Nowe Teorie Wszystkiego. W poszukiwaniu ostatecznego wyjaśnienia ebook

DLA ROGERA

Który wciąż wierzy, że zawsze powinno być

coś raczej niż nic

Jestem bardzo zainteresowany wszechświatem – specjalizuję się we wszechświecie i wszystkim, co go otacza.

Peter Cook

Przedmowa do wydania drugiego

Z przyjemnością skorzystałem z okazji, aby przygotować nowe wydanie Teorii Wszystkiego. Zainteresowanie tym tematem wciąż trwa niezachwianie od czasu moich pierwszych prób wyjaśnienia jego zakresu i ograniczeń oraz umieszczenia ich w szerszym kontekście kulturowym niż tylko w ramach fizyki matematycznej. W poszukiwaniu ostatecznej teorii strun pojawiło się wiele nowych możliwości, a kosmologia podążyła nieoczekiwaną ścieżką w świat zamieszkany przez wiele innych możliwych wszechświatów. Obydwa te wydarzenia podważyły naiwne oczekiwanie, że Teoria Wszystkiego w sposób unikatowy i całkowity określi wszelkie definiujące wartości we wszechświecie, które sprawiają, że możliwe jest istnienie w nim życia. Jeszcze długa droga przed nami, zanim fizycy stworzą i jednoznacznie przetestują Teorię Wszystkiego. W międzyczasie mam nadzieję, że niniejszy rozszerzony przegląd najnowszych odkryć skieruje czytelników w odpowiednią stronę i oświetli im drogę.

John D. Barrow

Przedmowa do wydania pierwszego

„Wszystko” to rozległy przedmiot. Mimo to współcześni naukowcy wierzą, że natknęli się na klucz, który otworzy przed nimi matematyczny sekret leżący w samym sercu wszechświata – odkrycie, które wskaże im drogę do monumentalnej „Teorii Wszystkiego”, łączącej wszelkie prawa natury w jedno wyrażenie, odkrywające nieuchronność wszystkiego, co było, jest i będzie w świecie fizycznym. Tego rodzaju marzenia nie są niczym nowym; Einstein zmarnował drugą część swojego życia na bezowocne i samotne poszukiwania właśnie takiej Teorii Wszystkiego. Dzisiaj jednak takie plany można znaleźć nie tylko na biurkach kilku szalonych myślicieli i nieskrępowanych miłośników spekulacji – zagościły one w głównym nurcie fizyki teoretycznej i pracuje nad nimi rosnąca populacja najmądrzejszych na świecie młodych umysłów. Taki obrót sprawy rodzi wiele głębokich pytań. Czy ich misja może zakończyć się sukcesem? Czy nasza wiedza o logice leżącej u podstaw rzeczywistości fizycznej może osiągnąć kres? Czy przewidujemy dzień, w którym poznamy już wszystkie fundamentalne prawa fizyki i do odkrycia pozostaną jedynie złożone szczegóły tych praw? Czy to naprawdę jest nowa granica abstrakcyjnej myśli?

Niniejsza książka stanowi próbę opisania wyzwania, jakie faktycznie stoi przed Teoriami Wszystkiego – wyróżnienia tych aspektów rzeczy, które musimy poznać, zanim będziemy mieli prawo twierdzić, że je rozumiemy. Spróbujemy także wykazać, że choć Teorie Wszystkiego, jak je obecnie pojmujemy, mogą okazać się niezbędne, jeżeli mamy zrozumieć otaczający nas i znajdujący się w nas wszechświat, to wciąż daleko im do tego, aby były wystarczające. Przedstawimy czytelnikom te dodatkowe składniki, których potrzebujemy, aby całkowicie poznać to, co jest, a robiąc to, chcielibyśmy zaprezentować wiele nowych pomysłów i spekulacji, które przenikają tradycyjne myślenie o zakresie i strukturze badań naukowych.

Wiele osób przyczyniło się do powstania tej książki. Senat Uniwersytetu w Glasgow zaprosił autora do wygłoszenia serii wykładów Gifforda w styczniu 1988 roku, a niniejsza praca stanowi rozszerzenie zawartości niektórych z nich. W szczególności chciałbym podziękować Neilowi Spurwayowi za jego pomoc we wszystkim, co związane było z tymi wykładami. Za celne i niecelne komentarze oraz dyskusje, które pomogły mi podczas pisania tej książki, jestem wdzięczny wielu osobom – należą do nich: David Bailin, Margaret Boden, Danko Bosanac, Gregory Chaitin, Paul Davies, Bernard d’Espagnat, Jeffrey Friedman, Michael Green, Chris Isham, John Manger, Bill McCrea, Leon Mestel, John Polkinghorne, Aaron Sloman, John Maynard Smith, Neil Spurway, Euan Squires, Rene Thom, Frank Tipler, John Wheeler, Denys Wilkinson, Peter Williams i Tom Willmore.

Pisanie książki może być trudnym zajęciem nie tylko dla autora, ale także dla osób w jego bezpośrednim otoczeniu. Najbardziej wnikliwą refleksją dotyczącą tej sytuacji podzielił się ze mną nieżyjący już sir Peter Medaway. Jest ona adekwatna do czynności podejmowanych nie tylko przez autorów, ale także maniaków innego rodzaju: „to działanie, które sprawia, że taka osoba staje się nieludzka, samolubnie strzeże każdej sekundy swojego czasu i przestaje zwracać uwagę na relacje międzyludzkie; szybko dochodzi do wniosku, że każdy, kto użył trzech słów, gdy wystarczyłyby dwa, jest nudziarzem, nieznośnie rozwlekającym swoje wypowiedzi, którego towarzystwa należy zawsze unikać. Znakiem ostrzegawczym, który rozpoznają od razu inni maniacy, jest tendencja do uznania, że najszczęśliwsze momenty twojego życia to te, w których okazuje się, że ktoś, kto miał się z tobą spotkać, niestety nie może się pojawić”. Z uwagi na niebezpieczeństwo takich zaburzeń członkom rodziny należą się szczególne podziękowania za cierpliwość i wyrozumiałość w obliczu mych częstych zaniechań. Elizabeth bezustannie na niezliczone sposoby okazywała mi wsparcie; bez niego prace nad tą książką nigdy nawet by się nie zaczęły. W końcu nasze dzieci, David, Roger i Louise, wykazały żywe i niepokojące zainteresowanie postępem tworzenia manuskryptu, bez czego książka bez wątpienia powstałaby dwa razy szybciej.

John D. Barrow

Rozdział 1

Ostateczne wyjaśnienie

Jeszcze muszę zobaczyć jakikolwiek problem, który, gdy na niego spojrzeć w odpowiedni sposób, nie wyda się jeszcze bardziej skomplikowany[1].

Poul Anderson

Osiem sposobów

Nadzwyczajne mi się to wydawało: znać przyczyny wszystkiego: dlaczego powstaje wszystko i czemu istnieć przestaje, i przez co istnieje[2].

Sokrates

Jak, kiedy i dlaczego powstał wszechświat? Takie ostateczne pytania są niemodne już od stuleci. Naukowcy woleli ich nie ruszać; teologowie i filozofowie także. Nagle jednak naukowcy zaczęli zadawać takie pytania z całą powagą, a teologowie odkrywają, że ktoś ich uprzedził i rozważania te ubrał w karby języka matematyki zrozumiałego dla nowego pokolenia naukowców. O ironio, niewielu teologów ma odpowiednią wiedzę z zakresu fizyki, pozwalającą zrozumieć szczegóły, natomiast niewielu fizyków odpowiednio wysoko ceni szersze spojrzenie, które umożliwia nawiązanie owocnego dialogu. Teologowie uważają, że znają pytania, ale nie potrafią zrozumieć odpowiedzi. Fizycy uważają, że znają odpowiedzi, ale nie znają pytań. Optymista mógłby zatem postrzegać dialog jako drogę do oświecenia, natomiast pesymista może zakładać, że wynikiem będzie stan, w którym nie znamy ani pytań, ani odpowiedzi.

Współcześni fizycy uważają, że znaleźli klucz prowadzący do matematycznej tajemnicy w samym sercu wszechświata – odkrycie wskazujące na „Teorię Wszystkiego”, jeden, obejmujący wszystko obraz praw natury, z którego bezsprzecznie i logicznie pochodzić musi nieuchronność wszystkiego. Będąc w posiadaniu takiego kosmicznego Kamienia z Rosetty, moglibyśmy czytać Księgę Natury we wszystkich czasach: moglibyśmy zrozumieć wszystko, co było, jest i dopiero będzie. O takiej wizji zawsze spekulowano, ale nigdy nie było co do niej pewności. Czy ta pewność, którą mamy teraz, też nie jest błędem? To jedno z pytań, na które czytelnik będzie w stanie odpowiedzieć, przewracając ostatnią stronę tej książki. Naszym celem jest przedstawienie różnych składników, które muszą być zawarte w dowolnej naukowej teorii opisującej wszechświat, w jakim żyjemy. Okaże się, że są one bardziej różnorodne i mgliste, niż wyobrażają sobie zwolennicy Teorii Wszystkiego. Oczywiście musimy być bardzo rozważni, korzystając z tak naładowanych terminów jak „wszystko”. Czy naprawdę oznacza on wszystko: dzieła Szekspira, Tadż Mahal czy Monę Lisę? Nie, nie oznacza. Sposób, w jaki takie konkretne elementy świata wpasowują się w ogólny schemat rzeczy, omówimy w pewnym zakresie na kolejnych stronach. Jest to kluczowe rozróżnienie, którego musimy dokonać w naszym podejściu do badania natury. Możemy wszak chcieć się dowiedzieć, czy istnieją elementy, których nie można wtłaczać w matematyczny opis świata nauki. Zobaczymy, że takie rzeczy faktycznie istnieją, i postaramy się wytłumaczyć, w jaki sposób można je odróżnić od dających się skategoryzować i przewidywalnych składników świata naukowego, które będą zamieszkiwać każdą Teorię Wszystkiego.

Przegląd ostatnich tysiącleci ludzkich osiągnięć pozwala stwierdzić, jak wiele osiągnięto w ciągu ostatnich trzystu lat, od czasu gdy Newton wprawił w ruch skuteczną matematyzację natury. Odkryliśmy, że świat jest zadziwiająco przystosowany do prostego opisu matematycznego. Natychmiast zaskakuje nas fakt, że świat można opisać za pomocą matematyki; ale to, że można go opisać za pomocą prostej matematyki, którą da się poznać w ciągu kilku lat intensywnej nauki, jest tajemnicą wewnątrz tajemnicy.

Istnieje kilka rodzajów reakcji na ten stan rzeczy. Moglibyśmy postrzegać rewolucję newtonowską jako odkrycie klucza, który otwiera drzwi tym szybciej, im częściej się z niego korzysta. I choć tempo odkryć dramatycznie wzrosło w ostatnich czasach, będzie wzrastało nadal. Nasze obecne tempo odkrywania prawd dotyczących pozornie fundamentalnych kwestii niekoniecznie musi oznaczać, że zbliżamy się do punktu, w którym odnajdziemy wszystkie skarby. Proces odkrywania może postępować bez końca – albo dlatego że złożoność natury naprawdę nie ma dna, albo ponieważ wybraliśmy ścieżkę jej opisywania, która choć jest tak dokładna, jak chcemy, to jednak w najlepszym wypadku jest jedynie jej asymptotycznym przybliżeniem, wymagającym – aby pozwolić na dokładne odtworzenie rzeczywistości – wręcz nieskończonej liczby poprawek. Bardziej pesymistycznie, nasze ludzkie ramy i ich bogata przeszłość ewolucyjna mogą nakładać rzeczywiste ograniczenia na idee, które jesteśmy w stanie pojąć. Dlaczego nasze procesy poznawcze miałyby przystosować się do tak osobliwego wyzwania, jakim jest zrozumienie całego wszechświata? Czy bardziej prawdopodobny nie jest wszechświat, cytując Haldane’a, „bardziej dziwny, niż kiedykolwiek będziemy w stanie dostrzec”? Niezależnie od naszych własnych spekulacji dotyczących naszego miejsca w historii odkryć naukowych, z pewnością z iście kopernikańskim sceptycyzmem należy postrzegać wszelkie poglądy mówiące, że nasze zdolności umysłowe powinny być wystarczające do zrozumienia natury na jej najgłębszym poziomie. Dlaczego to właśnie my mielibyśmy być do tego zdolni? Żadna z subtelnych idei nie daje żadnej szczególnej przewagi adaptacyjnej w okresie naszej ewolucji poprzedzającej świadomość. Z drugiej strony, możemy przyjąć optymistyczne założenie, że nasz niedawny sukces wskazuje na złotą erę odkryć, która będzie zbliżała się do końca we wczesnych latach przyszłego stulecia. Tym samym fundamentalna nauka będzie mniej więcej kompletna. Oczywiście nadal pozostanie jeszcze wiele do odkrycia, ale będzie to kwestia szczegółów, stosowania znanych zasad, wygładzania, eleganckiego precyzowania formuł czy metafizycznych rozważań. Historycy nauki będą spoglądali na ten okres i sąsiadujące z nim stulecia jako na czas, w którym odkryliśmy prawa natury.

Kiedyś już tak było. Być może istnieje jakieś psychologiczne pragnienie udanego zakończenia zadania za każdym razem, gdy zbliża się koniec stulecia. Pod koniec ubiegłego wieku[3] wiele osób miało wrażenie, że poznaliśmy już prawie całą naukę. Pruskie biuro patentowe zostało zamknięte, ponieważ uważano, że już wszystko zostało wynalezione. Jednak prace prowadzone przez młodszego urzędnika w innym biurze patentowym w Bernie zmieniły ten stan rzeczy i otworzyły nowe perspektywy przed fizyką XX wieku.

Czy możemy liczyć na ostateczne wyjaśnienie wszechświata? Czy istnieje Teoria Wszystkiego – i co mogłaby ona nam powiedzieć? Co w ogóle taka teoria miałaby obejmować? Z samej natury nie da się odróżnić końca badań naukowych od ich początku. Nie jesteśmy w stanie stwierdzić, ile z tego, co aktualnie bardzo niechętnie nazywamy nauką, będzie musiało być zawarte w takim uwzględniającym wszystko obrazie świata. Historia daje nam kilka dobrych lekcji w tej kwestii. Dzisiaj fizycy przyjmują atomistyczny punkt widzenia, mówiący, że obiekty materialne są u swoich podstaw zbudowane z identycznych cząstek elementarnych, co zresztą wspierają dowody. Naucza się tego na każdym uniwersytecie na świecie. Ale taka teoria fizyki ma swoje początki wśród wczesnych Greków jako filozoficzna czy nawet mistyczna religia bez żadnych wspierających ją dowodów obserwacyjnych. Musiały minąć tysiące lat, abyśmy posiedli umiejętności poszukiwania takich dowodów. Atomizm rozpoczął swoje życie jako idea filozoficzna, która nie oparłaby się praktycznie żadnemu współczesnemu testowi na to, co powinno się postrzegać jako „naukę”, a mimo to z czasem stał się kamieniem węgielnym nauk fizycznych. Można zatem podejrzewać, że istnieją idee o równie podważalnym statusie według obecnych standardów, które w przyszłości zajmą swoje miejsce pośród akceptowanego „naukowego” obrazu rzeczywistości.

W kolejnych rozdziałach przyjrzymy się tym poszukiwaniom ostatecznej teorii oraz poznamy jej dawnych i współczesnych poprzedników. Podkreślimy, w przeciwieństwie do wielu innych komentatorów, że choć znajomość takiej Teorii Wszystkiego, jeżeli ona istnieje, jest niezbędna do zrozumienia otaczającego nas fizycznego wszechświata, to nie jest wystarczająca do osiągnięcia tego celu. Potrzeba także innych kluczowych składników. Bez nich nasza wiedza zawsze pozostanie niepełna i częściowa, a nasze poszukiwania ostatecznego wytłumaczenia nie zostaną zakończone. Zobaczymy, jak na nasze rozumienie wszechświata wpływa osiem kluczowych składników:

• prawa natury,

• warunki początkowe,

• tożsamość sił i cząstek,

• stałe natury,

• łamanie symetrii,

• zasady organizujące,

• błędy selekcji,

• kategorie myślenia.

Budując naszą opowieść, dokładniej przyjrzymy się naturze i wkładowi tych składników w poszukiwanie ostatecznego wyjaśnienia. Autor naiwnie wierzy, że niektóre z idei, jakie napotkamy po drodze, mogą być interesujące nie tylko dlatego, że wspierają ostrożne podejście do prawdopodobnego zakresu dowolnej Teorii Wszystkiego. Zanim jednak rozpoczniemy tę ośmiotorową drogę, zacznijmy od samego początku i spójrzmy na pierwsze Teorie Wszystkiego oraz na to, w jaki sposób stojące za nimi motywacje dojrzały i przekształciły się w dwudziestopierwszowieczne próby poznania prawdziwej natury rzeczy.

Mity

Gdy byłem dzieckiem, mówiłem jak dziecko, czułem jak dziecko, myślałem jak dziecko. Kiedy zaś stałem się mężem, wyzbyłem się tego, co dziecięce.

św. Paweł

Gdy zagłębiamy się w starożytne mitologiczne opisy początków świata i sytuację jego mieszkańców, przytłacza nas wrażenie natknięcia się na Teorię Wszystkiego. Wszędzie wokół znajdujemy pełnię, pewność i wiarygodność. Jest tam miejsce na wszystko, a wszystko jest na właściwym miejscu. Nic się nie dzieje przypadkowo. Nie ma żadnych luk czy niepewności. Nie ma miejsca na postęp; nie ma miejsca na wątpliwości. Wszystko wplecione jest w tkaninę znaczeń spętaną sznurami pewności. Bez wątpienia takie właśnie były pierwsze Teorie Wszystkiego.

Termin „mit” w powszechnym języku angielskim przyjął znaczenie, które skrywa jego prawdziwy sens. Jest to słowo dość obraźliwe. Nazwać coś „mitem”, określić zapewnienia polityka „mitycznymi” – to w żargonie dziennikarskim po prostu stwierdzić, że są one fałszywe lub niewiarygodne. Alternatywnie można także wrzucić mity do worka z legendami, bajkami i wszelkiego rodzaju literaturą fantastyczną. Jednak robiąc tak, pomijamy tę warstwę znaczeniową, która jest kluczowa w naszych badaniach. Mit to opowieść przepojona znaczeniem. Wiadomość w niej zawarta przenika naiwne środki opowieści i pozwala słuchaczowi zrozumieć, dlaczego rzeczy są takimi, jakimi są. Badając mity konkretnej kultury, nie dowiemy się niczego szczególnie interesującego o początkach wszechświata lub ludzkości w sposób, w jaki odbierał je pierwotny słuchacz; raczej docenimy, w jaki sposób definiują one zewnętrzne granice wyobraźni ich autorów. Przedstawiają one to, o czym myśleli ich autorzy, jak daleko śledzili te elementy, które uważali za istotne na tyle, aby warto było je wytłumaczyć, oraz w jakim zakresie postrzegali świat jako jedność. W momencie gdy zaczynamy pytać o znaczenie pojedynczych szczegółów tych mitów, wykraczamy poza umysł pierwotnych słuchaczy. To tak, jakbyśmy pytali o znaczenie Czerwonego Kapturka. Żaden przedszkolak nie zadawałby takich pytań: gdyby tak zrobił, to nie jest już dzieckiem. Podobnie do bajek, mity niosą treść na wielu poziomach nieświadomości. Zbyt precyzyjna analiza ich przesłania i znaczenia usunęłaby tę wielowarstwowość i zmniejszyła liczbę słuchaczy, na których mogłyby wpłynąć zawarte w niej informacje. Mity nie powstają z danych ani jako rozwiązania dla problemów praktycznych. Powstają jako swego rodzaju antidotum na podejrzenia małości i braku znaczenia ludzkości w obliczu rzeczy, których nie może ona zrozumieć.

Nasze współczesne próby wytłumaczenia wszystkiego jakimś obejmującym całość naukowym obrazem różnią się w pewnych subtelnych aspektach od starożytnych wyjaśnień spekulacyjnych. Dla starożytnych to sam ich zakres był wyznacznikiem sukcesu ich Teorii Wszystkiego. Dla nas liczą się tak zakres, jak głębia. Jeżeli uznamy, że jesteśmy w stanie wytłumaczyć wszystko, co znajduje się na świecie, za pomocą systemu myślowego, według którego cały wszechświat powstał sto lat temu, z jego wszystkimi złożonymi składnikami już gotowymi, choć noszącymi wszelkie cechy istnienia od tysięcy lat, to faktycznie nasza teoria ma duży zakres, ale jednak nie posiada żadnej głębi. Nie jesteśmy w stanie wyciągnąć z naszej teorii nic poza tym, co w nią włożyliśmy. Właśnie taka teoria, podobna do tej powyżej, rzeczywiście rozważana była w XIX wieku przez Philipa Gosse’a, który próbował pogodzić sprzeczność między zawartymi w skamielinach dowodami sędziwego wieku Ziemi a powszechnym przekonaniem o szczególnym procesie stworzenia, który miał miejsce zaledwie kilka tysięcy lat temu. Gosse twierdził, że skały powstały już ze skamielinami, dowodząc (fałszywie) istnienia wcześniejszych generacji ewolucji. W przeciwieństwie do niej głęboka teoria to taka, która jest w stanie zapewnić wyjaśnienie szerokiej palety zjawisk przy minimalnym wkładzie we wnioski dużej liczby założeń wejściowych. Głębię konkretnej konsekwencji można scharakteryzować wysiłkiem włożonym w stworzenie najkrótszego łańcucha logicznego rozumowania od założeń do wniosków: ilość zbędnego ciepła, które komputer musi wytworzyć w procesie obliczania odpowiedzi od podstaw.

Słabości mitologicznych Teorii Wszystkiego odgrywały kluczową rolę w ich strukturze i ewolucji. Jeżeli posiadamy słabe wytłumaczenie, to nie ma ona prawdziwej zdolności tłumaczenia czegokolwiek. W rezultacie każdy nowy fakt wymaga nowego składnika teorii, za pomocą którego można go wpleść w istniejący już obraz. Doskonale to widać w mnożeniu się bóstw w najstarszych kulturach. Za każdym razem, gdy kończy się krótki ciąg wyjaśnień („Dlaczego pada deszcz?” – „Ponieważ bóg deszczu płacze”), kończy się on właśnie na bóstwie. Przy każdej próbie ostatecznego wytłumaczenia – niezależnie, czy mitologicznego, czy matematycznego – mamy do czynienia z psychologicznie akceptowalnymi granicami. W większości mitologicznych opowieści wprowadzenie nadzorującego bóstwa stanowi akceptowalny koniec dla kolejnych pytań „dlaczego?”. Im bardziej arbitralne i rozbieżne wyjaśnienia zjawisk naturalnych posiadasz, tym więcej bóstw będziesz tworzył.

Pierwotnie mity musiały być proste i skupione na pojedynczych pytaniach. Z czasem stały się one zawiłe i niespójne, ograniczone tylko prawami form poetyckich. Nowa fantazja, nowy bóg: można je po kolei wplatać w obraz świata. Nie istniało poczucie konieczności ekonomii w mnożeniu arbitralnych powodów i wyjaśnień. Liczyło się tylko to, że pasowały do siebie w jakiś sposób. Dzisiaj takie wyjaśnienia nie są akceptowalne. Ostateczne wyjaśnienie nie oznacza już tylko historii obejmującej wszystko.

Masowe mnożenie bóstw prowadzi także do innych problemów. Prowadzi ono nieuchronnie do konfliktu różnych praw obecnych w świecie naturalnym. Obraz praw naturalnych nałożonych na świat przez Istotę Wyższą tak łatwo nie powstaje. Nawet jeżeli spojrzymy na stosunkowo wyrafinowaną społeczność greckich bóstw, nie znajdziemy żadnego wyraźnego wszechmocnego kosmicznego prawodawcy. O zdarzeniach decydują negocjacje, podstępy lub kłótnie, a nie wszechwładne dekrety. Tworzenie jest dziełem prac komitetu, a nie odgórnej decyzji. Ostatecznie każde zapytanie skierowane do takiego zmiennego zbioru przyczyn początkowych prowadzi do mnożenia się wyjaśnień ad hoc, źródła zbędnej złożoności, która będzie wymagała dalszego namnażania bytów w przyszłości. Nie ma tutaj żadnej możliwej drogi ku prostocie. Łącząc przyczyny, poszukując zawsze spójności w obliczu powierzchownej różnorodności, współczesne wyjaśnienia naukowe wyżej cenią głębię niż zakres. Głęboka a wąska teoria może, a często jej się to udaje, stać się głęboką i szeroką. Szeroka a płytka teoria nigdy tego nie dokona.

Nie jest jasne, jak powinniśmy postrzegać twórców pierwszych mitologicznych Teorii Wszystkiego. Jeżeli założymy, że byli realistami, to ich opis świata okaże się błędny albo wręcz głupi. Aczkolwiek, choć większość z ich słuchaczy bez wątpienia przyjmowała ich opowieści dosłownie – nawet dzisiaj wielu ludzi podziela podobne poglądy – byli także ci, którzy uważali je za reprezentacje pewnych nieosiągalnych prawd, jak i cynicy, którzy postrzegali je jako przydatne bajki lub narzędzia do utrzymywania społecznego status quo.

Zanim odstawimy twórców mitów i ich cele do miazmatycznych otchłani przeszłości, powinniśmy przypomnieć sobie, w jaki sposób potrzeba kompletności wyjaśnienia ewoluowała na przestrzeni wieków. Najwyraźniejszy dowód tego znajdziemy w średniowieczu z jego powszechną chęcią kodyfikowania i porządkowania wszystkiego, co wiemy i czego możemy kiedykolwiek dowiedzieć się o Niebie i Ziemi. Wielkie systemy, takie jak Suma teologiczna św. Tomasza z Akwinu czy Boska komedia Dantego, próbowały zunifikować całą istniejącą wiedzę w skomplikowaną jedność. Wszystko miało swoje miejsce, wszystko miało znaczenie. Jak zauważa C.S. Lewis, wszystko to było nieco zbyt krępujące:

Ludzka wyobraźnia rzadko kiedy stała przed obiektem tak wyrafinowanie uporządkowanym jak średniowieczny kosmos. Jeżeli ma on jakieś estetyczne braki, to tylko dla nas, znających romantyzm, może się on wydawać trochę za bardzo uporządkowany. Przy wszystkich swoich rozległych przestrzeniach może w końcu wydać się nam klaustrofobiczny. Czy nigdzie nie istnieje choć trochę niepewności? Żadnych nieodkrytych niepewności? Żadnych odcieni? Czy naprawdę nigdy nie będziemy mogli z niego wyjść?

I tak jak prymitywne ludy odkryły, że jedność i kompletność prowadzi do rozległej i nieokrzesanej sieci niewygodnych aliansów niezbędnych, aby wszystko mogło znaleźć swoje miejsce, tak dominujący w średniowieczu plan poukładania całej wiedzy w Teorię Wszystkiego okazał się niewyobrażalnie skomplikowany. Tam, gdzie prymitywny umysł podejmował wyzwanie kompletności za pomocą wyobraźni i natykał się na problem dopasowania do niej wszystkich jej wytworów, tam średniowieczny umysł bazował na swoim szacunku dla istniejących ksiąg i autorytetów, postrzegając odziedziczone spisane słowa starożytnych filozofów z tym samym ostatecznym autorytetem, jaki współcześni fizycy rezerwują dla dowodów eksperymentalnych. Jednak sama objętość prac tych spisanych autorytetów sprawiała, że jakakolwiek unifikacja ich filozoficznych przemyśleń była potężnym przedsięwzięciem. Wiek XX także nie jest wolny od takich pragnień. Wystarczy spojrzeć na problemy, które pojawiły się podczas poszukiwania definicji i znaczenia matematyki na przełomie wieków. Formaliści chcieli ochronić matematykę przed paradoksem, uznając ją za zamkniętą całość: definiowali ją jako sumę całkowitą wszystkich logicznych wniosków określoną przy wykorzystaniu wszystkich możliwych zasad wnioskowania ze wszystkich możliwych założeń początkowych. Jak zobaczymy dalej, ta próba spętania wszystkich możliwych matematycznych konsekwencji okazała się niemożliwa do wykonania. Pragnienie kompletności nie mogło zrealizować się nawet tutaj, w najbardziej sformalizowanym i kontrolowanym ludzkim imperium wiedzy. Te współczesne dążenia do kompletności rozwijały się wspólnie z poszukiwaniami zunifikowanego obrazu świata. Tam, gdzie starożytni z przyjemnością tworzyli wiele pośrednich bóstw, z których każde służyło do wytłumaczenia początków poszczególnych rzeczy, a jednocześnie mogło być skonfliktowane z innymi, tam wielkie monoteistyczne religie pozostawiły po sobie dziedzictwo oczekiwania jednego, obejmującego wszystko wyjaśnienia całego wszechświata. Jedność wszechświata jest głęboko zakorzenionym oczekiwaniem. Opis wszechświata, który nie był spójny co do trybu opisywania, ale podzielony na fragmenty, nakazywałby naszym umysłom poszukiwać kolejnej zasady, która łączyłaby je u wspólnego źródła. Ponownie widzimy, że ta motywacja jest praktycznie religijna. Nie ma żadnego logicznego powodu, dla którego wszechświat nie powinien zawierać niewymiernych lub arbitralnych elementów niezwiązanych z całą resztą.

Mity o stworzeniu

Koniecznie trzeba zauważyć, że w odniesieniu do jedności i spójności mityczne wyjaśnienie idzie znacznie dalej niż wyjaśnienie naukowe. Podstawowym celem nauki nie jest bowiem poszukiwanie kompletnego i ostatecznego wyjaśnienia wszechświata... Nauce wystarczają częściowe i warunkowe odpowiedzi. Czy to w magii, mitach, czy religii, wszystkie systemy wymagają, aby wyjaśnienie obejmowało wszystko. Stosuje się ono do wszystkich dziedzin. Odpowiada na wszystkie pytania. Dotyczy początku, teraźniejszości, a nawet ewolucji wszechświata.

Francois Jacob

Jesteśmy tak przyzwyczajeni do mitów i naukowych wyjaśnień wszystkiego, co nas otacza, że nie jest dla nas łatwym zadaniem wczuć się w prehistoryczny umysł, który istniał, zanim takie abstrakcje stały się powszechne. Możemy pomyśleć, że alternatywą było po prostu poleganie na rozsądku czy wzroku, czy też na wierze w jakieś niewidzialne osoby bądź duchy. Ale to fałszywa dychotomia. Na tak prymitywnym etapie poszukiwanie jakichkolwiek paralel między naszymi myślami a rzeczami istniejącymi w zewnętrznym świecie jest sprawą wiary. Bynajmniej w żaden sposób nie było oczywiste, że wielkie siły naturalnego świata podlegają dyskusji i wyjaśnieniom, nie mówiąc już o ich przewidywaniu. W rzeczy samej ich działanie potrafi być tak fantastyczne i niszczące, że wiele z nich może wydawać się wrogiem lub, co jeszcze gorsze, nieracjonalną siłą chaosu i ciemności.

Dopiero gdy zdejmiemy klapki z oczu, możemy zabrać się do idei, które powstały, aby wyjaśnić pochodzenie świata w mitologii i tradycjach każdej kultury. Opowieści te często przedstawia się jako poglądy starożytnych, sprzed czasów naukowych, które miałyby być prekursorem jakiejś obecnie uznawanej teorii, takiej jak powstanie wszechświata z niczego lub jego nieskończony wiek. Nie powinniśmy jednak zbyt poważnie podchodzić do takiego zestawiania starożytnych idei ze współczesnymi. To tylko zniekształcone spojrzenie na przeszłość, które jest istotne jedynie wtedy, gdy przepowiada nasz obecny sposób myślenia.

Starożytna kosmologia nie była naukowa. Jej racją bytu nie było ani tłumaczenie obserwacji, ani przewidywanie czegokolwiek. Służyła raczej do utkania tkaniny znaczeń, w której autorzy mogli przedstawić siebie i w odniesieniu do niej opisać status tego, co nieznane i tajemnicze. Organizacja ich lokalnej społeczności może być uzasadniona i wzmocniona, gdy będzie współmierna z opowieścią o początku i formie świata. Wyrazistość kontrastu między ich celami a naszymi została idealnie uchwycona przez Frances Yates:

Podstawowa różnica między nastawieniem magika a naukowca do świata jest taka, że ten pierwszy chce wchłonąć świat w siebie, podczas gdy naukowiec robi dokładnie odwrotnie: uzewnętrznia i pozbawia wszechświat osobowości, kierując swoją wolę dokładnie w przeciwnym kierunku.

Prymitywna wiara w porządek oraz ciąg przyczyn i skutków przedstawiana w mitach zgadza się z wiarą, że musi istnieć jakiś powód istnienia wszystkiego – powód, który nadaje sens naturalnym siłom trzymającym władzę nad życiem i śmiercią. Jeżeli pogląd na naturę obejmuje personifikację sił naturalnych, to poszukiwanie rozsądku ogranicza się do przypisania winy. Takie uogólnione założenia prowadzą do powstania unikatowego zbioru idei mówiącej, jak powstał wszechświat. Jeżeli jednak przejrzymy wszystkie znane mity opisujące pochodzenie wszechświata, to okazuje się, że mamy do czynienia z zaskakująco niewielkim zbiorem idei kosmogonicznych. Raczej rzadko i nieco niejasno znajdujemy w nich wiarę w powstanie świata z niczego, a znacznie częściej wiarę w odtworzenie świata z istniejącego wcześniej chaosu. Często wystarczy, aby opowieść tłumaczyła uporządkowany świat, jaki możemy obserwować obecnie. Idea tłumaczenia jakiegoś wcześniej istniejącego stanu, z którego wyłonił się świat, jest niepotrzebna. Niektórzy bowiem uważają, że takie próby mogą prowadzić w ślepą uliczkę. Od czasu do czasu odkrywamy ideę cyklicznego powtarzania się historii, bazującą na dobowych i rocznych zmianach świata naturalnego, lub – bardziej odważnie – ideę świata bez żadnego początku. Gdzie indziej znowu napotykamy barwne opisy tego, jak świat wykluł się z „kosmicznego jaja” lub pojawił się jako potomstwo dwojga światów-rodziców. W podobnej konwencji napotykamy zbiór tradycji, w których świat wyłonił się z jakiegoś pierwotnego łona lub został wyłowiony z pierwotnych wód chaosu przez dzielnego nurka. W końcu istnieje schemat mitów, w których przyjmuje się istnienie tytana zaangażowanego w katastrofalną walkę z siłami chaosu i ciemności. Z bohaterskiego zwycięstwa światła nad ciemnością rodzi się nasz własny Kosmos.

Wszystkie te formuły radzenia sobie z istnieniem świata bez problemu ustalają jakąś przyczynę początkową, przed którą już nie szukają wyjaśnień. Przyczyna jest prosta w tym względzie, że jest pojedyncza, podczas gdy świat doświadczany jest zdumiewająco mnogi. Takie fantastyczne spekulacje tym się różnią od dowolnego współczesnego naukowego podejścia do początków rzeczy, że poszukują ostatecznego celu, który miałby wyjaśniać, dlaczego i jak powstał wszechświat. Niemniej jednak łączy je ze współczesnymi próbami zrozumienia wszechświata jeden aspekt. Każda ma swój początek w próbie wyjaśnienia wszystkiego, co widzimy wokół nas. Kwestia ta wiedzie nas bezustannie do ostatecznego pytania: jak powstał wszechświat? Dzisiaj prawdziwym celem poszukiwań Teorii Wszystkiego jest nie tylko zrozumienie struktury wszystkich form materii, lecz także próba wykazania, że zarówno istnienie, jak i określona struktura fizycznego wszechświata mogą być zrozumiane, oraz dowiedzenia, czy – mówiąc słowami Einsteina – „Bóg mógł stworzyć Wszechświat na inny sposób, a więc czy konieczność logicznej prostoty pozostawia jakąkolwiek swobodę”.

Ściśliwość algorytmiczna

Irracjonalność jest pierwiastkiem

kwadratowym całego zła.

Douglas Hofstadter

Celem nauki jest poznanie sensu różnorodności natury. Nie opiera się ona wyłącznie na obserwacjach. Obserwacje angażują do zbierania informacji o świecie oraz do testowania przewidywań dotyczących tego, jak świat zareaguje na nowe okoliczności. Jednak między tymi dwiema procedurami znajduje się serce procesu naukowego. To nic więcej jak tylko transformacja listy danych obserwacyjnych w skrótową formę poprzez rozpoznawanie wzorców. Odtworzenie takiego wzorca pozwala na zmianę zawartości informacyjnej obserwowanej sekwencji zdarzeń w skrótową formułę obejmującą tę samą lub niemal tę samą zawartość informacyjną. Wraz z dojrzewaniem metody naukowej staliśmy się świadomi bardziej wyrafinowanych typów wzorców, nowych form symetrii i nowych typów algorytmów, które mogą magicznie skondensować szerokie zasoby danych obserwacyjnych w kompaktowe formuły. Newton odkrył, że wszystkie informacje, jakie może tylko zapisać, dotyczące ruchu ciał na niebie czy na Ziemi można zawrzeć w prostych zasadach, które nazwał „trzema prawami ruchu”, razem z prawem powszechnego ciążenia.

Możemy rozszerzyć ten obraz nauki w sposób pozwalający na jego wyostrzenie. Załóżmy, że przedstawiono nam dowolny ciąg symboli. Nie muszą to być liczby, ale załóżmy do celów ilustracyjnych, że są to liczby. Możemy powiedzieć, że ciąg jest „losowy”, jeżeli nie istnieje żadne inne przedstawienie tego ciągu, które byłoby od niego krótsze. Jednocześnie stwierdzimy, że jest „nielosowy”, jeżeli takie skrócone przedstawienie istnieje. Więc, dla przykładu, jeżeli weźmiemy ciąg 2, 4, 6, 8, ..., i tak dalej ad infinitum, możemy go przedstawić prościej, zauważając, że jest to tylko lista dodatnich liczb parzystych. Wyraźnie jest to ciąg nielosowy. Krótki program komputerowy może polecić maszynie wygenerowanie całego nieskończonego ciągu.

Ogólnie mówiąc, im krótsze możliwe przedstawienie ciągu liczb, tym jest on mniej losowy. Jeżeli nie istnieje skrótowe przedstawienie, ciąg jest losowy w tym sensie, że nie charakteryzuje się żadnym porządkiem, który można byłoby wykorzystać do zakodowania jego zawartości informacyjnej w krótszej wersji. Nie można go przedstawić, nie wypisując w pełni całej jego zawartości. Każdy ciąg symboli, który można przedstawić w skróconej formie, nazywany jest algorytmicznie ściśliwym.

Patrząc z tej strony, definiujemy naukę jako poszukiwanie algorytmicznych ściśliwości. Spisujemy ciąg danych obserwacyjnych, próbujemy sformułować algorytmy, które zwięźle prezentują zawartość informacyjną tych ciągów. Następnie testujemy prawidłowość naszych hipotetycznych skrótów, wykorzystując je do przewidywania kolejnych wyrazów ciągu. Owe przewidywania mogą następnie być porównane z przyszłym kierunkiem ciągu danych. Bez rozwoju algorytmicznych ściśliwości danych cała nauka zamieniłaby się w bezmyślne zbieranie znaczków – chaotyczny zbiór dowolnych faktów. Nauka opiera się na założeniu, że wszechświat jest algorytmicznie ściśliwy, a współczesne poszukiwania Teorii Wszystkiego są ostatecznym skutkiem tego założenia – założenia mówiącego, że istnieje skrócona reprezentacja logiki stojącej za właściwościami wszechświata, która może być zapisana w skończonej formie przez istoty ludzkie.

Powyższa refleksja nad ściśliwością natury kieruje nas w stronę zrozumienia, dlaczego matematyka jest tak przydatna w praktyce. Nasze teorie naukowe zawsze wydawały się opisywane przez matematykę, a fizycy wydają się zainteresowani tylko Teoriami Wszystkiego, które spisane są językiem matematyki. Czy to nam mówi coś istotnego o naturze wszechświata lub naturze matematyki? Najprościej uważać matematykę po prostu za katalog wszystkich możliwych wzorów. Niektóre z tych wzorów są szczególnie atrakcyjne i wykorzystywane do celów dekoracyjnych, inne są wzorami ujawniającymi się w czasie lub w łańcuchach przyczynowo-skutkowych. Niektóre opisywane są wyłącznie wyrazami abstrakcyjnymi, podczas gdy inne ujawniają się na papierze czy w kamieniu. Gdy spojrzymy na wszystko z tej strony, łatwo zauważymy, że nieuchronnie świat opisywany jest matematyką. Nie moglibyśmy istnieć we wszechświecie, w którym nie ma żadnego wzoru ani porządku. Jakiś wzór musi istnieć, a opis tego porządku (i wszystkich innych, które możemy sobie wyobrazić) to właśnie to, co nazywamy matematyką. Tak więc fakt, że matematyka opisuje świat, nie jest tajemnicą, ale wyjątkowa przydatność matematyki już tak. Może być tak, że wzory tworzące świat były wyjątkowo złożone, przez co nie było możliwości opracowania żadnych algorytmów, które byłyby w stanie opisać je w prosty sposób. Taki wszechświat „byłby” matematyczny, ale wtedy matematyka nie byłaby tak niezwykle przydatna w praktyce. Moglibyśmy dowieść różnego typu teorii o „istnieniu” mówiących o tym, jakie struktury istnieją we wszechświecie, ale nie bylibyśmy w stanie przewidzieć szczegółowo przyszłości za pomocą matematyki, tak jak to robią chociażby kontrolerzy misji w NASA. Patrząc na to z tej strony, zauważamy, że wielką tajemnicą matematyki i świata jest fakt, że tak prosta matematyka sięga tak głęboko. Bardzo proste wzory opisane językiem matematyki pozostającej w naszym zasięgu pozwalają nam wytłumaczyć i zrozumieć olbrzymie obszary wszechświata oraz to, co się w nich dzieje. To jeszcze jeden sposób, dzięki któremu widzimy, że wszechświat jest wyjątkowo ściśliwy w algorytmicznym sensie. Znaczącą część jego obserwowanej złożoności można zredukować do obecności bardzo prostych wzorów opisywanych za pomocą krótkich formuł i prostych równań. Na wielu płaszczyznach poszukiwanie Teorii Wszystkiego stanowi przejaw wiary, że taka ściśliwość istnieje na każdym poziomie, aż do samych podstaw rzeczywistości; że ostateczne wzory, które nadają wszechświatowi jego kształt, także będą „proste” w tym sensie, że będziemy w stanie je zrozumieć i odkryć. To poszukiwanie Teorii Wszystkiego opiera się na złożoności naszych umysłów oraz zasięgu naszych technologii wystarczających do zrozumienia i odnalezienia tych ostatecznych wzorów. Tak czy inaczej, najprawdopodobniej okaże się, że nasze możliwości znacznie przewyższają albo są znacznie uboższe od tych wymaganych do tego zadania. Sytuacja, w której jesteśmy dokładnie w stanie zrozumieć ostateczne wzory stojące u podstaw wszechświata za pomocą współczesnej matematyki, ma podejrzanie niekopernikański element – bo dlaczego to my jesteśmy tak dobrze dopasowani do złożoności wszechświata?

Ludzki umysł jest narzędziem, które umożliwia nam skracanie zawartości informacyjnej dotyczącej rzeczywistości. Mózg jest najbardziej wydajnym algorytmicznym kompresorem informacji jak dotąd odkrytym w naturze. Redukuje on złożone ciągi danych sensorycznych do prostych, skróconych form umożliwiających istnienie myśli i pamięci. Naturalne ograniczenia, które natura nakłada na czułość naszych oczu i uszu, zapobiegają przeładowaniu nas informacjami dotyczącymi otaczającego nas świata. Zapewniają one, że mózg otrzymuje odpowiednią ilość informacji, gdy patrzymy na zdjęcie. Gdybyśmy mogli zobaczyć wszystko, aż do skali subatomowej, możliwości przetwarzania informacji naszych mózgów musiałyby być nieprawdopodobnie duże. Prędkość przetwarzania danych musiałaby być znacznie większa niż teraz, aby reakcje naszego ciała zachodziły wystarczająco szybko, by uniknąć niebezpiecznych procesów naturalnych. O tym będziemy w stanie więcej powiedzieć w ostatnim rozdziale naszej opowieści, kiedy omówimy matematyczne aspekty umysłowego przetwarzania danych.

Ten prosty obraz procesu badań naukowych jako poszukiwań algorytmicznej ściśliwości jest kuszący, aczkolwiek także naiwny pod wieloma względami. W kolejnych rozdziałach zobaczymy, dlaczego tak jest, i zbadamy osiem składników, które już wyróżniliśmy jako niezbędne do zrozumienia świata fizycznego – aby wykazać, jaką rolę każdy z nich odgrywa we współczesnych poszukiwaniach obejmującego wszystko obrazu świata. Zaczniemy od najstarszego pojęcia: od praw natury.

Przypisy

[1] O ile nie zaznaczono inaczej, tłumaczenie cytatów – Radosław Kosarzycki [przyp. red.].

[2] Tłum. Władysław Witwicki [przyp. red.].

[3] Pierwsze wydanie Teorii Wszystkiego pochodzi z 1991 roku, natomiast wydanie drugie, zatytułowane Nowe Teorie Wszystkiego i będące podstawą niniejszego tłumaczenia – z 2007 roku [przyp. red.].