teorię, była ona wykorzystywana do badania świata natury, ukazując Wszechświat jako miejsce dynamiczne, rozszerzające się z karkołomną prędkością, wypełnione czarnymi dziurami, niszczycielskimi przebiciami przestrzeni i czasu, oraz wielkimi falami energii, z których każda niesie jej tyle co galaktyka. Ogólna teoria względności pozwoliła nam sięgnąć dalej, niż wyobrażaliśmy sobie kiedykolwiek.

Było jeszcze coś, co uderzyło mnie, kiedy dowiedziałem się o niej po raz pierwszy. Choć Einsteinowi stworzenie teorii zabrało niemal dekadę, od tego czasu pozostaje niezmieniona. Przez prawie stulecie była uważana przez wielu za teorię doskonałą, źródło głębokiego podziwu dla każdego, kto miał przywilej się na nią natknąć. Ogólna teoria względności stała się ikoną z powodu swojej elastyczności, jako kamień węgielny współczesnej myśli i kolosalne osiągnięcie kulturowe – na równi z Kaplicą Sykstyńską, suitami na wiolonczelę Bacha albo filmami Antonioniego. Teorię Einsteina można zwięźle ująć w zbiór równań i reguł, które łatwo streścić i zapisać. A są one nie tylko piękne; mówią również coś o rzeczywistym świecie. Wykorzystywano je do formułowania przewidywań dotyczących Wszechświata, potwierdzonych przez jego obserwację, choć w ogólnej teorii względności ukryte jest niewzruszone przekonanie, że do ujawnienia pozostają jeszcze głębsze jego tajniki.
Czegóż więcej mógłbym sobie życzyć?

Przez prawie dwadzieścia pięć lat ogólna teoria względności stanowiła część mojego codziennego życia. Była jądrem większości prowadzonych przeze mnie badań i podstawą większości tego, co wraz z moimi współpracownikami próbowałem zrozumieć. Moje pierwsze doświadczenia z teorią Einsteina nie były wyjątkowe; spotkałem ludzi z całego świata, którzy złapali się na jej haczyk, poświęcając życie odkrywaniu tajników. Naprawdę mam na myśli cały świat. Od Kinszasy po Kraków i od Canterbury po Santiago – autorzy regularnie przysyłają mi artykuły naukowe, w których próbują znaleźć nowe rozwiązania (albo nawet możliwe zmiany) ogólnej teorii względności. Teoria Einsteina może być trudna do zrozumienia, ale jest również demokratyczna; sama jej trudność i niepodatność na rozwiązania oznacza, że ujawnienie wszystkich jej implikacji wymaga jeszcze dużo pracy. To szansa dla każdego, kto ma papier, ołówek i wytrzymałość.

Często słyszałem, jak promotorzy opowiadali, że ich doktoranci nie pracują nad ogólną teorią względności – dla wielu osób zbyt ezoteryczną – w obawie, że nie będą mogli znaleźć pracy. Poświęcenie jej życia to zdecydowanie zajęcie wymagające zamiłowania, powołanie niemal nieodpowiedzialne. Ale kiedy już zostało się ukąszonym, porzucenie teorii względności jest prawie niemożliwe. Ostatnio spotkałem jednego z czołowych badaczy zajmujących się modelowaniem zmian klimatu. Jest on prawdziwym pionierem w tej dziedzinie, członkiem Royal Society, ekspertem od przewidywania pogody i klimatu, wciąż niezmiernie trudnego obszaru badań. Nie zawsze pracował dla zarobku; w istocie, jako młody człowiek w latach siedemdziesiątych, studiował teorię Einsteina. Było to prawie czterdzieści lat temu, a jednak, kiedy spotkał mnie po raz pierwszy, powiedział z cierpkim uśmiechem: „Tak naprawdę jestem teoretykiem względności”.
Mój przyjaciel porzucił uniwersytet dość dawno, po niemal dwudziestu latach pracy nad względnością. Teraz pracuje dla firmy informatycznej, tworząc i instalując systemy służące przechowywaniu dużej liczby danych. W tygodniu lata po całym świecie, by zakładać te swoje bardzo skomplikowane i kosztowne aplikacje w bankach, korporacjach i urzędach państwowych. Jednak kiedy się spotykamy, zawsze chce mnie odpytywać z teorii Einsteina albo dzielić się ze mną najnowszymi przemyśleniami na jej temat. Nie może się z niej otrząsnąć.

Jedną z cech ogólnej teorii względności, która zawsze mnie zastanawiała, jest to, że mimo iż ma ona niemal sto lat, wciąż możliwe są dzięki niej nowe rezultaty. Sądziłbym raczej – jeśli wziąć pod uwagę fenomenalną moc oddanych jej intelektów – że powinna być przestrzenią zamkniętą i pokrytą kurzem od dziesięcioleci. Być może jest trudna, ale gdzie są granice tego, co możemy dzięki niej poznać? Czy czarne dziury i rozszerzający się wszechświat nie wystarczą? Gdy borykałem się z ideami rodem z teorii Einsteina, spotykając po drodze wiele błyskotliwych umysłów, które się nad nią głowiły, zaświtało mi, że jej historia jest fascynującą i wspaniałą opowieścią, być może równie skomplikowaną, jak ona sama. Kluczem do zrozumienia, dlaczego teoria jest – no cóż – tak żywa, okazało się prześledzenie wytężonej pracy nad nią przez stulecie jej istnienia.

Ta książka jest biografią ogólnej teorii względności. Idea Einsteina, że przestrzeń i czas są ze sobą związane, żyje własnym życiem, będąc przez cały wiek XX źródłem zachwytów i frustracji najdoskonalszych mózgów na świecie. Ogólna teoria względności nieustannie zaskakuje, umożliwiając spojrzenie na świat przyrody w sposób tak kuriozalny, że trudny do przyjęcia nawet przez jej twórcę. Gdy przechodziła z umysłu do umysłu, nowe i nieoczekiwane odkrycia pojawiały się w najdziwniejszych okolicznościach. Czarne dziury po raz pierwszy wyobrażono sobie na polach bitewnych I wojny światowej; dojrzewały w umysłach pionierów bomb atomowych zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak i w Związku Radzieckim. Ideę rozszerzania się Wszechświata pierwsi wysunęli: belgijski ksiądz oraz rosyjski matematyk i meteorolog. O znalezieniu nowych osobliwych obiektów astronomicznych, które odegrały zasadniczą rolę w stworzeniu ogólnej teorii względności, zdecydował przypadek. Jocelyn Bell odkryła gwiazdy neutronowe w Cambridge Fens, wykorzystując cienką siatkę metalową, rozpiętą na rozklekotanej konstrukcji z drewna pozbijanego gwoździami.

Teoria Einsteina znajdowała się w centrum istotnych walk intelektualnych, które toczono w XX wieku. Była obiektem prześladowań w hitlerowskich Niemczech, tropiono ją w stalinowskiej Rosji i pogardzano nią w Ameryce lat pięćdziesiątych. Sprawiła, że największe nazwiska w fizyce i astronomii stanęły do bratobójczego boju o ostateczną teorię Wszechświata. Spierano się, czy zaczął się on od wybuchu, czy był zawsze, wieczny, oraz o to, jaka jest zasadnicza struktura przestrzeni i czasu. Teoria łączyła odległe społeczności – w samym środku zimnej wojny radzieccy, brytyjscy i amerykańscy naukowcy zwarli szeregi, aby rozwiązać problem pochodzenia czarnych dziur.

Opowieść o ogólnej teorii względności nie dotyczy wyłącznie czasów minionych. W ciągu ostatnich dziesięciu lat stało się jasne, że jeśli jest ona poprawna, większość Wszechświata pogrążona jest w ciemności. Pełno tam materii, która nie tylko nie emituje światła, ale nawet nie odbija go ani nie pochłania. Dowody z obserwacji są niepodważalne. Wydaje się, że niemal jedna trzecia Wszechświata składa się z ciemnej materii, ciężkiej, niewidocznej, która roi się wokół galaktyk jak rozzłoszczone pszczoły. Pozostałe dwie trzecie pozostaje w formie eterycznej substancji, ciemnej energii, która rozpycha przestrzeń kosmiczną. Zaledwie 4 procent to materia, którą dobrze znamy – atomy. My jesteśmy pozbawieni znaczenia. Oczywiście jeśli teoria Einsteina jest poprawna. Jest bowiem możliwe, że właśnie docieramy do jej granic i że zaczyna się ona załamywać.

Teoria Einsteina ma również zasadnicze znaczenie dla nowej fundamentalnej teorii przyrody, o którą fizycy teoretyczni skaczą sobie do gardeł. Teoria strun, która próbuje pójść jeszcze dalej niż idee Newtona i Einsteina i zunifikować wszystko, opiera się na skomplikowanych czasoprzestrzeniach o dziwnych własnościach geometrycznych w wyższych wymiarach. Znacznie bardziej zagadkowa, niż była kiedykolwiek, ogólna teoria względności jest dziś wysławiana przez wielu badaczy jako ostateczna, a wyszydzana przez innych jako romantyczna fikcja, nawet nie nauka. Podobnie jak odszczepieńczy kult, teoria strun nie zaistniałaby, gdyby nie teoria Einsteina, jednak praktykujący wyznawcy tej drugiej przyglądają się nowince sceptycznie.

Ciemna materia, ciemna energia, czarne dziury i teoria strun to potomstwo ogólnej teorii względności, które zdominowało fizykę i astronomię. Podczas wykładów na różnych uniwersytetach, udziału w warsztatach i w spotkaniach Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej, odpowiedzialnej za część najważniejszych na świecie satelitów naukowych, zacząłem zdawać sobie sprawę, że dziedziny te właśnie zmieniają się gwałtownie. Wyrosło pokolenie utalentowanych młodych naukowców, patrzących na ogólną teorię względności przez pryzmat fachowej wiedzy, sięgającej korzeniami stulecia geniuszów. Wysadzają oni teorię Einsteina za pomocą nieporównanie większej mocy obliczeniowej, eksplorując alternatywne teorie grawitacji, które mogą ją zdetronizować, i poszukują w kosmosie egzotycznych obiektów, które mogą potwierdzić albo obalić podstawowe zasady ogólnej teorii względności. Szerszą społeczność badaczy elektryzuje nieustannie budowa kolosalnych machin, pozwalających spojrzeć dalej i wyraźniej w przestrzeń kosmiczną niż kiedykolwiek przedtem, satelitów, które zostaną wysłane na poszukiwanie dowodów niecodziennych przewidywań, którymi obarczyła nas teoria Einsteina.