Piękne pytanie. Odkrywanie głębokiej struktury świata

Każde naukowe osiągnięcie Franka Wilczka opierało się na przekonaniu, że Wszechświat jest ucieleśnieniem pięknych struktur przejawiających się w postaci symetrii – harmonii, równowagi, proporcji – i oszczędności środków. Na tym polega głęboka logika Wszechświata.

Mając za przewodnika laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, możemy śmiało udać się w odkrywczą podróż do granic współczesnej wiedzy, by odkryć, że równania opisujące atomy i światło są niemal dosłownie takie same jak równania wyjaśniające działanie instrumentów muzycznych i rozchodzenie się dźwięku, a cząstki subatomowe, dzięki którym uzyskujemy większość naszej masy, można opisać za pomocą prostych, geometrycznych symetrii.

Odnosimy wrażenie – stwierdza Wilczek – że sam Wszechświat pragnie być ucieleśnieniem struktur pełnych piękna i elegancji. Być może wynika to z czystej elegancji liczb, a może jest dziełem jakiejś istoty wyższej – niewykluczone też, że prawda leży gdzieś pośrodku.

Tak czy inaczej, świat jest dziełem sztuki, a jego najgłębsze prawdy przemawiają bezpośrednio do naszych odczuć, jak gdyby były wyryte w naszej duszy.

Frank Wilczek snuje błyskotliwe rozważania na temat rzeczywistości, które odkrywają przed nami cudowną syntezę prawdy, piękna i głębokich praw Wszechświata.
Brian Greene, autor „Piękna Wszechświata” i „Ukrytej rzeczywistości”

„Piękne pytanie” umożliwia zrozumienie sukcesów współczesnej fizyki i stojących przed nią wyzwań. To naprawdę wspaniała książka. Polecam ją każdemu, kogo interesuje, dokąd zmierza nauka.
Lee Smolin, autor książek „Czas odrodzony” i „Kłopoty z fizyką”

W tej wspaniałej i niezwykle przystępnej książce Frank Wilczek traktuje kosmos jak dzieło sztuki, odkrywając przed nami ukryte piękno na wszystkich poziomach, od królestwa galaktyk po mikroskopowy świat cząstek subatomowych. Jego dar dostrzegania tego, co umyka uwadze innych, sprawia, że jest fascynującym przewodnikiem nie tylko dla uczonych, ale także dla artystów i wszystkich ludzi obdarzonych ciekawością świata.
Max Tegmark, autor książki „Nasz matematyczny Wszechświat”

świat jest dziełem sztuki

Frank Wilczek jest profesorem w Massachusetts Institute of Technology. W 2004 roku został laureatem Nagrody Nobla, przyznanej za prace, które przeprowadził w wieku 21 lat, w trakcie studiów doktoranckich. Znany jest między innymi z odkrycia swobody asymptotycznej, wkładu w rozwój chromodynamiki kwantowej, odkrycia aksjonów i badań nad nowymi rodzajami statystyk kwantowych. W Polsce ukazały się jego książki „W poszukiwaniu harmonii” i „Lekkość bytu. Masa, eter i unifikacja sił”.

Ilustrację tę stworzył specjalnie do książki Piękne pytanie He Shuifa, współczesny mistrz tradycyjnej chińskiej sztuki kaligrafii i grafiki. Profesor He Shuifa znany jest z tego, że maluje pełnymi ekspresji, ale jednocześnie subtelnymi pociągnięciami pędzla, a jego rysunki kwiatów, ptaków i przyrody są pełne duchowej głębi. W dosłownym tłumaczeniu inskrypcja na ilustracji brzmi następująco: „Podwójna ryba taiji jest esencją chińskiej kultury. Ten rysunek został namalowany przez He Shuifę wczesną zimą na tafli jeziora”.
W dziele He Shuify wyraźnie jest widoczny zabawowy aspekt „podwójnej ryby” taiji. Yin i yang przypominają tu dwa bawiące się ze sobą karpie i można nawet dostrzec zarysy ich oczu i płetw. W prowincji Henan na Żółtej Rzece znajduje się wodospad Wrota Smoka. Karpie Yulong co roku próbują pokonać tę kataraktę, choć wymaga to od nich wielkiego wysiłku. Te, którym się to uda, zmieniają się w przynoszące szczęście smoki. Z pewnym przymrużeniem oka możemy porównać to do przekształcania się cząstek wirtualnych w rzeczywiste, czyli do podstawowego procesu kwantowego, który zdaniem fizyków zapoczątkował powstanie struktury we Wszechświecie (zob. ryc. XX i AAA).
Możemy też dostrzec w tych karpiach siebie samych, a ich mozolne wysiłki utożsamić z naszym dążeniem do zrozumienia świata.

Przewodnik użytkownika

• Rozdział „Chronologia odkryć naukowych” skupia się głównie na wydarzeniach omawianych lub wspominanych w książce. Jego zawartość jest zgodna z tytułem. Jak wszystkie zestawienia chronologiczne, rozdział ten nie stanowi pełnej historii czegokolwiek.

• Rozdział „Terminologia naukowa” zawiera opisowe definicje i omówienia kluczowych pojęć występujących w tekście głównym. Jak można się domyślać z jego długości, jest to coś więcej niż standardowy słownik. Można tam znaleźć alternatywne ujęcie wielu idei omawianych w książce, a także rozwinięcia niektórych z nich, zmierzające w zupełnie nowych kierunkach.

• W rozdziale „Uwagi” można znaleźć informacje, które w książce naukowej trafiłyby do przypisów. Zamieszczono tu uściślenie omawianych zagadnień, a także odsyłacze do szczegółowych objaśnień wybranych kwestii. Trafiły tam również dwa wiersze.

• Krótki rozdział „Literatura uzupełniająca” nie jest sztampową listą książek popularnonaukowych czy podręczników, ale starannie dobranym zestawem lektur, które pozwolą wam prowadzić dalsze badania zgodne z duchem tej książki, ze szczególnym uwzględnieniem tekstów źródłowych.

Mam nadzieję, że spodobała wam się ilustracja na karcie tytułowej, która doskonale wprowadza nas w nastrój naszych rozważań. Aha, jest jeszcze „Przewodnik użytkownika” – ale to już wiecie.

Pytanie

Książka ta jest długim ciągiem rozważań na temat jednego pytania:

Czy świat jest ucieleśnieniem pięknych idei?

Nasze Pytanie może się wydawać dziwne. Idee to jedno, a ciała fizyczne to całkiem co innego. I co właściwie mamy na myśli, gdy mówimy, że coś jest „ucieleśnieniem idei”?
Ucieleśnianiem idei zajmują się artyści. Na podstawie jakiejś nowatorskiej koncepcji wytwarzają obiekty fizyczne (lub kwazifizyczne, takie jak zapis nutowy, który przekształca się później w dźwięki). Nasze Piękne Pytanie jest zatem blisko powiązane z innym:

Czy świat jest dziełem sztuki?

Gdy sformułuje się je w taki sposób, od razu pojawiają się kolejne pytania. Jeśli traktowanie świata jako dzieła sztuki ma w ogóle jakiś sens, to czy jest to udane dzieło? Czy świat fizyczny, rozumiany jako dzieło sztuki, jest piękny? Gdy chcemy zdobyć wiedzę na temat świata fizycznego, zaglądamy do prac uczonych, ale znalezienie odpowiedzi na nasze pytania wymaga uwzględnienia przemyśleń i efektów pracy artystów, którzy mają w tej sprawie wiele do powiedzenia.

Kosmologia duchowa

Nasze Pytanie brzmi najbardziej naturalnie w kontekście kosmologii duchowej. Jeśli świat powstał za sprawą jakiegoś pełnego energii, potężnego Stwórcy, to być może tym, co Go – lub Ją albo Ich – do tego skłoniło, była właśnie potrzeba stworzenia czegoś pięknego. Choć taka myśl jest zupełnie naturalna, to jednak ta koncepcja nie znajduje odzwierciedlenia w większości tradycyjnych religii. Stwórcy przypisywano wiele różnych motywacji, ale ambicja artystyczna rzadko zajmuje wśród nich znaczące miejsce.
W religiach abrahamowych obowiązuje wygodna doktryna, zgodnie z którą Stwórca postanowił stworzyć ucieleśnienie pewnej kombinacji dobroci i prawości, budując w ten sposób pomnik swojej chwały. Wyznawcy religii animistycznych i politeistycznych wyobrażają sobie istoty i bogów, którzy stwarzają różne części świata i nimi rządzą z różnych pobudek, od wszelkich odcieni dobrotliwości po żądzę i beztroską żywiołowość. Na wyższym poziomie rozważań teologicznych pojawia się czasami opinia, że pobudki Stwórcy były tak wzniosłe, iż skończony ludzki intelekt nie może ich ogarnąć. Zamiast tego mamy dostęp do częściowych objawień, w które powinniśmy wierzyć, a nie poddawać je analizie. Jest też alternatywne stwierdzenie: Bóg jest Miłością. Żaden z tych wzajemnie sprzecznych poglądów religijnych nie przedstawia przekonujących powodów, dla których mielibyśmy oczekiwać, że świat będzie ucieleśnieniem pięknych idei; nie pojawia się też w nich sugestia, że powinniśmy takich idei poszukiwać. Piękno może być częścią kosmicznej historii opisywanej przez te doktryny, ale najczęściej jest uważane za efekt uboczny, a nie istotę całej sprawy.
A jednak wiele twórczych umysłów znalazło inspirację w idei, że Stwórca mógł być między innymi artystą, którego poczucie estetyki możemy podziwiać i się nim dzielić – a nawet, z pewną dozą śmiałości, przyjmowano, że Stwórca jest głównie artystą. Tacy myśliciele rozważali nasze Pytanie w różnorodnych i zmieniających się postaciach na przestrzeni wielu wieków. Pod wpływem takiej inspiracji powstała głęboka filozofia, wspaniała nauka, przekonująca literatura i zapierające dech w piersiach dzieła sztuki. Niektórzy twórcy pozostawili po sobie dzieła łączące kilka z tych aspektów, a czasem nawet wszystkie. Dzieła te są żyłą złota biegnącą przez całą naszą cywilizację.
Galileusz uczynił z piękna świata fizycznego główny filar swojej głębokiej wiary i wszystkim polecał przyjęcie takiego punktu widzenia: Wielkość i chwała Boga świeci jasnym blaskiem we wszystkich Jego dziełach i powinniśmy jej szukać przede wszystkim w otwartej księdze niebios. …podobnie jak Johannes Kepler, Isaac Newton i James Clerk Maxwell.
Celem działań wszystkich tych badaczy było odkrycie w świecie fizycznym piękna będącego odbiciem chwały Boga. To pobudzało uczonych do pracy i uświęcało ich ciekawość. A każde odkrycie było dla nich nagrodą za wiarę.
Choć nasze Pytanie znajduje oparcie w kosmologii duchowej, to broni się także samo. I choć twierdząca odpowiedź na nie może prowadzić do duchowej interpretacji, to takie wyjaśnienie wcale nie jest konieczne. Powrócimy do tych przemyśleń pod koniec naszych rozważań, gdy będziemy dużo lepiej przygotowani do ich oceny. Tymczasem jednak niech świat mówi sam za siebie.

Heroiczne próby

Koncepcja świata jako dzieła sztuki ma, tak jak sama sztuka, własną historię operującą standardowymi pojęciami. Przyzwyczailiśmy się do tego, że w historii sztuki stare style nie odchodzą całkowicie w niebyt i mogą nadal sprawiać nam przyjemność, a także stanowić ważny kontekst dla późniejszych działań. Choć z taką sytuacją rzadziej mamy do czynienia w nauce – a jeśli już, to towarzyszą temu ważne ograniczenia – to historyczne podejście do naszego Pytania ma wiele zalet. Pozwala nam przechodzić od idei prostszych do bardziej złożonych – ba, można powiedzieć, że nas wręcz do tego zmusza. Jednocześnie badając, jak wielcy myśliciele zmagali się z różnymi problemami i nierzadko przy tym błądzili, możemy uzmysłowić sobie, jak dziwne wydawały się początkowo wszystkie te idee, które oswoiliśmy później do tego stopnia, że stały się aż nazbyt „oczywiste” i wygodne. Niemałe znaczenie ma również fakt, że my, ludzie, jesteśmy szczególnie skłonni do układania myśli w ciąg narracyjny opowiadający jakąś historię, łączenia idei z nazwiskami i twarzami, do poszukiwania opowieści o konfliktach i ich rozwiązaniach, nawet jeśli są to tylko konflikty idei, przy których nie dochodzi od rozlewu krwi. (No, może czasami…).
Z tych powodów na początku zaśpiewamy pieśni sławiące bohaterów: Pitagorasa, Platona, Brunelleschiego, Newtona, Maxwella. (Później na scenę wkroczy także wielka bohaterka Emmy Noether). Pod tymi nazwiskami kryją się prawdziwi ludzie – i to bardzo interesujący! Dla nas nie są oni jednak wyłącznie ludźmi, ale także legendami i symbolami. Sportretowałem ich tu tak, jak o nich myślę, przywiązując większą wagę do przejrzystości i prostoty niż do naukowych niuansów. W naszym wypadku biografia jest jedynie środkiem, a nie celem. Każdy z bohaterów posuwa nasze rozważania o kilka kroków do przodu:
• Pitagoras odkrył w swoim słynnym twierdzeniu o trójkącie prostokątnym najbardziej podstawowy związek między liczbami z jednej strony a rozmiarami i figurami z drugiej. Ponieważ Liczba jest najczystszym wytworem Umysłu, a Rozmiar jest podstawową cechą charakterystyczną dla Materii, dzięki temu odkryciu poznaliśmy ukrytą jedność Umysłu i Materii. Pitagoras odkrył również w prawach opisujących działanie instrumentów strunowych proste i zdumiewające związki między liczbami i harmonią w muzyce. To odkrycie jest ostatnim elementem trójcy Umysł–Materia–Piękno, w której nicią wiążącą wszystko w całość jest Liczba. Mocna rzecz! Poznanie tych faktów skłoniło Pitagorasa do wysunięcia hipotezy, że wszystko jest liczbą. Za sprawą tych odkryć i rozważań nasze Pytanie nabiera życia.
• Platon myślał o wielkich rzeczach. Zaproponował geometryczną teorię atomów i Wszechświata opartą na pięciu symetrycznych wielościanach, które obecnie nazywamy bryłami platońskimi. Tworząc ten śmiały model fizycznej rzeczywistości, Platon wyżej cenił piękno od dokładności. Szczegóły jego teorii są beznadziejnie błędne. Mimo to jego koncepcja okazała się tak wspaniałą wizją tego, jak mogłaby wyglądać odpowiedź twierdząca na nasze Pytanie, że jeszcze wiele wieków później inspirowała Euklidesa, Keplera i innych genialnych naukowców. Ba, nasze współczesne, zdumiewająco poprawne teorie cząstek elementarnych, opisane w Teorii Rdzenia (zob. s. 19), bazują na niezwykle mocnych ideach symetrii, które na pewno wywołałyby uśmiech zadowolenia na twarzy Platona. Gdy zaś próbujemy zgadywać, co uda nam się odkryć w następnej kolejności, często stosujemy strategię Platona i proponujemy modele Natury oparte na obiektach o wyjątkowym matematycznym pięknie.
Platon był też wielkim twórcą literatury. Jego alegoria jaskini trafnie ujmuje ważne aspekty emocjonalne i filozoficzne naszego związku z rzeczywistością. U podstaw tej metafory leży przekonanie, że nasze codzienne życie jest zaledwie cieniem rzeczywistości, ale wytężając umysł i wykorzystując wrażenia zmysłowe, możemy dotrzeć do istoty rzeczy – i wtedy okazuje się, że jest ona prostsza i piękniejsza od swojego cienia. Platon wyobraził sobie pośredniczącego demiurga (słowo to można przetłumaczyć jako „rzemieślnik”), który przekształca królestwo doskonałych, wiecznych Idei w ich niedoskonałe kopie, w otaczający nas świat. W takim ujęciu wyraźnie widać rozumienie świata jako dzieła sztuki.
• Brunelleschi wprowadził do geometrii nowe idee wynikające z potrzeb sztuk plastycznych i inżynierii. Jego geometria rzutowa, zajmująca się faktycznym wyglądem obiektów, definiuje pojęcia – takie jak względność, niezmienniczość czy symetria – które są nie tylko piękne same w sobie, ale także pełne ukrytych możliwości.
• Newton wyniósł matematyczne rozumienie Natury na zupełnie nowy poziom wyrafinowania i dokładności. Genialne prace Newtona, dotyczące światła, rachunku różniczkowego i całkowego, ruchu i mechaniki, łączy jeden wspólny wątek. Chodzi o stosowane przez niego podejście, które nazywał metodą Analizy i Syntezy. Jest to dwuetapowa strategia zdobywania wiedzy. Na etapie analizy rozważa się najmniejsze części badanego zagadnienia, jego „atomy” w szerokim, przenośnym rozumieniu tego słowa. Poprawne wykonanie analizy pozwala zidentyfikować małe elementy o takich samych prostych własnościach, które dają się opisać dokładnymi prawami. Na przykład:
• Gdy badamy światło, atomami są wiązki o barwie widmowej.
• Gdy zajmujemy się rachunkiem różniczkowym i całkowym, atomami są nieskończenie małe wielkości i ich stosunki.
• Gdy rozważamy ruch, atomami są prędkość i przyspieszenie.
• Gdy badamy mechanikę, atomami są siły.
(W dalszej części książki omówimy te kwestie dużo dokładniej).
Na etapie syntezy tworzymy nową konstrukcję, wykorzystując do tego logikę i matematykę, i przechodzimy od analizy zachowania pojedynczych atomów do opisu ich złożonych układów. Patrząc na taki ogólny opis, można odnieść wrażenie, że metoda Analizy i Syntezy nie jest szczególnie odkrywcza. W końcu przypomina ona bardzo wiele dobrze znanych reguł zdroworozsądkowych, na przykład: „aby rozwiązać złożony problem, podziel go na prostsze części” – trudno dopatrzyć się tu czegoś nowatorskiego. Newton wymagał jednak precyzji i pełnego zrozumienia: Znacznie lepiej jest zrobić trochę, ale za to pewnie, i pozostawić resztę dla innych, którzy przyjdą po nas, niż wyjaśnić wszystko, uciekając się do hipotez, nie mając w niczym pewności*.
I faktycznie, w wymienionych tu przykładach Newton zrealizował ambitne cele, które sobie postawił. Pokazał w sposób przekonujący, że sama Natura korzysta z metody Analizy i Syntezy. W „atomach” naprawdę jest prostota i przyroda rzeczywiście pozwala im zachowywać się tak, jak podpowiada im ich natura.