Heller_Podgladanie wszechswiata.indd

MICHAŁ
Podglądanie Wszechświata to pasjonująca podróż przez historię fizyki
i współczesną kosmologię. Autor w przystępny i zwięzły sposób przedstawia najważniejsze problemy tych nauk. Prezentuje ogólną i szczególną teorię względności, mechanikę kwantową i teorię superstrun.
Refleksja naukowa łączy się tu z teologiczną – autor stawia pytania
o miejsce człowieka w Kosmosie czy relacje między nauką i religią.
Do książki dołączono nagrania emitowanego w radiu RDN Małopolska
cyklu audycji ks. prof. Michała Hellera Drogami myślących.
Ks. prof. Michał Heller (ur. 1936), fi lozof, teolog, fi zyk kosmolog.
Pracownik Watykańskiego Obserwatorium Astronomicznego oraz Uniwersytetu Papieskiego Jana Pawła II. W 2008 roku otrzymał prestiżową
Nagrodę Templetona.
Cena detal. 37,90 zł
Podglądanie Wszechświata
Podglądanie Wszechświata
Zawiera bezpłatny egzemplarz płyty w formacie MP3
MICHAŁ HELLER
Czy Wszechświat wymaga poprawek? Jak poruszają się gwiazdy?
Czy istnieje życie na Marsie? Co to znaczy, że w próżni są dziury?
KSIĄŻKA
Z PŁYTĄ (MP3)
Ponad 10 godzin wykładów o Wszechświecie i nieskończoności
Michał Heller
PODGLĄDANIE
WSZECHŚWIATA
współpraca
Małgorzata Szczerbińska-Polak
Paweł Polak
W Y DAW NICT WO ZNAK
KR AKÓW 2011
KU WSPÓŁCZESNEJ FIZYCE
Środek Wszechświata czy kosmiczny margines
J
est niemal sloganem, że rewolucja kopernikańska zdegradowała
człowieka, pozbawiając go centralnego położenia we Wszechświecie. To prawda, że właśnie w ten sposób następne pokolenia zrozumiały przesłanie Kopernika, że było to dla nich prawdziwym wstrząsem,
ale z drugiej strony jest to ogromne uproszczenie historii. Ażeby ocenić, czy człowiek został zdetronizowany, pozbawiony swojej centralnej
pozycji, przyjrzyjmy się najpierw, jakie miejsce zajmował w średniowiecznym obrazie Wszechświata.
Każda epoka ma swój obraz Wszechświata. Taki obraz jest zwykle
mieszaniną elementów pochodzących z nauki, i to zwykle bardzo spopularyzowanych, przetworzonych wyobraźnią, elementów potocznych
wyobrażeń, a także literackiej fikcji. Na przykład: w naszym dzisiejszym
obrazie świata jest na pewno znacznie mniej poglądów Einsteina niż
telewizyjnych obrazów. W średniowiecznym obrazie świata – podobnie – też było mniej Ptolemeusza, wybitnego starożytnego astronoma,
mniej astronomicznych epicykli, za pomocą których ówcześni astronomowie wyliczali pozycje planet, a za to więcej wyobrażeń literackich z domieszką elementów pochodzących z wielkopostnych kazań.
Alanus ab Insulis, pisarz z tamtych czasów, porównywał Wszechświat do grodu. W środkowym zamku na tronie siedzi Bóg, cesarz
11
PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA
Wszechświata. W Niższych Niebiosach żyje anielskie rycerstwo,
a my, na Ziemi, jesteśmy – jak to wówczas mówiono – extra muros –
poza murami, narażeni na ataki wrogów. Jak to możliwe, że jesteśmy
poza murami, a mamy rzekomo zajmować środek Wszechświata?
Wyjaśnił to wielki poeta Dante, który w swojej Boskiej komedii literacko wykorzystał i rozwinął średniowieczny obraz Wszechświata.
Porządek przestrzenny, powiada Dante, jest odwrotnością porządku duchowego, materialny Kosmos odzwierciedla, a więc odwraca,
tak jak zwierciadło, rzeczywistość. To, co naprawdę jest obwodem,
w zwierciadlanym odbiciu staje się środkiem. Tak więc nasza centralna pozycja wcale nie jest aż tak ważna.
Bardzo wpływowy w średniowieczu pisarz Makrobiusz twierdził, że przy stworzeniu świata najszlachetniejsza, eteryczna materia wzniosła się do góry, a to, co mniej czyste, cięższe, co nie dało
się wykorzystać do wznioślejszych celów, spadło do środka. Z tej
gliny, która spadła do środka, my właśnie powstaliśmy. Nasz środek
Wszechświata jest więc w gruncie rzeczy kosmicznym śmietnikiem.
Wszechświat średniowieczny był teocentryczny, w jego środku
znajdował się Bóg, nie był natomiast antropocentryczny; można nawet powiedzieć, że Wszechświat średniowieczny był antropoperyferyczny, znajdowaliśmy się na peryferiach Wszechświata.
Potem przyszedł Kopernik i całkowicie pozbawił człowieka jego
centralnej pozycji. To potoczna opinia, ale spójrzmy, co zrobił Kopernik. Jego dzieło miało przede wszystkim charakter techniczny.
Kopernik przeniósł układ odniesienia z Ziemi na Słońce. Środek
Wszechświata u Kopernika pozostał, zajmowało go teraz Słońce,
a nie Ziemia. Pozostały nawet, wprowadzone przez starożytnych,
dyferense i epicykle, ażeby ratować zgodność nowego modelu Kopernikowskiego z obserwacjami astronomicznymi. O człowieku
i o jego miejscu we Wszechświecie Kopernik nie napisał ani słowa.
Jednak jego dzieło miało ogromne konsekwencje, było jak malutka
dziura zrobiona w tamie – najpierw sączy się przez nią wąski strumyczek, a potem rwie lawina niszczącej wody.
12
K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE
To, co nazywamy „kopernikańskim zwrotem”, dokonało się w następnych pokoleniach. Myślę, że symboliczne znaczenie tego dokonania doskonale ilustruje dzieło innego wielkiego astronoma – Keplera. Nosi ono tytuł Somnium seu astronomia lunaris – Sen, czyli
astronomia księżycowa. Jest to pierwsza bodaj w dziejach naszej kultury książka typu science fiction, a jednocześnie w pewnym sensie
dzieło życia Keplera, który zaczął pisać tę książkę jako student,
a ukończył niedługo przed śmiercią.
Treść dzieła Keplera jest następująca: przyjazne duchy zanoszą
bohatera historii do krainy Lewanii – tak Kepler nazwał Księżyc –
by pokazać mu mieszkańców, ich miasta, całą geografię Księżyca, ale
także astronomiczne niebo oglądane z Księżyca. Ten fragment pracy Keplera nie był literacką fikcją. Kepler dokładnie powyliczał, jak
będą wyglądać planety, gwiazdozbiory oglądane nie z Ziemi, lecz
z Księżyca. Argumentował, że mieszkańcom Księżyca wydaje się,
że to oni spoczywają, a Ziemia się porusza. „Celem mojego Somnium... – pisał – jest przedstawienie dowodu na ruch Ziemi albo
raczej próba odparcia, na przykładzie Księżyca, zarzutów biorących
się z powszechnego sprzeciwu rodzaju ludzkiego”. Na czym więc
polega symboliczne znaczenie Somnium... Keplera? Oto człowiek
po raz pierwszy ogląda Wszechświat nie z Ziemi, lecz z Księżyca,
został więc zmuszony do tego, aby porzucić swoją środkową pozycję.
Ludzie renesansu zapomnieli, że w średniowieczu byli uważani za
kosmiczny śmietnik, z trudem przyjmowali to, że zajmują przeciętne
miejsce we Wszechświecie. Fakt ten stał się wielkim wstrząsem dla
europejskiej kultury, ale to był dopiero początek. Reszty miało dokonać powstanie nauk empirycznych na przełomie XVI i XVII wieku.
Zapytajmy więc: czy człowiek jest rzeczywiście tylko mieszkańcem kosmicznego marginesu i niczym więcej? Owszem, czasem
może warto w ten sposób pomyśleć o sobie, ażeby nabrać właściwego
dystansu do Wszechświata i pewnej pokory wobec przyrody. Trzeba
jednak pamiętać, że człowiek jest we Wszechświecie czymś, a raczej
kimś bardzo wyróżnionym. To właśnie w mózgu człowieka zabłysła
13
PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA
iskra, która rozwinęła się potem w niezwykłą zdolność stawiania
Wszechświatowi pytań i wydzierania mu jego tajemnic. Dzięki tej
zdolności człowiek wykracza poza Wszechświat, wykracza poza
własną materialność. Tę iskrę poznania możemy śmiało nazwać Bożą
iskrą, nosimy ją w sobie i powinniśmy ją starannie pielęgnować.
Jak poruszają się gwiazdy?
W XVII wieku na niebie nad Europą pojawiło się kilka komet, i to
widocznych gołym okiem. Największa z nich była kometa odkryta
przez Edmonda Halleya. Komety te wywarły wielkie wrażenie na
ówczesnych ludziach, a zwłaszcza na myślicielach.
W tamtym czasie kilku ludzi, wśród nich Robert Hooke, Edmond Halley i Christopher Wren (ten ostatni był znanym angielskim architektem), postawiło sobie pytanie: pod wpływem jakiej siły
działającej między Słońcem a planetą planeta będzie krążyć po orbicie eliptycznej? Problem ten tak męczył Halleya, że postanowił udać
się do Cambridge, by przedstawić go Newtonowi. Zaraz po przywitaniu, bez zbędnych wstępów, Halley postawił pytanie: wzdłuż jakiej krzywej poruszałaby się planeta przy założeniu, że przyciąganie
Słońca zmniejsza się z kwadratem odległości? Odpowiedź Newtona
była natychmiastowa: po elipsie. Na pytanie uczonego, zadziwionego tą odpowiedzią, skąd taka pewność, Newton odrzekł, że już
kiedyś to wyliczył. Halley domagał się tych wyników na piśmie, ale
Newton nie mógł na poczekaniu odnaleźć swoich dawnych notatek.
Obiecał więc, że wkrótce prześle Halleyowi rachunki. Ale i potem
tych notatek nie udało mu się odnaleźć, więc postanowił jeszcze raz
zrobić wyliczenie. Jednakże prześladował go pech – nie udawało
mu się otrzymać poprzedniego wyniku. Próbował wielokrotnie. Po
pewnym czasie okazało się, że błąd nie krył się w samych rachunkach, lecz w nie dość dokładnie zrobionym rysunku pomocniczym.
Usunięcie tej przyczyny dało natychmiastowy wynik.
14
K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE
Pod wpływem wizyty Halleya Newton uporządkował wszystkie swoje dotychczasowe wyniki, rozbudował je i w jesiennym semestrze wygłosił na uniwersytecie w Cambridge cykl wykładów na
temat dynamiki. Stały się one zalążkiem późniejszego głównego
dzieła Isaaca Newtona, które nosi tytuł Philosophiae naturalis principia mathematica (Matematyczne zasady filozofii przyrody). Data
ukazania się tego dzieła drukiem rozpoczyna epokę nauk empirycznych. W ten sposób powstała nowożytna fizyka, zwana dziś klasyczną, jako pierwsza z wielu nauk przyrodniczych.
Mimo swego ogromnego dokonania Newton nie był jednak
pierwszy. Sam o sobie powiedział: „Widzę dalej niż inni, bo stoję
na ramionach gigantów”. Spośród tych gigantów poprzedzających
Newtona należy wymienić przynajmniej dwóch: Keplera z jego największym odkryciem, że planety poruszają się po elipsach – do tego
odkrycia doprowadziły go żmudne obserwacje i matematyczna analiza wyników tych obserwacji – oraz Galileusza, który odkrył podstawowe prawa mechaniki, także stosując metodę doświadczenia,
pomiarów i matematycznej analizy. To właśnie Galileusz powiedział, że księga przyrody jest pisana językiem matematyki. Newton
dokonał wielkiej syntezy tego wszystkiego. Stworzył spójny system
świata, w który osiągnięcia Keplera i Galileusza zostały wbudowane.
Nie były już one niepowiązanymi ze sobą odkryciami, lecz wynikały
logicznie z Newtonowskich zasad.
Gdy patrzymy wstecz i podziwiamy dzieło Newtona, chciałoby
się powiedzieć, że największym osiągnięciem tego uczonego było
stworzenie, czy może udoskonalenie, metody naukowej. Tej samej
metody, na której dziś opierają się nauki o świecie i której zawdzięczają wszystkie swoje sukcesy. Metoda ta wspiera się na dwóch filarach – na matematyce i na doświadczeniu, czyli eksperymencie.
Często mówi się, że nasz świat jest matematyczny. Historia nauki,
od Newtona począwszy, a nawet jeszcze wcześniej, pokazuje, że ilekroć próbowaliśmy wniknąć w strukturę świata inaczej niż za pomocą matematyki, ponosiliśmy klęskę. Jeśli natomiast uchwycimy
15
PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA
jakieś prawidłowości wykryte doświadczalnie, jeśli wyrazimy te prawidłowości za pomocą równania, to rozwiązując to równanie, uzyskujemy zwykle nowe, nieprzewidziane informacje o Wszechświecie,
o których przedtem nie mieliśmy pojęcia, a które potem – z reguły –
potwierdza odpowiednio przeprowadzone doświadczenie. Właśnie doświadczenie, czyli eksperyment, jest tym drugim elementem
metody naukowej. Jednak nie może to być byle jakie doświadczenie, musi ono zawsze polegać na pomiarze jakiejś wielkości. Wynik
pomiaru jest wyrażony w liczbach, a liczby można wstawić do matematycznych równań – i w ten sposób metoda się domyka, i działa
niemal niezawodnie.
Jako przykład rozpatrzmy słynną teorię Newtona – teorię grawitacji, czyli powszechnego ciążenia. Podobno Newton wpadł na
pomysł tego odkrycia, obserwując spadające z drzewa jabłko. Spojrzał na to zjawisko zupełnie inaczej niż wszyscy dotychczas. Ilu
ludzi przed nim obserwowało spadające przedmioty i nikomu nie
przyszło do głowy to co jemu. Czasem trzeba się zamyślić, zadziwić
rzeczą najzupełniej zwyczajną. Otóż Newton spojrzał na to w następujący sposób: to nie jabłko spada na Ziemię, lecz jabłko i Ziemia
przyciągają się nawzajem. Ponieważ Ziemia ma dużą masę, a jabłko
małą, wygląda to tak, jakby jabłko spadało na Ziemię. Newton ujął
to w słynne równanie, które głosi, że siła przyciągania działająca pomiędzy dwoma ciałami, na przykład pomiędzy jabłkiem a Ziemią,
jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi, czyli ażeby tę siłę
obliczyć, trzeba znać masy dwóch ciał (jabłka i Ziemi), pomnożyć je
przez siebie i podzielić przez odległość między nimi podniesioną do
drugiej potęgi. Proste równanie, ale ile mieści się w nim informacji
o świecie! Stosując je do różnych sytuacji, można z niego wyliczyć
nie tylko ruch spadającego jabłka, ale i ruch wystrzelonego pocisku,
ruch planety w jej drodze dookoła gwiazdy, ruch gwiazd w galaktyce
i ruch galaktyk w gromadzie galaktyk. Gdy dziś uczeni planują drogę
dla pojazdu kosmicznego, także posługują się równaniem Newtona.
16
K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE
Ponieważ jesteśmy ludźmi myślącymi, zadajmy sobie pytanie:
dlaczego metoda matematyki i doświadczenia jest aż tak skuteczna
w poznawaniu świata? Matematyka uchodzi za szczyt racjonalności, za najbardziej precyzyjne narzędzie rozumowania, jakie mamy
do dyspozycji. Dlaczego nasz świat ulega tej racjonalnej metodzie?
Widocznie budowa świata, jego struktura, jest niezwykle racjonalna
i ujawnia się tylko wówczas, gdy się ją bada racjonalnymi narzędziami. Albert Einstein – obok Newtona chyba największy fizyk wszech
czasów – mawiał, że chciałby poznać tylko jedno: zamysł, jaki miał
Bóg, stwarzając Wszechświat. Istotnie, stwarzając Wszechświat, Bóg
miał racjonalny zamysł, plan lub projekt, wynikający z ogromnej Jego
mądrości. Zamysł ten urzeczywistnił. Racjonalny plan Boga jest zawarty w strukturze Wszechświata, podobnie jak projekt architekta
tkwi we wzniesionej przez niego budowli. Uczeni, choćby o tym nie
myśleli, choćby nawet w to nie wierzyli, nie robią nic innego, jak
tylko odszyfrowują plan Stwórcy, zawarty w Jego dziele stworzenia.
Zmagania z czasem i przestrzenią
Bardzo nie lubimy, gdy coś nas ogranicza. A są takie dwie rzeczy
(właściwie trudno je nazwać rzeczami, ale brak lepszego określenia),
o których prawie nie myślimy, a które – jak nic innego – ograniczają naszą swobodę: to czas i przestrzeń. W czasie możemy być tylko
w jednym „teraz”, w tej, a nie innej chwili, i nie możemy cofnąć się
ani o sekundę. Jesteśmy właśnie w tej sekundzie, w tej godzinie, w jakiej jesteśmy, i na to nie ma żadnej rady. Urodziliśmy się w chwili,
której sami nie wybraliśmy, i umrzemy wtedy, kiedy przyjdzie czas.
Z przestrzenią jest trochę lepiej. Możemy na przykład chodzić
w różnych kierunkach – tam i z powrotem – możemy zmieniać miejsce w przestrzeni, podróżować samochodem, pociągiem, samolotem.
Niektórzy z nas polecieli nawet na Księżyc. Jednak w porównaniu
z ogromem Wszechświata to właściwie tyle co stanie w miejscu,
17
PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA
tyle co wychylenie nosa za próg. Nie możemy też być równocześnie
w dwóch różnych miejscach.
Gdy myślimy o tych ograniczeniach, odczuwamy je jako szczególnie bolesne. I dlatego może warto zapytać: co to jest czas, co
to jest przestrzeń? Czy nie jest tak, że czas to jest po prostu to, co
pokazuje zegarek, a przestrzeń to jest to, w czym żyję – przestrzeń
mojego pokoju, mojego miasta? Ale co się dzieje, gdy nie ma zegarka, nie ma pokoju, nie ma miasta? Przecież istnieje jakiś czas
Wszechświata, mówimy też o przestrzeni kosmicznej. Przyznajmy, że istotnie mamy trudności z odpowiedzią na pytania o czas
i przestrzeń. Jeżeli zatem mamy kłopoty z odpowiedzią na pytania: co to jest czas, co to jest przestrzeń? – to może zapytajmy mądrzejszych.
Isaac Newton w swoim fundamentalnym dziele „Matematyczne
zasady filozofii przyrody”, które uważamy za podwaliny nowożytnej
fizyki, podał następujące określenie czasu i przestrzeni: „Absolutny,
prawdziwy, matematyczny czas, sam przez się i z własnej natury, płynie jednostajnie bez względu na cokolwiek zewnętrznego i inaczej
nazywa się »trwaniem«”. Jest to słynna definicja absolutnego czasu.
Absolutny, prawdziwy, matematyczny – te określenia mają odróżnić
go od czasu pokazywanego przez nasz zegarek. Wszystko istnieje
w czasie, ale nic na czas nie wpływa. Nie można czasu przyspieszyć
ani opóźnić. Czas jest jak gdyby obojętny na to, co się w nim dzieje,
ale i odwrotnie – czas także nie ma wpływu na te procesy i zdarzenia,
które w nim zachodzą. Czas upływa – jak powiada Newton – „jednostajnie bez względu na cokolwiek zewnętrznego”. Podobnie ten
wielki uczony, określając przestrzeń, pisał: „Absolutna przestrzeń
we własnej istocie, bez odniesienia do czegokolwiek zewnętrznego,
pozostaje zawsze taka sama i nieruchoma”.
Tę Newtonowską absolutną przestrzeń można sobie wyobrazić jako wielkie pudło bez ścian albo takie pudło, którego ściany
znajdują się w nieskończoności. Wszystko, co się dzieje, zawarte jest w tym pudle, zawarte jest w przestrzeni, ale ani przestrzeń
18
K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE
nie ma wpływu na przebieg tych zdarzeń, które się w niej dzieją,
ani zdarzenia nie mają wpływu na strukturę przestrzeni, w której
zachodzą.
Jeśli przez chwilę zastanowimy się nad tymi definicjami czasu i przestrzeni, to jesteśmy skłonni przyznać rację Newtonowi:
istotnie, czas i przestrzeń są takimi absolutnymi bytami. Rozciągają
się w nieskończoność: czas w przeszłość i w przyszłość, przestrzeń
we wszystkich kierunkach – na wschód, zachód, południe, północ.
Wszystko istnieje w czasie i przestrzeni, ale nic nie ma wpływu na
czas i przestrzeń. Wydaje się więc, że Newton nas przekonał; co
więcej, wydaje się, że zawsze mieliśmy podobny pogląd jak Newton,
tylko ten wielki uczony nam go jaśniej uświadomił.
Isaac Newton miał jednak wielkiego rywala. Był nim Gottfried
Wilhelm Leibniz – wielki filozof, niektórzy sądzą, że jeden z najwybitniejszych w całej historii ludzkości. Isaac Newton nie tylko
stworzył podstawy mechaniki, a wraz z nią podstawy całej nowożytnej fizyki, ale odkrył także rachunek różniczkowy i całkowy, który jest podstawą dzisiejszej tak zwanej matematyki wyższej (jest
to pierwszy dział matematyki, zwany analizą matematyczną, jakiego uczy się na studiach wyższych). Tak się złożyło, że Leibniz
także odkrył rachunek różniczkowy i całkowy, i to nawet kilka lat
wcześniej niż Newton. Z początku wszystko dobrze się układało
między tymi dwoma wielkimi uczonymi, ale przyjaciele Newtona
podsunęli mu myśl, że Leibniz podkradł mu pomysł rachunku różniczkowego i całkowego. Dzisiaj wiemy, że tak nie było. Jednakże
nie tylko ten spór podzielił wielkich uczonych. Dzieliło ich przede wszystkim zupełnie odmienne widzenie świata, całkiem różna
perspektywa filozoficzna. Uwidoczniła się ona także w poglądach
Leibniza na czas i przestrzeń. Oto z kolei znana wypowiedź Leibniza: „Co do mnie, niejednokrotnie podkreślałem, że mam przestrzeń za coś względnego, podobnie jak czas, mianowicie za porządek współistnienia rzeczy, podczas gdy czas stanowi porządek ich
następstwa”.
19
PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA
Spróbujmy, używając bardziej współczesnych pojęć, zrozumieć
to stwierdzenie Leibniza. Wszechświat możemy traktować jako
ogromny zbiór rozmaitych zdarzeń i rzeczy. Ten zbiór nie jest chaotyczny, lecz precyzyjnie uporządkowany. Porządek wśród zdarzeń
i procesów wprowadzają zawsze jakieś relacje zachodzące między
tymi zdarzeniami i procesami. Podobnie zresztą jest w każdym dobrze uporządkowanym mieszkaniu; na przykład jeżeli spożywam
posiłek, to muszę pozmywać naczynia i potem położyć je na swoim
miejscu, ażeby był porządek. Pomiędzy jedzeniem, zmywaniem, wycieraniem i tak dalej muszą zachodzić pewne porządkujące relacje –
to one utrzymują porządek i czystość w moim mieszkaniu. Podobnie
jest we Wszechświecie. Wśród relacji porządkujących Wszechświat
dwa rodzaje zasługują na szczególne podkreślenie. Pierwszy rodzaj
to relacje, które porządkują wydarzenia obok siebie, i w ten sposób
właśnie powstaje pojęcie przestrzeni. Drugi rodzaj relacji to takie,
które porządkują rzeczy i zdarzenia jedne za drugimi; one są odpowiedzialne za porządek następstwa. W ten sposób powstaje pojęcie czasu. Tak więc czas i przestrzeń to pewne relacje porządkujące. Taki właśnie był pogląd Leibniza. Płyną z niego daleko idące
wnioski. Jeżeli nie ma rzeczy i zdarzeń, to nie ma oczywiście relacji między nimi, nie ma zatem czasu i przestrzeni. A więc czas
i przestrzeń nie są absolutne, jak u Newtona, nie mogą one istnieć
bez rzeczy i zdarzeń. W koncepcji Leibniza czas i przestrzeń są
względne, albo inaczej – relacyjne. Ich istotę stanowią relacje porządkujące świat.
Teraz możemy zadać sobie pytanie, która z tych dwu koncepcji
czasu i przestrzeni – Newtona czy Leibniza – bardziej przypadła
nam do gustu. Z tym że nie chodzi o względy estetyczne: która się
mniej lub bardziej podoba, lecz o racje rozumowe: którą z tych koncepcji uważamy za bardziej prawdziwą, za opartą na bardziej solidnych argumentach.
W historii nauki i filozofii losy tych dwu koncepcji potoczyły się różnymi drogami. Filozofowie i uczeni o nastawieniu
20
K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE
teoretycznym byli skłonni przyznać rację Leibnizowi, bo rzeczy
i zdarzenia istnieją rzeczywiście, obiektywnie, a czas i przestrzeń
mają istnienie dziwne, jakby bardziej ulotne – ani czasu, ani przestrzeni nie można dotknąć ani zobaczyć, a jednak są, istnieją. Mówią nam o tym wyraźnie nasze ograniczenia czasem i przestrzenią.
Tak więc chyba rzeczywiście czas i przestrzeń to są relacje pomiędzy rzeczami i zdarzeniami. Relacji nie można dotknąć, nie można ich zobaczyć, lecz one istnieją naprawdę. Właśnie tak jak czas
i przestrzeń. Czyżby więc Leibniz miał rację?
Newton miał jeden wielki atut, którego nie miał Leibniz. Stworzył mianowicie fizykę klasyczną, która zaczęła odnosić ogromne
sukcesy, i wszystko wskazuje na to, że w klasycznej fizyce czas i przestrzeń mają własności absolutne, właśnie tak jak widział to Newton. Następne stulecia po Leibnizu i Newtonie to jedno wielkie
nieprzerwane pasmo sukcesów Newtonowskiej fizyki. Świat ani się
nie obejrzał, jak zaczął myśleć po newtonowsku, i to właśnie dlatego, gdy referowałem przed chwilą poglądy Newtona, wydawały
się nam one tak dobrze znane i oczywiste. Chociaż o tym nie myśleliśmy, byliśmy przesiąknięci światopoglądem Newtona. Uczyliśmy się go w szkole, myśleliśmy jego obrazami, ale czy świat fizyki
Newtonowskiej to jest świat fizyki dzisiejszej, współczesnej – świat
teorii względności, mechaniki kwantowej i różnych najnowszych
teorii fizycznych?
W tym miejscu chciałbym Czytelnika zostawić z następującą refleksją: jest czas i przestrzeń Wszechświata, ale jest też czas i przestrzeń mojego życia; choć mało o nich myślę, czas i przestrzeń stanowią bardzo ważne środowisko, w którym pracuję i żyję. Abstrahując
od wielkich filozoficznych dyskusji – czas i przestrzeń mojego życia
na pewno mają wymiar absolutny, zostały mi dane i nie mogę ich ram
przeskoczyć. Z całą pewnością czas i przestrzeń są czymś, co powinno
moje życie porządkować, i to w dużej mierze zależy ode mnie. To ja
powinienem z nich zrobić, jak mówił Leibniz, porządek następstwa
i porządek współistnienia.
21
PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA
Czas i wieczność
Polemika między Leibnizem, wielkim filozofem, a Newtonem, twórcą nowożytnej fizyki – czy też, mówiąc ściśle, między Leibnizem
a Samuelem Clarkiem, uczniem Newtona – porusza wiele do dziś
aktualnych tematów. Przynajmniej na jednym z takich tematów
pragnę teraz skupić uwagę.
Pamiętamy różnicę zdań między Newtonem i Leibnizem w zasadniczej dla nich kwestii natury czasu. Newton twierdził, że czas
jest czymś absolutnym, płynącym jednostajnie bez względu na to,
co się w nim dzieje i czy w ogóle cokolwiek się w nim dzieje. Leibniz natomiast sądził, że czas to tylko relacje porządkujące zdarzenia
jedne po drugich. Te dwie odmienne koncepcje czasu pociągają za
sobą inne poważne różnice w rozumieniu świata. Weźmy na przykład problem stworzenia świata. Obydwaj – Newton i Leibniz – byli
głęboko wierzącymi myślicielami i dla obydwu prawda o stworzeniu
świata była ważna, ale rozumieli ją inaczej. Newton, który twierdził,
że czas jest absolutny i płynie od minus nieskończoności do plus
nieskończoności, uważał, że w pewnej chwili tego czasu Bóg stworzył świat, to znaczy w pewnych miejscach absolutnej przestrzeni
stworzył cząstki materialne, rodzaj atomów, i nadał im początkowe prędkości. Potem prawa mechaniki zaczęły działać i prowadziły świat swoimi torami. A zatem, według Newtona, Bóg stworzył
świat w czasie i w przestrzeni. Przed stworzeniem świata była pusta przestrzeń i pusty czas. W pewnej chwili tego czasu świat zaczął istnieć.
Leibniz widział to inaczej. Według niego, czas i przestrzeń są tylko relacjami porządkującymi zdarzenia, jeśli zatem nie ma zdarzeń,
nie ma czasu ani przestrzeni. A więc przed stworzeniem świata nie
było ani czasu, ani przestrzeni. Bóg stworzył świat razem z czasem
i razem z przestrzenią. Przyznajmy, że zawsze wyobrażaliśmy sobie stworzenie świata podobnie jak Newton. Bóg istnieje wiecznie,
22
K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE
to znaczy od czasowej minus nieskończoności do czasowej plus
nieskończoności. Kiedyś nie było nic, był tylko pusty czas i pusta
przestrzeń, i w pewnej chwili Bóg powołał świat do istnienia. Newtonowski obraz świata utrwalił się na kilka stuleci i my w tym obrazie wyrośliśmy. Nawet nasz katechizm przesiąkł tym obrazem. Ale
przed Newtonem teologowie myśleli inaczej, myśleli podobnie jak
Leibniz. Nigdy nie wyobrażali sobie wieczności jako nieskończonego
czasu, lecz raczej jako istnienie poza czasem – w wiecznym „teraz”.
Co więcej, najnowsze teorie dzisiejszej fizyki mocno sugerują, że na
najbardziej podstawowym poziomie fizyki, w świecie subsubsubkwantowym, także czas nie płynie. Autorzy książek popularnonaukowych, pisząc o tych teoriach, niekiedy ubarwiają swoje opowiadanie, powołując się na świętego Augustyna z Hippony (warto
uświadomić sobie, że żył on na przełomie IV i V wieku po Chrystusie), który na pytanie: „Co robił pan Bóg przed stworzeniem
świata?”, miał odpowiedzieć: „Stwarzał piekło dla tych, którzy zadają takie pytania”.
Skoro w wielu książkach popularnonaukowych można spotkać
takie powołanie się na świętego Augustyna, warto zajrzeć do źródła – do Wyznań tego świętego i myśliciela – i sprawdzić, co on rzeczywiście na ten temat miał do powiedzenia. Istotnie, cała jedenasta
księga tego dzieła jest poświęcona rozważaniom o czasie i wieczności. Otwórzmy więc Wyznania i przeczytajmy stosowny fragment.
Oto on: „Kiedy ktoś mnie pyta: »Co czynił Bóg, zanim uczynił niebo
i ziemię?« – nie powtarzam tej odpowiedzi, jaką ktoś kiedyś podobno rzucił szyderczo, aby odsunąć od siebie natarczywość pytającego:
»Przygotowywał piekło dla tych, którzy chcieliby dociec tajemnic«.
Czym innym jest znalezienie odpowiedzi, czym innym jest szyderstwo. Więc nie tak odpowiem. Gdy czegoś nie wiem, wolę odpowiedzieć: »Nie wiem« – niż wyśmiewać tego, kto zadał trudne pytanie,
i zbierać pochwały za pozorną, fałszywą odpowiedź”.
Nieco dalej Augustyn, zwracając się do Boga, przybliża swój
punkt widzenia: „Jeśli zaś przed powstaniem nieba i ziemi jeszcze
23
PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA
nie było czasu, to jakże można pytać, co czyniłeś »wtedy«? Nie było
żadnego »wtedy«, skoro nie było czasu”.
A zatem według świętego Augustyna przed stworzeniem świata
nie było czasu. Czas został stworzony razem ze światem. Widzimy
tu oczywiste podobieństwo do poglądów Leibniza. Powstaje jednak
pytanie: jak można wyobrazić sobie wieczność, która nie jest płynięciem czasu od minus nieskończoności do plus nieskończoności. Ideę
tę opracował nieco dokładniej filozof o dwa pokolenia późniejszy
od świętego Augustyna – Boecjusz, zwany ostatnim Rzymianinem,
człowiek o wielkiej kulturze, który żyjąc w czasach zamieszania
politycznego, wiele cennych dzieł greckich przetłumaczył na łacinę
i w ten sposób ocalił je dla europejskiej kultury. Otóż Boecjusz podał słynną definicję wieczności, która mówi, że wieczność jest „posiadaniem życia całego naraz, w sposób doskonały”.
A więc wieczność to życie – nie bierność, lecz życie, pełnia życia, wielka aktywność, ale nie upływająca, nie rozłożona na chwile –
cała naraz. Nie ma tu przemijania, jest wieczne „teraz” i doskonałość.
Życie takie, jakim je znamy – przemijające, rozłożone na sekundy,
godziny, lata – jest tylko bladym cieniem wieczności.
Można sobie wyobrazić, że gdy Boecjusz rozmyślał nad czasem
i wiecznością, odrywał się od otaczającej go rzeczywistości i zatapiał
w kontemplacji. Najpiękniejszym dziełem Boecjusza jest dziełko zatytułowane O pociechach filozofii. Istotnie, pociechy były Boecjuszowi
bardzo potrzebne – był on ministrem na dworze króla Teodoryka.
Cesarstwo Rzymskie już wtedy właściwie przestało istnieć. Wplątano go w dworskie intrygi, posądzono niesłusznie o zdradę i uwięziono. Właśnie tam, w więzieniu, czekając na wykonanie wyroku, Boecjusz napisał O pociechach filozofii. Dzieło to zdążył ukończyć, zanim
wykonano na nim wyrok. Poniósł śmierć przez zmiażdżenie głowy.
Zagadka czasu jest jednym z najciekawszych problemów. Jeszcze niejednokrotnie w naszych rozważaniach będziemy do tego zagadnienia powracać. Na zakończenie chciałbym przytoczyć jeszcze
jedno zdanie z jedenastej księgi Wyznań świętego Augustyna, zdanie,
24
K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE
które również często się cytuje, rozważając czas. Augustyn napisał:
„Czymże więc jest czas? Jeśli nikt mnie o to nie pyta, wiem. Jeśli
pytającemu usiłuję wytłumaczyć, nie wiem”. Tak chyba właśnie jest.
Każdy z doświadczenia wie, co to jest czas, ale gdy trzeba tę wiedzę
ująć w słowa, wszystko komplikuje się i plącze. A więc może warto
przynajmniej dziś nikomu nie próbować objaśniać, tylko samemu
pomyśleć nad czasem swojego życia, bo tajemnica czasu jest jednocześnie tajemnicą naszego życia.
Czy Wszechświat wymaga poprawek?
Isaac Newton i Gottfried Wilhelm Leibniz na pewno należeli do
wybitnych myślicieli. Dyskusje między wielkimi często, jeśli zostają
spisane, stają się perłami literatury filozoficznej. Tak było i tym razem. Leibniz napisał ważne dzieło zatytułowane Teodycea, co można przetłumaczyć: „Filozofia Boga”. Księżna Walii Wilhelmina von
Ansbach – zwolenniczka filozofii Leibniza – uznała, że jest to dzieło na tyle ważne, że warto je przetłumaczyć na język angielski. Były
to czasy (łza się w oku kręci), kiedy to koła rządzące lub zbliżone
do rządzących czytywały dzieła filozoficzne. Znalazła więc tłumacza i poinformowała Leibniza, że ma nim zostać przyjaciel Isaaca
Newtona, anglikański duchowny Samuel Clarke. Wówczas Leibniz – myśliciel z Hanoweru – zaprotestował. W uzasadnieniu swojej negatywnej opinii Leibniz przeprowadził krytykę filozoficznych
poglądów Newtona. Wielki filozof uważał, że zwolennik filozofii
Newtona nie może być dobrym tłumaczem jego dzieła, które znajduje się po zupełnie przeciwnej stronie filozoficznych poglądów.
Księżna Walii, otrzymawszy list od Leibniza, przekazała go
Clarke’owi. Clarke po jakimś czasie odpisał, również na ręce księżnej, i w ten sposób nawiązała się słynna korespondencja. Księżna
przekazywała listy adresatom. Clarke przynajmniej niektóre swoje
odpowiedzi uzgadniał z Newtonem. A więc mamy tu do czynienia
25
PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA
w gruncie rzeczy z polemiką między Leibnizem a Newtonem, pomiędzy dwoma gigantami myśli. Dyskusja ta stała się nie tylko świadectwem epoki, ale i kopalnią myśli, nad którymi także i dziś warto
sobie łamać głowę. Już w pierwszym liście Leibniza, z listopada 1715
roku, czytamy: „Pan Newton i jego stronnicy mają jeszcze jedno
nader zabawne mniemanie o dziele Bożym. Wedle nich, Bóg musi
nakręcać od czasu do czasu swój zegar, w przeciwnym razie ustałoby jego działanie. Nie był bowiem na tyle przezorny, aby nadać mu
ruch wieczny. Wedle nich, ta machina Boża jest tak niedoskonała,
że Bóg musi czyścić ją od czasu do czasu za pomocą współdziałania, a nawet naprawiać, jak naprawia swe dzieło zegarmistrz, który tym gorszym będzie mistrzem, im częściej będzie zmuszony je
ulepszać i poprawiać”.
Clarke nie był dłużny i na zarzuty odpowiedział w następujący
sposób: „Prawdą jest, i to godną pożałowania, że są w Anglii, podobnie jak i w innych krajach, ludzie, którzy odrzucają lub też bardzo
zniekształcają religię naturalną. Należy to głównie przypisać, poza
zdrożnymi skłonnościami ludzi, fałszywej filozofii materialistów,
której w sposób najbardziej bezpośredni przeciwstawiają się matematyczne zasady filozofii”.
Rzecz ciekawa, że zarówno Leibniz, jak i Newton szukają argumentów przeciw ateizmowi i nawzajem zarzucają sobie bezbożność.
Clarke twierdzi, że owszem, są w Anglii ateiści, ale jeśli są, to dlatego
iż opacznie rozumieją matematyczne zasady przyrody, które odkrył
Newton, albo po prostu wcale ich nie znają. Zostawmy jednak na
boku, przynajmniej na razie, teologiczne spory Leibniza i Clarke’a
i powróćmy do słynnej sprawy poprawek, jakich według Newtona
(tak go przynajmniej oskarżał Leibniz) wymaga świat – zegar, który
Stwórca musi od czasu do czasu nakręcać. Zasygnalizowałem już, na
czym polegał problem Newtona, gdy twierdził on, że świat, to znaczy układ planetarny (tak należy rozumieć w ustach Newtona termin „świat” albo „układ świata”), jest niestabilny. Newton traktował
to jako problem kosmologiczny, z tym że trzeba pamiętać, iż wówczas
26
K U WSPÓŁCZE SNEJ F I Z YCE
za kosmologię uważano teorię budowy układu planetarnego. Zresztą
cały spór Kopernika i Ptolemeusza dotyczył właśnie budowy układu
planetarnego. Gwiazdy stałe były jedynie tłem, na którym rozgrywał się cały dramat Słońca i planet. W trzeciej części „Matematycznych zasad filozofii przyrody” Newton wyłożył teorię grawitacji i jej
zastosowanie do wyjaśnienia struktury układu planetarnego. Część
ta, zatytułowana „O systemie świata”, jest Newtonowską kosmologią. Z innych pism Newtona wynika, iż wierzył on w coś w rodzaju
cyklicznego świata. Wiemy, że hipoteza wiecznych powrotów była
utrzymywana w starożytności między innymi przez Heraklita, według którego świat ulega spaleniu i co jakiś czas się odradza. Newton
wierzył w coś podobnego – według niego świat z czasem doznaje rozregulowania i wymaga specjalnej interwencji Stwórcy, by wrócić do
dawnej struktury. Dodajmy, że w czasach Newtona nasz układ planetarny był nawiedzony przez kilka widocznych gołym okiem komet.
Newton sądził, że komety wprowadzają zaburzenia do ruchów planet i powodują stopniowe rozregulowywanie się układu planetarnego.
Przed chwilą powiedziałem, że powinniśmy zostawić na boku
problemy teologiczne, ale nie tak łatwo to zrobić. U Newtona teologia i fizyka ściśle się ze sobą wiązały. Newton sądził, że
potrzeba poprawek jest doniosłym argumentem na rzecz istnienia Boga, chociaż przytaczał też inne argumenty za Jego istnieniem. Sądził także, że największą zasługą jego dzieła jest właśnie
to, że – jak mówił – wspiera ono religię naturalną. Wkrótce jednak
nastąpił postęp w znajomości mechaniki nieba i – głównie dzięki pracom francuskiego myśliciela Pierre’a Simona de Laplace’a –
okazało się, że układ planetarny wcale nie jest tak niestabilny, jak
sądził Newton.
Znana jest anegdota (raczej anegdota niż fakt historyczny), że
gdy Napoleon Bonaparte z uwagą wysłuchał wykładu Laplace’a
o jego systemie świata (to jest jeszcze jeden dowód, że wówczas
głowy państw interesowały się nauką i jej filozoficznymi konsekwencjami), zapytał, gdzie jest w nim miejsce dla Boga. Laplace
27
PODGL Ą DA N IE WSZECHŚW I ATA
miał odpowiedzieć: „Najjaśniejszy panie, nie potrzebowałem tej
hipotezy”. Chociaż to prawdopodobnie tylko historyczna anegdota, warto się nad nią przez chwilę zastanowić. My też, podobnie jak Napoleon, chcielibyśmy zobaczyć jakieś miejsce w świecie
dla Boga, jakieś Jego dzieło z podpisem: made by God. Gdy czegoś
takiego nie widzimy, zaczynamy wątpić, czy Bóg w ogóle istnieje. Warto w tym miejscu przypomnieć sobie argument Leibniza
o dwu zegarmistrzach – który z nich jest lepszym fachowcem: czy
ten, którego zegar wymaga co jakiś czas nakręcania i napraw, czy
ten, którego zegar funkcjonuje bez naprawiania i sam się nakręca? Odpowiedź wydaje się oczywista: Bóg jest oczywiście doskonałym fachowcem, najdoskonalszym z możliwych. Leibniz kończy swój argument bardzo mocnym stwierdzeniem: „... a kto sądzi
inaczej, daje dowody nader niskiego wyobrażenia o mądrości Bożej
i Jego potędze”.
Ujmując rzecz krótko – domagamy się jakiegoś łatwo widocznego śladu Boga we Wszechświecie i nie widzimy go, ponieważ cały
świat jest jednym wielkim śladem Boga. Nie ma jakichś śladów pojedynczych, wyciśniętych palcem Boga. Aby dostrzec boski ślad we
Wszechświecie, trzeba patrzeć na świat przenikliwym wzrokiem –
takim, jakiego używali obaj filozofowie.
W naszych czasach zasady mechaniki klasycznej znacznie się
wyostrzyły i dziś wiemy, że nasz układ planetarny nie jest jednak doskonale stabilny. Mówi o tym słynne twierdzenie KAM –
Kołmogorowa-Arnolda-Mosera – z tym tylko, że okres niestabilności naszego układu planetarnego jest bardzo długi. Układ
planetarny będzie wymagał poprawek – używając języka Newtona – ale dopiero wtedy, kiedy one nie będą już potrzebne, w każdym razie nie będą potrzebne nam, bo nas i naszej cywilizacji
już dawno nie będzie. Dziś już wiemy, że wszystko na tym świecie jest mniej lub bardziej niestabilne, jego postać nieustannie przemija.
28
MICHAŁ
Podglądanie Wszechświata to pasjonująca podróż przez historię fizyki
i współczesną kosmologię. Autor w przystępny i zwięzły sposób przedstawia najważniejsze problemy tych nauk. Prezentuje ogólną i szczególną teorię względności, mechanikę kwantową i teorię superstrun.
Refleksja naukowa łączy się tu z teologiczną – autor stawia pytania
o miejsce człowieka w Kosmosie czy relacje między nauką i religią.
Do książki dołączono nagrania emitowanego w radiu RDN Małopolska
cyklu audycji ks. prof. Michała Hellera Drogami myślących.
Ks. prof. Michał Heller (ur. 1936), fi lozof, teolog, fi zyk kosmolog.
Pracownik Watykańskiego Obserwatorium Astronomicznego oraz Uniwersytetu Papieskiego Jana Pawła II. W 2008 roku otrzymał prestiżową
Nagrodę Templetona.
Cena detal. 37,90 zł
Podglądanie Wszechświata
Podglądanie Wszechświata
Zawiera bezpłatny egzemplarz płyty w formacie MP3
MICHAŁ HELLER
Czy Wszechświat wymaga poprawek? Jak poruszają się gwiazdy?
Czy istnieje życie na Marsie? Co to znaczy, że w próżni są dziury?
KSIĄŻKA
Z PŁYTĄ (MP3)
Ponad 10 godzin wykładów o Wszechświecie i nieskończoności