Współczesna fizyka to fascynująca dziedzina. Co jakiś czas jesteśmy informowani o zdumiewających odkryciach fizyków, astronomów, kosmologów. Te nowe fakty są inspiracją dla teoretyków do wysnuwania nowych, często nieprawdopodobnych i fantastycznych – choć całkowicie zmatematyzowanych – teorii fizycznych. Znamienne jest to, że dotyczą one obszarów coraz bardziej odległych od naszego codziennego świata.

Sto lat temu granice naszej poznanej rzeczywistości fizycznej wyznaczały, z jednej strony wielkość atomu, a z drugiej rozmiary naszej galaktyki, Drogi Mlecznej, którą uważano za cały Wszechświat, niezmienny i istniejący odwiecznie. Od tamtego czasu dokonał się wielki postęp w opisie i rozumieniu otaczającego nas świata. Zbadano strukturę atomów, schodząc poniżej wielkości jądra atomowego, postulując istnienie cząstek, tzw. kwarków, z których składają się protony i neutrony. Przenosząc się z kolei na drugi kraniec skali wielkości, odkryto, że Wszechświat jest dużo bardziej rozległy, niż nasza Galaktyka. Okazało się, że Droga Mleczna jest tylko jedną z setek miliardów galaktyk istniejących w obserwowalnym wszechświecie. Wszystkie dotychczasowe teorie, które były podstawą do opisu czy interpretacji świata, zarówno w skali najmniejszej (mechanika kwantowa), jak i największej (ogólna teoria względności, teoria Wielkiego Wybuchu, teoria inflacji), spełniają warunki naukowości wyznaczone przez tradycyjną metodologię nauk empirycznych – zostały potwierdzone bezpośrednimi bądź pośrednimi świadectwami empirycznymi.

G łębiej niż kwarki

Obecnie wiemy o świecie fizycznym znacznie więcej niż kiedykolwiek, a jednak proponowany przez fizyków obraz świata staje się dla nas coraz mniej zrozumiały. Perspektywy, które roztaczają przed nami współcześni fizycy teoretyczni, znacznie przekraczają dotychczas ustalone czy też odkryte granice rzeczywistości fizycznej, jaką znamy (jak również możliwości naszej wyobraźni). W fizyce współczesnej pojawiają się teorie, które rozważają istnienie i funkcjonowanie podstawowych składników rzeczywistości daleko poniżej poziomu atomu, sięgając głębiej niż kwarki w strukturę cząstek elementarnych.

Jeżeli chodzi natomiast o rozważania w największej (z możliwych) skali, to ostatnio dyskutowany jest pomysł teoretyków sugerujący, że nasz Wszechświat nie jest jedynym istniejącym, ale że jest jednym z nieskończonej liczby wszechświatów „równolegle istniejących” wraz z nim i poza nim. Dla przeciętnego człowieka te idee są co najmniej dziwne, brzmią niewiarygodnie i kłócą się ze zdrowym rozsądkiem.

Historia nauki pokazuje, że spekulatywne teoretyzowanie zawsze było elementem nauki, jednak wcześniej, pod nadzorem metodologii obowiązującej w naukach empirycznych, spekulacje bądź to stawały się elementem uznanej nauki, bądź rugowane były poza jej obręb i popadały w całkowite zapomnienie. Fizycy i filozofowie nauki byli przekonani, że warunkiem sine qua non naukowości teorii fizycznej jest jej kontakt z danymi empirycznymi, ustalany za pomocą testów empirycznych. Gdy w fizyce współczesnej zaczęto odchodzić od tradycyjnej metodologii nauk empirycznych, spekulacje teoretyczne, uwolnione od konieczności powiązania z tym, co dzieje się w otaczającym świecie, doprowadziły do powstania krańcowo śmiałych czy wręcz niewiarygodnych idei. Do takich spekulatywnych idei należą między innymi teoria superstrun i koncepcja multiwszechświata, które krótko zaprezentuję.

Geometria ukrytych wymiarów

Oryginalna teoria strun została oparta na założeniu, że cząstki elementarne można przedstawić jako drgania fundamentalnych, jednowymiarowych włókien energetycznych (zwanych strunami). W takiej teorii strun poszczególnym cząstkom odpowiadałyby nie różne rodzaje strun, lecz różne mody wibracyjne jednego wspólnego typu strun. Wówczas masa cząstki byłaby po prostu energią danego modelu drgań, a jej inne właściwości, takie jak ładunek i spin, wyrażane byłyby przez bardziej wyrafinowane aspekty drgającej struny. Jednak teoria strun w wersji podstawowej borykała się z pewnymi trudnościami (np. postulowała istnienie tachionów – cząstek nadświetlnych), nie do przyjęcia dla fizyków. Udało się je pokonać dzięki wykorzystaniu idei supersymetrii, pod wpływem której teoria strun przekształciła się w teorię superstrun. Okazało się, że teoria superstrun nie tylko uwzględnia wszystkie znane cząstki elementarne, lecz także przewiduje istnienie nowej cząstki o właściwościach grawitonu (nośnika pola grawitacyjnego), które postulował już Einstein. Zatem teoria strun mogłaby być nie tylko teorią oddziaływań silnych, lecz pretendowałaby do miana TEORII WSZYSTKIEGO.

Aby równania teorii superstrun były matematycznie niesprzeczne, struna musi wibrować w 10 wymiarach czasoprzestrzennych, co oznacza, że poza zwykłymi czterema wymiarami istnieje sześć dodatkowych, zbyt małych, by można je bezpośrednio obserwować. Główna teza teorii superstrun głosi, że postać obserwowalnych przez nas praw fizyki zależy od geometrii ukrytych wymiarów. Dziewięć wymiarów przestrzennych wymaganych przez teorię superstrun można pogodzić z doświadczeniem trójwymiarowego świata dzięki przyjęciu, że sześć wymiarów jest skompaktyfikowanych (zwiniętych) do rozmaitości (obszaru 6-wymiarowej przestrzeni) o rozmiarach rzędu długości Plancka, to jest około 1,6 ´ 10-33 cm. Superstruny w porównaniu z protonem są tak małe, jak proton w porównaniu z Układem Słonecznym. Akcelerator, który mógłby potencjalnie zbadać „królestwo” superstrun, musiałby mieć w obwodzie 1000 lat świetlnych, ale nawet on nie pozwoliłby nam „dostrzec” dodatkowych wymiarów, w których wibrują struny. Dodajmy, że Układ Słoneczny ma obwód jedynie jednego dnia świetlnego.

Jeżeli przyjmiemy, zgodnie z tradycyjną metodologią nauk fizycznych, że rozstrzygnięcie kwestii prawdziwości teorii fizycznych jest sprawą testów empirycznych, to musimy stwierdzić, że nie ma obecnie (i trudno je sobie wyobrazić w najbliższym czasie) absolutnie żadnych eksperymentalnych ani obserwacyjnych danych na poparcie tezy, iż fundamentalnymi elementami rzeczywistości są struny. To dlatego wśród fizyków przeważają następujące opinie: w fizyce koncepcje teoretyczne muszą być poparte faktami eksperymentalnymi. Ani supersymetria, ani teoria strun nie spełniają tego kryterium. Są jedynie wytworem teoretycznych rozważań. Często złośliwie dodają: one nie są nawet błędne. W fizyce nie ma na nie miejsca.

Metodologia postempiryczna

Zwolennicy teorii superstrun, stając w obliczu niemożliwości empirycznej weryfikacji swojej teorii, postulują zwrócenie się ku innym kryteriom naukowości, biorącym pod uwagę właściwości teorii samej w sobie. Te kryteria miałyby charakter formalny, odwołujący się na przykład do spójności/niesprzeczności teorii, koherencji z teoriami już uznanymi czy heurystyczności. „Superstrunowcy” wierzą, że osiągnęliśmy już etap, w którym możemy iść naprzód bez konieczności poddawania naszych kolejnych teorii testom empirycznym, ogłaszając powstanie „nowej” metodologii, odpowiedniej dla nauki „postempirycznej”. Uznają też, że weszliśmy już w fazę rozwoju fizyki, której kierunek nadawany jest przez nowy rodzaj myślenia, wykorzystujący język matematyki/fizyki, ale nieodwołujący się do testów eksperymentalnych. Argumentują, że ponieważ spora grupa fizyków i kosmologów traktuje poważnie teorię superstrun czy koncepcję multiwszechświata i bada te teoretyczne hipotezy w ramach swoich dociekań, to z pewnością muszą to być idee naukowe.

Takie same lub podobne dylematy dotyczą hipotezy dopuszczającej istnienie wielu odmiennych od naszego wszechświatów. Gorącym zwolennikiem koncepcji multiwszechświata jest fizyk i kosmolog Max Tegmark, który podaje całą typologię „równoległych wszechświatów”, wyróżniając aż cztery poziomy ich funkcjonowania. Wspomnę tylko o dwóch pierwszych, gdyż koncepcje III i IV poziomu są wysoce abstrakcyjne i z tego powodu bardzo nieintuicyjne.

Według Tegmarka istnienie multiwszechświata poziomu I może być „wyprowadzone” z dobrze potwierdzonych koncepcji współczesnej fizyki teoretycznej: teorii względności, teorii inflacji oraz mechaniki kwantowej. Przekonanie o istnieniu wielu wszechświatów jest ponadto poparte najnowszymi wynikami obserwacji, które wskazują, że przestrzeń nas otaczająca jest „płaska” (tzn. w dużych skalach niezakrzywiona), a materia w niej jest rozłożona równomiernie. Naszym Wszechświatem obserwowalnym jest wszystko to, co znajduje się nie dalej niż odległość przebyta przez światło w ciągu 14 mld lat, które upłynęły od Wielkiego Wybuchu. Taki obszar nazwiemy objętością Hubble’a. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, poza tym obszarem rozciąga się nieskończona domena kosmosu wypełnionego jednorodnie materią. Konsekwencją tego przekonania jest istnienie obszarów przestrzeni, które znajdują się zbyt daleko, byśmy mogli je w ogóle dostrzec – innych objętości Hubble’a. Nazwiemy je wszechświatami równoległymi poziomu I. Każdy równoległy wszechświat jest w zasadzie taki sam, a wszelkie różnice biorą się jedynie z odmiennego początkowego rozkładu materii. Obserwatorzy (nie wykluczamy ich istnienia) żyjący w różnych wszechświatach równoległych poziomu I doświadczają tych samych praw fizyki co my, lecz w odmiennych warunkach początkowych.

Multiwszechświat poziomu II przewidywany jest przez teorię chaotycznej, wiecznej inflacji. Koncepcja inflacji, będąca rozszerzeniem teorii Wielkiego Wybuchu, daje odpowiedź na pojawiające się w niej zagadki, na przykład dlaczego Wszechświat jest taki ogromny, tak jednorodny i taki płaski. Gwałtowne rozdęcie przestrzeni na wczesnych etapach ewolucji Wszechświata, które postuluje koncepcja inflacji, wyjaśnia za jednym zamachem wiele obserwowalnych jego własności. Z kolei rozszerzeniem teorii inflacji jest koncepcja wiecznej, chaotycznej inflacji. W myśl tej teorii przestrzeń jako całość ekspanduje (rozszerza się) gwałtownie i jest to proces nieustający. Jednak zdarza się, że niektóre obszary ekspandującej przestrzeni przestają się rozszerzać w sposób gwałtowny, tworząc wyodrębnione „bąble”, które zaczynają się rozszerzać już w stosunkowo „wolnym” tempie. Powstaje nieskończenie wiele takich bąbli, z których każdy daje początek multiwszechświatowi poziomu I – o nieskończonych rozmiarach i wypełnionemu materią powstałą z energii pola napędzającego inflację. Tak więc na multiwszechświat poziomu II składa się nieskończona liczba multiwszechświatów poziomu I, o różnych wymiarach i odmiennych wartościach stałych fizycznych. Nasz Wszechświat, wraz z przylegającymi do niego obszarami przestrzeni, jest właśnie takim bąblem zanurzonym w jeszcze większej, choć prawie pustej przestrzeni. Takie bąble są hipernieskończenie oddalone od naszego multiwszechświata, co oznacza, że nie dotarlibyśmy do nich, choćbyśmy podróżowali nieskończenie długo z prędkością światła. Wynika to z tego, że przestrzeń pomiędzy naszym bąblem a sąsiednimi bąblami rozszerza się szybciej (nawet z prędkością przewyższającą prędkość światła), niż możemy się poruszać.

Argumenty Tegmarka

Tegmark przekonuje, że nasze najlepsze, najdokładniejsze i najelegantsze teorie fizyczne prowadzą wprost do hipotezy multiwszechświatów. Twierdzi też, że aby zaprzeczyć istnieniu wszechświatów równoległych, należałoby te teorie skomplikować, wprowadzając niepotwierdzone empirycznie procesy i postulaty ad hoc: np. (nieznany dotychczas) mechanizm kolapsu funkcji falowej czy założenie skończoności przestrzeni. Max Tegmark pyta retorycznie: Co wydaje się bardziej rozrzutne i mniej eleganckie – wielość światów czy wielość wprowadzanych ad hoc słów i postulatów?

Kolejny argument Tegmarka za hipotezą multiwszechświata odwołuje się do indukcji eliminacyjnej. Wydaje się on być logiczny, bowiem głosi, że jeśli wszystkie możliwe alternatywne wyjaśnienia zostały wyeliminowane, to wyjaśnienie, które się „ostało”, musi być prawdziwe. Jeśli teoria potrafi wyjaśnić zjawiska, których nie można wyjaśnić w inny sposób, to teoria – ujmijmy to „słabiej” – może być prawdziwa. Zdaniem Tegmarka, nie znamy żadnego innego alternatywnego wyjaśnienia dla ilości ciemnej energii w naszym Wszechświecie, małej wartości masy elektronu, takiej, a nie innej wartości stałych fizycznych itp. Są to fakty doświadczalne i pasują do jednej teorii: koncepcji multiwszechświata. Jak dotąd nie pasują do żadnej innej teorii. Na pytanie o eksperymentalne dowody Tegmark odpowiada wymijająco: gdy odrzucisz to, co niemożliwe, wszystko pozostałe, choćby najbardziej nieprawdopodobne, musi być prawdą.

Czy kosmologię multiwszechświata można uznać za naukę? Czy należy wierzyć w istnienie wszechświatów równoległych? Zwolennicy tradycyjnej metodologii nauk empirycznych są przekonani, że koncepcja ta nie ostałaby się po zastosowaniu brzytwy Ockhama, ponieważ postuluje istnienie bytów, których nigdy nie będziemy mogli „zobaczyć”.

Teoria multiwszechświata wyraźnie ma problemy ze sprawdzalnością w zwykłym rozumieniu tego słowa, a jeszcze większe z falsyfikowalnością (potencjalną możliwością obalenia), czyli – w konsekwencji – wskazaniem warunków jej fałszywości. Ale teorie, których nie sposób sprawdzić, niedające się ani zweryfikować, ani sfalsyfikować, są obecnie na porządku dziennym. Współczesna fizyka teoretyczna ewidentnie odchodzi od tradycyjnej metodologii nauk empirycznych. Dlatego też niektórzy uczeni od jakiegoś czasu przedstawiają argumenty przemawiające za tym, że należałoby tak rozciągnąć samą definicję nauki, aby obejmowała współczesne koncepcje fizyki teoretycznej. Stwierdzają, że osiągnięcia fizyki teoretycznej wyprzedziły znacznie naszą zdolność przeprowadzania testów empirycznych najbardziej abstrakcyjnych, najdalej idących, najśmielszych oraz najbardziej zaawansowanych pod względem teoretycznym koncepcji. Dopóki opieramy naszą definicję nauki na zasadzie testowalności empirycznej, te dokonania znajdują się poza obszarem uznanej nauki. Wyrzekamy się przez to sposobności eksplorowania wielkiego bogactwa struktur, jakie oferuje nam matematyka i zaspokajania wrodzonego człowiekowi pragnienia wykraczania poza znane schematy, przekraczania znanych horyzontów.

Prawo definiowania nauki

Tego typu wielkie spekulacje, jak teoria superstrun czy koncepcja multiwszechświatów, wydają się być akceptowane jako nauka, a nawet „szanowana nauka”, w sensie intelektualnym i socjologicznym, przynajmniej przez część środowiska naukowego. Właśnie ci naukowcy utrzymują, iż powinniśmy zapomnieć o wymaganiach normatywnych, formułowanych przez filozofów i metodologów, i pozwolić środowisku naukowemu określać przez pryzmat własnego doświadczenia, czym jest, a czym nie jest nauka. Problemem, który z kolei podnoszą filozofowie jest: jak bardzo teoria może być spekulatywna; gdzie wyznaczyć granicę między metafizyką a nauką? W grę wchodzi bardzo ważna kwestia, a mianowicie, do kogo należy „prawo” definiowania nauki. Czy powinno się je całkowicie pozostawić ekspertom naukowym, czy także np. filozofowie mogą mieć na ten temat coś do powiedzenia?

Tu istnieje rozbieżność opinii wśród fizyków. Niektórzy wręcz pytają, czy filozofowie mają jakiekolwiek prawo dyktować fizykom normy nauki, a tym samym decydować, czy ich teorie należą do zakresu nauki? Jeden z tuzów współczesnej fizyki teoretycznej, współtwórca teorii superstrun Leonard Susskind, nie ma uznania dla filozoficznych kryteriów demarkacyjnych, gdyż według niego metoda naukowa nie jest abstrakcyjnym zbiorem zasad dyktowanych przez filozofów, lecz jest warunkowana i określana przez samą naukę. Jednak inni naukowcy skłonni są zaakceptować roszczenia filozofii. Na przykład amerykański fizyk Robert Ehrlich uważa, że decyzje dotyczące tego, co stanowi uzasadnioną teorię naukową, są po prostu zbyt ważne, aby pozostawić je osobom praktykującym tę dziedzinę, które w oczywisty sposób mają w tym swoje żywotne interesy.

W moim przekonaniu, mimo że nie istnieje niezmienna definicja nauki, istnieją pewne standardy oceny, które są względnie stabilne i podzielane przez praktycznie wszystkich naukowców zajmujących się fizyką. Są one rezultatem długiego historycznego i społecznego procesu. Stopniowo ulegały zmianie i prawdopodobnie nadal będą się zmieniać. Jednak większość fizyków traktuje sprawdzalność/testowalność empiryczną jako niezbędny warunek traktowania danej teorii jako naukową. Tak więc nawet zwolennicy nowatorskich i nieprawdopodobnych koncepcji współczesnej fizyki teoretycznej koniec końców przytaczają argument apelujący do zaufania, wiary w postęp teoretyczny i technologiczny: Dajcie nam i naszym koncepcjom więcej czasu, a podamy sposoby ich testowania empirycznego.

Wydaje się, że takie postawienie sprawy jest zasadne, bowiem często w historii fizyki zdarzały się sytuacje, gdy teoria wyprzedziła empirię, przewidując istnienie czegoś, co dopiero z czasem zostało potwierdzone eksperymentalnie. Jednak należy sobie zdać sprawę z tego, co dla „postempirycznych” fizyków będzie ewentualnym potwierdzeniem empirycznym. Otóż mają oni na myśli pewne procedury szacowania prawdopodobieństwa określonych hipotez w świetle pewnych „poszlak” empirycznych. Wyliczanie prawdopodobieństw określonych możliwości zaistnień stanów wyliczonych teoretycznie (czytaj: matematycznie) odwołuje się (znowu) do matematyki.

Rys. 1. Teoria strun: 1) poziom makrociał, 2) poziom molekuł, 3) poziom atomów (jądro składające się z protonów i neutronów + krążące elektrony), 4) poziom krążących wokół jądra elektronów, 5) struktura protonów czy neutronów (składających się z kwarków), 6) postulowany poziom najniższy (hipotetyczne struny) Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Teoria strun

Rys. 2. Wieloświat