Jazz i fizyka. Tajemniczy związek muzyki ze strukturą Wszechświata

To także opowieść o Nowym Jorku, grze na saksofonie i o licznych spotkaniach autora z wielkimi fizykami i wielkimi jazzmanami.

Myślą przewodnią książki i ideą przyświecającą badaniom naukowym autora jest wykazanie, że Wszechświat ma ukrytą muzyczną naturę. Stephon Alexander przedstawia ją w książce na różne sposoby, posługując się teorią muzyki i jazzowych improwizacji, a także fizyką i kosmologią.

Ta książka ukazuje także moc analogii. Zaczniemy rozumieć fizykę, wiążąc ją analogiami z muzyką. Przekonamy się, że harmonia i rezonans są zjawiskami uniwersalnymi, mogącymi wyjaśnić dynamikę całego Wszechświata.

Stephon Alexander to wyśmienity fizyk i muzyk jazzowy w jednej osobie. Czytając go usłyszycie muzykę Wszechświata.
Edward Frenkel, autor książki „Miłość i matematyka”

Jeśli chcecie spędzić jeden wieczór w życiu, kontemplując związki między nauką i sztuką, wybierzcie właśnie tę książkę.
Lee Smolin, autor książki „Czas odrodzony”

Stephon Alexander jest profesorem fizyki na Uniwersytecie Browna i laureatem nagrody Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego im Boucheta za rok 2013. Jest także saksofonistą jazzowym. W sierpniu 2014 r. ukazał się jego album „Here Comes Now” nagrany z Erin Rioux.

Wstęp

Podpowiedzi udzieliła mi intuicja, a siłą sprawczą intuicji była muzyka. Moje odkrycie było rezultatem percepcji muzyki.
Albert Einstein (gdy pytano go o teorię względności)

I najbardziej ze wszystkiego cenię sobie analogie, moje najbardziej zaufane mistrzynie. Znają one wszystkie sekrety natury i w geometrii powinno się je dostrzegać.
Johannes Kepler

Ludzie są wyjątkowi. Na planecie zwanej Ziemią jedenaście miliardów lat po powstaniu Wszechświata, w kłębiących się i bogatych w minerały oceanach warunki stały się nareszcie odpowiednie do powstania życia – a potem wyjścia z tych oceanów osobników twardych, mutujących i ewoluujących. Ludzie na tyle rozwinęli się w swoim ułamku trwania Wszechświata, by kształtując Ziemię i śmiało spoglądając w niebo, zaczęli poszukiwać swego pochodzenia.
Ludzie ze wszystkich kultur zastanawiali się, skąd się wywodzą i skąd wziął się kosmos. Czym jest przestrzeń, która nas otacza? Jak to się stało, że istniejemy? I pytania te nie tylko dowodzą wrodzonej nam chęci zgłębienia wiedzy o naszym życiu, ale także – jak zwykle w przypadku pytań – ukazują jej granice. Przez tysiące lat odpowiedzi szukaliśmy raczej w mitach, lecz od czasów rewolucji naukowej staramy się odsunąć je na bok, oddając uczonym badanie początków Wszechświata i życia metodą twardych faktów. Współcześni kosmolodzy jednak, choć wyposażeni w skomplikowane równania i równie skomplikowane urządzenia, mogą być uważani za twórców mitologii naszych czasów. Bo pomimo precyzji eksperymentów oraz całej ścisłości matematyki ciągle nowe zaskakujące odkrycia zmuszają ich do tworzenia mitów, wyjaśniających zawiłą naturę Wszechświata.
Podejmowano wręcz heroiczne próby w celu wyjaśnienia koncepcji leżących u podstaw nowoczesnej kosmologii, ale zbytnie uproszczenia pojawiające się w książkach nie mogą temu sprostać. Tłumaczenie słowami takich zagadnień jak ogólna teoria względności i mechanika kwantowa, które w sposób naturalny ujmowane są w języku matematyki, to niełatwe zadanie. Złożone równania natomiast bywają trudne do zrozumienia nawet dla fizyków, chcących wyobrazić sobie lub dogłębnie pojąć przekaz zawarty w tych formułach. To wszystko wskazuje więc na potrzebę zastosowania innej metody opisu struktury Wszechświata. Na przykład za pomocą zrozumiałych fizycznie obrazów albo analogii. Moim zdaniem największy sukces w tłumaczeniu tych zjawisk odnoszą właśnie książki pełne wspaniałych analogii.
I taki też sposób rozumowania będzie przyświecał mi w tej książce. Jazz i fizyka zabierze cię w podróż, podczas której odkryjesz osiągnięcia fizyki teoretycznej. Przekonasz się, że wbrew logicznej strukturze, właściwej prawom fizyki, podczas prób przesunięcia horyzontu naszej wiedzy często posługujemy się nieracjonalnym, nielogicznym – i nierzadko podejmowanym spontanicznie, a więc również pełnym błędów – procesem myślowym. I chociaż dla fizyków i muzyków jazzowych ważne jest opanowanie techniki i teorii tych dziedzin, innowacje wymagają wyjścia poza nabyte umiejętności. W fizyce teoretycznej kluczowa jest zdolność do rozumowania za pomocą analogii. W tej książce pokażę, jak sztuka tworzenia właściwych analogii wspomaga wkraczanie w nowe obszary wiedzy i umożliwia pokonanie tajemniczego świata kwantów w celu dotarcia do ogromnej superstruktury naszego Wszechświata.
Muzyka będzie pełnić tu funkcję analogii, nie tylko wspomagającej zrozumienie współczesnej fizyki i kosmologii, ale także pomocnej w rozwiązywaniu zagadek, na które natknęła się fizyka. Już podczas pisania tej książki sposób myślenia per analogiam umożliwił mi odkrycie nowego podejścia do od dawna nierozwiązanego problemu kosmologii wczesnego Wszechświata. Jedno z najważniejszych i ciągle otwartych zagadnień pozwalających zrozumieć wczesny Wszechświat dotyczy tego, jak z pustego i bezpostaciowego młodego Wszechświata wyłoniły się pierwsze struktury. Złożony sposób, w jaki prawa fizyki, działając wspólnie, stworzyły i podtrzymują istnienie nadrzędnej struktury Wszechświata odpowiedzialnej za nasze istnienie, wydaje się magią – zupełnie jak podstawy teorii muzyki, które dały początek wszystkiemu, od Twinkle Twinkle Little Star po Interstellar Space Coltrane’a.
Stosując metodę interdyscyplinarną i zainspirowani trzema wielkimi umysłami (Johna Coltrane’a, Alberta Einsteina i Pitagorasa), możemy dostrzec, że rozwiniętym „magicznym” kosmosem też rządzą prawa muzyki.

Siedząc samotnie, jakąś dekadę temu, w ciemnej kafejce przy głównej ulicy w Amherst i przygotowując prezentację na zajęcia z fizyki, poczułem nagłą konieczność zadzwonienia do Yusefa Lateefa, legendarnego muzyka jazzowego, który dopiero co skończył uczyć na wydziale muzyki Uniwersytetu Stanowego Massachusetts w Amherst i przeszedł na emeryturę. Musiałem o czymś mu powiedzieć. Znalazłem automat z lokalną książką telefoniczną i zacząłem nerwowo przerzucać jej strony, szukając jego numeru z taką niecierpliwością, jak narkoman strzelający sobie działkę. Wreszcie go znalazłem. A gdy zebrałem w sobie całą odwagę i do niego dzwoniłem, moją twarz owiewał rześki jesienny wiatr Nowej Anglii. Pozwoliłem, aby telefon dzwonił całkiem długo, narażając się na potraktowanie jak nachalnego natręta. „Halo” – odezwał się w końcu męski głos. „Dzień dobry, czy mogę rozmawiać z profesorem Lateefem?” – zapytałem. „Profesora Lateefa nie ma” – odpowiedział beznamiętnie głos. „Czy mógłbym mu zostawić wiadomość o wykresie, który w sześćdziesiątym pierwszym roku wręczył mu John Coltrane jako prezent urodzinowy? Myślę, że wiem, co on oznacza”. Po długiej przerwie usłyszałem w słuchawce: „Przy telefonie profesor Lateef”.
Niemal dwie godziny rozmawialiśmy o wykresie, który pojawił się w znanej i cenionej książce Jusefa Lateefa Repository of Scales and Melodic Patterns, która sama jest kompilacją niezliczonych skal muzycznych z Europy, Azji, Afryki i reszty świata*. Przedstawiłem mu, jak moim zdaniem wykres ten jest związany z inną, wydawałoby się zupełnie mu obcą dziedziną – grawitacją kwantową – mającą zunifikować mechanikę kwantową i ogólną teorię względności Einsteina. Zdałem sobie sprawę, wyjaśniałem profesorowi Lateefowi, że ta sama geometryczna zasada, która uzasadniała teorię Einsteina, wyrażona jest w wykresie Coltrane’a. Einstein był moim bohaterem. Coltrane i Lateef także nimi byli. Profesor Lateef natomiast podzielił się ze mną pewnymi ważnymi informacjami o podobieństwie tego diagramu do koła kwartowego i kwintowego. Był także bardzo głęboko zainteresowany filozofią i fizyką i wyjaśnił mi swoją koncepcję muzyki autofizjopsychicznej, która wyraża fizyczne, intelektualne i duchowe „ja” jej wykonawcy**. Ta koncepcja miała wielki wpływ na moje późniejsze badania dotyczące związku muzyki z kosmosem. Lateef potwierdził, że taki głęboki związek istnieje, i zachęcił mnie do jego szukania. Tamtego dnia, jak w obrazku stereoskopowym, połączyły się moje równoległe zainteresowania fizyką i jazzem, tworząc nowy wymiar.
Coltrane był zafascynowany Einsteinem i jego ideami. Einstein natomiast zyskał sławę prawdopodobnie ze względu na swój najważniejszy dar: zdolność do przekraczania dzięki fizycznej intuicji ograniczeń matematyki. Improwizował za pomocą, jak je nazywał, Gedankenexperiments (czyli eksperymentów myślowych), które obrazowały eksperymenty, jakich nikt nie mógł wykonać. Einstein wyobrażał sobie na przykład, jak wyglądałaby podróż na promieniu światła. Trzeba mieć dużą intuicję, by zrobić to z powodzeniem. Innym źródłem natchnienia była dla niego muzyka. Choć nie jest to szeroko znany fakt, Einstein grał na pianinie. Elsa, jego druga żona, kiedyś wspominała: „Muzyka pomaga mu w obmyślaniu jego teorii. Idzie do swego gabinetu, wraca, gra kilka dźwięków na pianinie, robi jakąś notatkę, i wraca do gabinetu”. Z jednej strony Einstein opierał się na ścisłości matematyki, z drugiej – na intuicji i inwencji twórczej. Był z natury improwizatorem, jak jego idol Mozart. Kiedyś zresztą powiedział: „Muzyka Mozarta jest tak piękna i czysta, że widzę w niej odbicie wewnętrznego piękna Wszechświata”.
Mandala Coltrane’a uzmysłowiła mi, że improwizacja jest cechą charakterystyczną zarówno muzyki, jak i fizyki. Podobnie jak Einstein za pomocą swych eksperymentów myślowych, niektórzy muzycy jazzowi podczas improwizacji konstruują w pamięci pewne wzorce i kształty. Myślę, że tak właśnie grał Coltrane. John Coltrane zmarł w 1967 roku, dwa lata przed odkryciem przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona mikrofalowego promieniowania tła, reliktu samego Wielkiego Wybuchu. Odkrycie to obaliło teorię Wszechświata stacjonarnego i potwierdziło jego rozszerzanie się, tak jak to przewidywała teoria grawitacji Einsteina. Wśród ostatnich nagranych przez Coltrane’a albumów były trzy o następujących tytułach: Stellar Regions, Interstellar Space i Cosmic Sound. W swej muzyce Coltrane bawił się fizyką i, co niesamowite, wiedział, że kosmiczna ekspansja jest formą antygrawitacji. W zespołach jazzowych „grawitacyjne” przyciąganie sekcji rytmicznej zapewniają bas i perkusja. Utwory z Interstellar Space są majestatycznymi występami solo Coltrane’a, uwalniającymi się od przyciągania grawitacyjnego sekcji rytmicznej. Coltrane był w świecie muzyki innowatorem znającym doskonale fizykę. Einstein zaś był innowatorem w fizyce, znającym doskonale muzykę. Ale to, co robili, nie było nowością. Obaj p r z y w r a c a l i związki pomiędzy muzyką i fizyką, które zostały ustalone tysiące lat wcześniej, gdy Pitagoras – Coltrane owych czasów – po raz pierwszy stworzył matematykę muzyki. Filozofię Pitagorasa wyrażało stwierdzenie, że wszystko zawiera się w liczbach, i zarówno muzyka, jak i kosmos były dla niego przejawem tej filozofii. W matematyce orbit, po jakich poruszały się planety, rozbrzmiewała „muzyka sfer”, pozostająca w harmonii z tonami drgającej struny.
Idąc w tej książce śladami Coltrane’a i Einsteina, my także odwiedzimy starożytne królestwo, gdzie muzyka, fizyka i kosmos stanowią jedność. Pokażemy, jak zaczynali rozumieć dźwięk Pitagoras i inni starożytni filozofowie, i jak ich idee, rozwinięte przez wielkich myślicieli, Keplera i Newtona, przekształciły się we współczesne pojęcie dynamiki strun i fal. Dwa i pół tysiąca lat później wynalazcy teorii strun intensywnie badają, w jaki sposób może ona zunifikować cztery podstawowe oddziaływania natury. Niewielu z nich jednak ma świadomość tego, że zasadnicze równanie ich teorii, równanie falowe, powstało w wyniku poszukiwań ogólnego związku z muzyką.

Ta książka ukazuje także moc analogii. Zaczniemy rozumieć fizykę, wiążąc ją analogiami z muzyką. Przekonamy się, że harmonia i rezonans są zjawiskami uniwersalnymi, mogącymi wyjaśnić dynamikę całego Wszechświata. Zobaczymy, że ogrom danych kosmologicznych wskazuje na to, że około czternastu miliardów lat temu w strukturach galaktyk i gromad galaktyk rozwinęły się proste wzorce o charakterystyce dźwięku, które umożliwiły rozwój planet i samego życia. Zapoznamy się także z kwantowym źródłem życia. W większości utworów muzycznych skala tonów zawiera drgania dyskretne. Świat subatomowy także zbudowany jest z dyskretnych pakietów, zwanych kwantami (stąd mechanika kwantowa). Potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa w ostatnich eksperymentach w Wielkim Zderzaczu Hadronów wskazuje, że podstawy fizycznej rzeczywistości opisuje kwantowa teoria pola. To gałąź fizyki onieśmielająca swą matematyką.
Na szczęście dla nas większą część tej teorii można zrozumieć dzięki podstawom muzyki. Na przykład złamane symetrie kwantowe są niezbędne w powstawaniu podstawowych cząstek i oddziaływań, podobnie jak złamane symetrie struktur muzycznych, choćby skala durowa, tworzą rozwiązanie kompozycji muzycznej. Improwizacja także odegra rolę w naszych poszukiwaniach, umożliwiając zrozumienie dziwacznej dynamiki świata kwantowego: jego nieodłącznych nieokreśloności i faktu, że każdy wynik w istocie jest sumą wszystkich możliwych wyników.

Przekonałem się, że oprócz matematyki najważniejszym narzędziem pozwalającym rozwiązać sekrety teorii jest uproszczenie układu i znalezienie analogii w dyscyplinie naukowej, która na pierwszy rzut oka wydaje się zupełnie inna. Prowadząc dalej badania, szansy na rozwiązanie trzeba szukać w takich właśnie analogiach. Przypomina to interdyscyplinarne przeskakiwanie z brzegu ignorancji na brzeg wiedzy po leżących w rwącym nurcie życia kamieniach. Podczas gdy fizyka osiągnęła niespotykany sukces w ujawnianiu sekretów natury, zarówno w najmniejszych, jak i największych do wyobrażenia skalach, nie jest tajemnicą, że środowisko fizyków przeżywa kryzys. Badacze utknęli na podstawowych zagadnieniach, takich jak widoczne „doskonałe dostrojenie” Wszechświata, przejawiające się w bardzo delikatnej równowadze pomiędzy czterema podstawowymi oddziaływaniami natury, które tworzą życie oparte na atomie węgla. Ja chciałbym przekonać wszystkich do poglądu, że fizykę czeka nowa era, jako naukę globalną i interdyscyplinarną – nadejście fizyki improwizacji. Wykorzystując interdyscyplinarne analogie, fizyka improwizacji rozszerzy granice wiedzy.

To moja podróż: Byłem nastolatkiem, synem nowojorskiego taksówkarza z Trynidadu, gdy zakochałem się w książce Victora Weisskopfa The Privilege of Being a Physicist. Moja rodzina oczekiwała, że moją pasją będzie muzyka. Weisskopf, laureat Nagrody Nobla, powiedział: „Dwie rzeczy warte są życia dla nich – Mozart i mechanika kwantowa”. Kochałem Mozarta, ale nie znałem mechaniki kwantowej. Tak się zaczęła moja wieloletnia miłość, która uwarunkowała moją przyszłość, wykraczającą poza samą mechanikę kwantową i samego Mozarta: a w samym centrum tej pasji znajdują się kosmologia i John Coltrane. W tym procesie stawania się fizykiem odwiedziłem miejsca, o których istnieniu te postaci nie mogły wiedzieć. Pokonałem niekonwencjonalną drogę łączącą jazz i fizykę, aby stać się fizykiem teoretykiem. Stało się to tylko dzięki temu, że w ciągu ostatnich dwudziestu lat moimi mentorami było wielu nauczycieli, takich jak Leon Cooper, laureat Nagrody Nobla za sformułowanie teorii nadprzewodnictwa i wielbiciel muzyki, czy Ornette Coleman i Brian Eno, muzycy głęboko zainteresowani fizyką. Nauczyli mnie oni, jak ważne jest myślenie interdyscyplinarne i jak używać analogii w celu rozszerzenia granic wiedzy.
Ta podróż w części polega na spotkaniu z tymi wybitnymi postaciami. Dotarcie do rytmu teorii muzyki też do niej należy. Podczas niej będziemy śledzić także ewolucję struktury naszego Wszechświata i próbować tworzyć analogie pomiędzy fizyką i muzyką. A brak adekwatnej analogii i wymóg ścisłych obliczeń w celu uzyskania jasności też stanie się częścią tej wyprawy.