PAUL DAVIES

Kosmiczny projekt

Tłumaczenie
Aleksandra Bielaczyc

Tytuł oryginału: THE COSMIC BLUEPRINT: NEW DISCOVERIES IN NATURE’S CREATIVE ABILITY TO ORDER THE UNIVERSE

Projekt okładki: MARIUSZ BANACHOWICZ

Adiustacja i korekta: MIROSŁAW RUSZKIEWICZ, ANNA MAJORCZYK

Projekt typograficzny: MIROSŁAW KRZYSZKOWSKI

Skład: MELES-DESIGN

© Copernicus Center Press, 2014
Templeton Foundation Press, 2004
Copyright © 1988 by Orion Publications

Wydanie I

Kraków 2014

ISBN 978-83-7886-060-0

Publikacja dofinansowana w ramach grantu The Limits of Scientific Explanation przyznanego przez John Templeton Foundation

Copernicus Center Press Sp. z o.o.
pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków
tel./fax (+48 12) 430 63 00
e-mail: marketing@ccpress.pl
Księgarnia internetowa: www.ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.

I czy to jest dla ciebie jasne, czy nie,

wszechświat jest bez wątpienia na dobrej drodze.

Max Ehrmann

[Tłum. Kazimierz Jankowski]

Wstęp do wydania z 2004 roku

Kiedy patrzymy pobieżnie wokół, świat fizyczny zdaje się zupełnie niezrozumiały. Wszechświat jest taki skomplikowany, jego struktury i procesy tak różnorodne i nieregularne, że wydaje się niemal nierealne, by człowiek kiedykolwiek go pojął. Jednak wszystkie przedsięwzięcia nauki oparte są na zuchwałym założeniu – przyjętym przez naukowców jako akt wiary – że za onieśmielającym kalejdoskopem zjawisk, na które natykamy się przy badaniach, kryje się matematyczny porządek. Co więcej: nauka rozwija się na podstawie przekonania, że ukryty porządek natury może przynajmniej częściowo zostać uchwycony przez ludzki intelekt.

Po trzech wiekach spektakularnego rozwoju można wygodnie określić granice nauki w trzech szerokich kategoriach: bardzo duże, bardzo małe i bardzo złożone. Pierwsza kategoria podejmuje problemy kosmologii, globalnych struktur i ewolucji wszechświata. Druga to obszar fizyki cząstek subatomowych oraz poszukiwania podstawowych cegiełek materii. W ostatnich latach te dwie dyscypliny zaczęły się łączyć, gdy uświadomiono sobie, że wielki wybuch, który zapoczątkował istnienie wszechświata około 14 miliardów lat temu, wytworzył potężną energię, przelotnie odsłaniając ostateczne części składowe materii. Kosmolodzy przypuszczają, że wielkoskalowa struktura wszechświata ma swój początek w wysokoenergetycznych subnuklearnych procesach, które zaszły w pierwszych ułamkach sekund istnienia. W ten sposób fizyka subatomowa pomaga ustalać ogólne właściwości wszechświata. Z odwrotnej zaś perspektywy: sposób, w jaki powstał wszechświat, służył do określenia liczby i właściwości podstawowych cząstek materii, które zostały wyplute podczas wielkiego wybuchu. Zatem wielkie określa małe, a małe określa wielkie.

W przeciwieństwie do nich trzeci ważny bastion naukowych dociekań – bardzo złożone – wciąż jest w powijakach. Złożoność jest przecież z definicji skomplikowana i niezwykle trudna do zrozumienia. Jednak staje się coraz bardziej jasne, że nie zawsze oznacza ona bezładne, osobliwe komplikacje. W wielu przypadkach pod powierzchnią chaotycznych lub skomplikowanych zachowań działają proste matematyczne reguły. Osiąganie coraz większej mocy obliczeniowej doprowadziło do rosnącego zrozumienia różnych rodzajów złożoności dostrzegalnych w naturze, a także do wzrastającej wiary w istnienie wielu praw złożoności, które uzupełniają znane nam prawa fizyki, nie łamiąc ich.

Pierwsze wydanie tej książki ukazało się w latach osiemdziesiątych XX wieku, kiedy teoria chaosu zyskała szeroki rozgłos. Chociaż początki teorii chaosu sięgają aż wiek wstecz, zyskała ona na znaczeniu, gdy zrozumiano, że chaos jest ogólną właściwością układów dynamicznych – zatem losowość i nieprzewidywalność dotyczą nie tylko pogody i bioróżnorodności, ale nawet takich codziennych systemów jak giełda. Dziś naukowcy akceptują fakt, że teoria chaosu opisuje tylko jeden rodzaj zachowań spośród wielu występujących w naturze i że pełne zrozumienie złożoności wymaga znacznie więcej niż tylko określenia różnicy pomiędzy zachowaniem regularnym a nieregularnym.

Nauki zajmujące się małym i dużym zaczęły się z sobą łączyć, z kolei badania nad bardzo złożonym zaczęły nakładać się na te zajmujące się mikroświatem. Najbardziej imponujące postępy są widoczne w dziedzinie układów biologicznych, chemicznych i obliczeniowych. Ukuto skrót BINS oznaczający „bio-info-nanosystemy”. Odnoszą się one do dziedziny maszyn molekularnych (tak zwana nanotechnologia, w skali jednej miliardowej metra) i systemów przetwarzania informacji, których żywa komórka jest klasycznym naturalnym przykładem. W ostatniej dekadzie głównym celem tej dziedziny była próba zbudowania komputera kwantowego. To urządzenie zaprojektowane, by wykorzystywać osobliwości kwantowe do przetwarzania informacji. Moc układów kwantowych leży w tym, że mogą funkcjonować równocześnie w wielu różnych konfiguracjach. Na przykład atom może być równocześnie wzbudzony i niewzbudzony. Fizycy mają nadzieję, że poprzez przypisywanie informacji określonym szczególnym stanom kwantowym uda im się przetwarzać je wykładniczo szybciej niż za pomocą konwencjonalnego komputera. Badania wciąż są w powijakach, jednak jeśli ta misja zakończy się sukcesem, przemieni nie tylko oblicze badań nad złożonością, ale wręcz nasze rozumienie tego, co oznacza ten termin.

W rozdziale 12 rozważam luźno myśl, że mechanika kwantowa może stanowić klucz do lepszego zrozumienia złożoności biologicznej – tego, co odróżnia życie od złożonych układów nieożywionych. Od czasu spisania tych wczesnych pomysłów w pierwotnej wersji niniejszej książki rozwinąłem ową kwestię głębiej, odsyłam więc czytelników do mojej pracy Piąty cud (tytuł amerykański: The Fifth Miracle, brytyjski: The Origin of Life), jeśli chcą się dowiedzieć więcej o biologii kwantowej. Wierzę, że nanomaszyny kwantowe szybko sprawią, iż zatrze się rozróżnienie między ożywionym a nieożywionym, sekret życia zaś okaże się tkwić w szczególnych umiejętnościach przetwarzania informacji przez układy ożywione. Nadciągające scalenie dziedzin informacji, nauk obliczeniowych, mechaniki kwantowej i nanotechnologii doprowadzi do rewolucji w naszym pojmowaniu biosystemów.

Znaczna część tajemnic, o których wspominałem w 1988 roku, takich jak źródło życia, wciąż pozostaje bardzo problematyczna i niewiele postanowiłem dodać. Jednak jest dziedzina, która rozwinęła się w minionych latach w sposób spektakularny – to kosmologia. Postępy ostatniego dziesięciolecia przemieniły tę dziedzinę z zaściankowych spekulacji w naukową dyscyplinę głównego nurtu. Rozważmy na przykład dane z sondy kosmicznej nazwanej Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (w skrócie: WMAP), opublikowane w 2003 roku. Gazety na całym świecie zamieściły zdjęcie ukazujące mapę termiczną nieba stworzoną skrupulatnie z wysokiej orbity Ziemi. Wynikiem tych prac jest migawka tego, jak wszechświat wyglądał 380 tysięcy lat po swych narodzinach w gorącym wielkim wybuchu. Paląca temperatura towarzysząca powstaniu wszechświata teraz opadła i tworzy delikatną poświatę, w której skąpany jest cały wszechświat. WMAP został zaprojektowany, żeby stworzyć mapę tego malejącego pierwotnego ciepła, które prawie przez 13 miliardów lat było niezakłócone. W plamach i kleksach na mapie kryją się odpowiedzi na kluczowe pytania o kosmos, między innymi: jaki jest jego wiek, z czego powstał wszechświat i jaki będzie jego koniec. Odnajdując dane na mapie, naukowcy byli w stanie stworzyć trafny i niesłychanie szczegółowy raport o wszechświecie.

Być może najbardziej znaczącym faktem, jaki wynika z danych uzyskanych dzięki WMAP i wielu uzasadnionych obserwacji, jest istnienie swego rodzaju kosmicznej antygrawitacji nazwanej „ciemną materią”. Historia tego pojęcia sięga roku 1915, kiedy Albert Einstein opublikował swoją ogólną teorię względności. W swej genialnej pracy zawarł propozycję zupełnie nowego opisu grawitacji – siły, która trzyma nasze nogi na ziemi i działa pomiędzy wszystkimi ciałami we wszechświecie, starając się przyciągnąć je do siebie nawzajem. Jednak to powszechne przyciąganie przyprawiało Einsteina o ból głowy. Dlaczego – pytał – wszechświat nie zwali się po prostu na jeden wielki stos, przyciągany do środka swoją własną potężną wagą? Czy w jego nowej teorii było coś zasadniczo błędnego?

Dzisiaj znamy odpowiedź. Wszechświat nie zawalił się (a przynajmniej jeszcze nie), ponieważ galaktyki oddalają się od siebie, popychane przez siłę wielkiego wybuchu. Ale w 1915 roku nikt nie wiedział, że wszechświat się rozszerza, a zatem Einstein chciał opisać wszechświat statyczny. Aby to osiągnąć, wymyślił pojęcie antygrawitacji. Ta dotychczas nieznana siła miałaby służyć jako przeciwwaga dla ciężaru wszechświata, podpierając go i zapobiegając zawaleniu się. By włączyć antygrawitację do stworzonej przez siebie teorii względności, Einstein majstrował przy swoich pierwotnych równaniach. Uzupełnił je o dodatkowy termin, który został nazwany „fudge factor”.

Było od razu oczywiste, że antygrawitacja jest zupełnie inna niż wszelkie znane siły. Zacznijmy od tego, że miała szczególną właściwość – rosła wraz z odległością. Oznacza to, że nie zauważylibyśmy jej skutków na Ziemi ani nawet w Układzie Słonecznym. W skali kosmicznej nabierałaby ona jednak siły do takiego stopnia, że przy odpowiednim operowaniu liczbami dokładnie równoważyłaby grawitacyjną siłę przyciągania między wszystkimi galaktykami.

Był to zgrabny pomysł, lecz jego żywot był krótki. Upadł w latach dwudziestych, kiedy Edwin Hubble odkrył, że wszechświat się rozszerza. Gdy Einstein poznał Hubble’a w 1931 roku, od razu zdał sobie sprawę, że antygrawitacja jest niepotrzebna i porzucił ją, nazywając „największą pomyłką swojego życia”. Po tym fiasku antygrawitacja na stałe opuściła krąg zainteresowań kosmologów. Kiedy byłem studentem w latach sześćdziesiątych, nazywano ją odpychającą w obu znaczeniach tego słowa. Ale jak to często bywa w nauce, nastąpił niespodziewany zwrot. Fakt, że antygrawitacja nie była potrzebna do pierwotnego celu, nie dawał logicznego wniosku, że nie istniała. W latach siedemdziesiątych pojęcie to znów się pojawiło w zupełnie innym kontekście. Przez czterdzieści lat fizycy głowili się nad naturą pustej przestrzeni. Mechanika kwantowa, która podejmuje problemy procesów w skali subatomowej, przewidziała, że nawet przy całkowitej nieobecności materii przestrzeń powinna kipieć od niewidzialnej – czy też ciemnej – energii. Słynna formuła Einsteina E = mc² sugeruje, że ta ciemna energia powinna posiadać masę, a zatem powinna wywierać przyciąganie. Mówiąc prosto: mechanika kwantowa sugeruje, że nawet zupełnie pusta przestrzeń ma ciężar.

Na pierwszy rzut oka wydaje się to absurdalne. Jak sama przestrzeń – próżnia – może coś ważyć? Ale skoro niemożliwe jest uchwycenie kawałka pustej przestrzeni i położenie go na szali, twierdzenie nie jest łatwe do sprawdzenia. Tylko zważenie całego wszechświata pozwoliłoby na zmierzenie jego (bardzo znacznej) wagi. Zważenie wszechświata to nie lada wyczyn, ale jak postaram się krótko uzasadnić – nie jest niemożliwe.

Zanim zajmiemy się problemem, ile waży dana objętość przestrzeni, należy wyjaśnić trudny aspekt ciemnej energii. Przestrzeń nie tylko ma wagę, ale też wywiera ciśnienie. Według teorii Einsteina ciśnienie, podobnie jak masa, generuje przyciąganie grawitacyjne. Na przykład wewnętrzne ciśnienie Ziemi ma niewielki wkład w wagę naszego ciała. To mylące, bo ciśnienie działa odpychająco, na zewnątrz, a jednak tworzy siłę grawitacyjną, która przyciąga. Jeśli chodzi o ciemną energię, sytuacja jest odwrotna – jej ciśnienie okazuje się ujemne. Mówiąc prosto, przestrzeń ssie. I w taki sam sposób, w jaki ciśnienie generuje grawitację, ssanie generuje  a n t y g r a w i t a c j ę.  Kiedy zsumujemy wartości, wniosek jest oszołamiający: przestrzeń ssie tak mocno, że antygrawitacja wygrywa. Finał jest taki, że ciemna energia dokładnie imituje tak zwany „fudge factor” Einsteina!

Pomimo tego niezwykłego zbiegu okoliczności niewielu naukowców zajęło się ciemną energią. Teoretycy liczyli, że jakimś sposobem zniknie. A potem rok 1998 przyniósł prawdziwą bombę. Astronomowie w Australii i innych krajach postanowili policzyć wybuchające gwiazdy. Ze świateł tych tak zwanych supernowych byli w stanie wywnioskować odległości, w jakich nastąpiły wybuchy. Wkrótce stało się jasne, że te gwałtowne wydarzenia następowały zbyt daleko, by wpasować się w standardowy model wszechświata, który powstał wraz z wielkim wybuchem, a potem stopniowo zwalniał rozszerzanie się z czasem. Jedynym wyjaśnieniem zdawało się uznanie, że w którymś momencie w przeszłości tempo rozszerzania się ponownie zaczęło wzrastać, jakby kierowało nim tajemnicze kosmiczne odpychanie. Nagle ciemna energia znów wróciła do łask.

Wyniki takich badań, łącznie z tymi z WMAP, wskazują, że tylko około 5 procent wszechświata powstało z normalnej materii takiej jak atomy. Około jednej czwartej składa się z jakiegoś rodzaju ciemnej materii, która jeszcze nie jest zidentyfikowana, ale powszechnie uważa się, że to dziwne cząstki subatomowe wyplute podczas wielkiego wybuchu. Lwia część wszechświata ma formę ciemnej energii. Jeśli przełożyć to na liczby, pusta przestrzeń dostrzegalnego wszechświata waży około stu bilionów bilionów bilionów bilionów ton, czyli o wiele więcej niż wszystkie gwiazdy łącznie. Chociaż to potężna waga, warto pomyśleć o niej w odpowiednim kontekście – waga przestrzeni we wnętrzu samochodu to kilka kwadrylionowych grama.

Teoretycy nie mają pojęcia, dlaczego dana ilość ciemnej energii waży właśnie tyle, ile waży. Jednak zdania są podzielone co do tego, czy ciemna energia jest tylko Einsteinowską antygrawitacją, czy jakimś bardziej skomplikowanym i dziwnym zjawiskiem. Niezależnie od wyjaśnienia, ciemna energia prawdopodobnie stanowi o losie kosmosu. W miarę jak czas będzie mijał, a tempo rozszerzania się kosmosu będzie wzrastać, galaktyki będą coraz bardziej się od siebie oddalać, stale przyspieszając. Ostatecznie nawet galaktyki w okolicy naszej Drogi Mlecznej (albo tego, co z niej zostanie) będą się cofać z prędkością większą niż prędkość światła, a zatem staną się niewidoczne. Jeśli nie nastąpi nic, co zmieniłoby tę tendencję, ostatecznym stanem wszechświata będzie ciemna, prawie pusta przestrzeń na wieczność. To bardzo przygnębiająca myśl.

Istnieje jednak światełko nadziei. Te same procesy fizyczne, które wywołały inflacyjny wybuch, mogłyby teoretycznie zostać odtworzone. Mając biliony lat na to, by się tym martwić, nasi potomkowie w dalekiej przyszłości być może znajdą sposób, aby doprowadzić do kolejnego wielkiego wybuchu w laboratorium, czego skutkiem będzie powstanie miniaturowego wszechświata. Teoria sugeruje, że ten nowy wszechświat rozrośnie się, tworząc stopniowo swoją własną przestrzeń i czas, aż w końcu odłączy się od macierzystego wszechświata. Przez jakiś czas matka i dziecko będą połączone pępowiną przestrzeni stanowiącą most pomiędzy starym i nowym wszechświatem. Nasi potomkowie być może będą w stanie przedrzeć się do tego nowego wszechświata i uczestniczyć w nowym cyklu kosmicznej ewolucji i rozwoju. To byłoby ostateczne stadium emigracji: ucieczka do całkiem nowego kosmosu, który – miejmy nadzieję – byłby biologicznie przyjazny!

Idea ciemnej energii zyskiwała i traciła na popularności przez ponad siedem dekad. Jeśli wierzyć dowodom astronomicznym, teraz wróciła do łask na dobre. Chociaż ciemna energia zapowiada upadek wszechświata, być może zawiera też źródło kosmicznego ocalenia. Jeśli tak, największa pomyłka Einsteina może się jeszcze okazać jego największym sukcesem. A jeśli prawa wszechświata naprawdę są czymś w rodzaju kosmicznego projektu, tak jak sugeruję to tutaj, być może istnieje też projekt przetrwania.

Paul Davies

Sydney, styczeń 2004

Wstęp do pierwszego wydania

Powstanie wszechświata zazwyczaj przedstawiane jest jako gwałtowne wydarzenie, które nastąpiło w dalekiej przeszłości. To obraz szerzony zarówno przez religię, jak i przez naukowe dowody na „wielki wybuch”. Jednak ta prosta myśl przesłania fakt, że wszechświat nigdy nie przestał być twórczy.

Kosmologowie są dziś przekonani, że bezpośrednio po wielkim wybuchu wszechświat był właściwie bezkształtny, a cała struktura i złożoność, jakie dziś spotykamy w świecie fizycznym, w jakiś sposób pojawiły się później. Widocznie istnieją fizyczne procesy, które mogą zmienić próżnię – albo coś bardzo do niej zbliżonego – w gwiazdy, planety, ciała krystaliczne, chmury i ludzi.

Jakie jest źródło tej zadziwiającej siły twórczej? Czy znane nam procesy fizyczne mogą wyjaśnić ciągłą kreatywność natury, czy działają tu dodatkowe zasady organizacyjne, kształtujące materię i energię oraz kierujące je w stronę jeszcze wyższych stanów porządku i złożoności?

Dopiero niedawno naukowcy zaczęli rozumieć, w jaki sposób złożoność i organizacja mogą wyłonić się z bezkształtności i chaosu. Badania na polach tak różnorodnych, jak turbulencje cieczy, rozrost ciał krystalicznych i sieci neuronowe, odkrywają niezwykłą skłonność układów fizycznych do samorzutnego tworzenia nowych stanów porządku. Staje się jasne, że istnieją procesy  s a m o o r g a n i z a c j i  w każdej gałęzi nauki.

Pojawia się zatem fundamentalne pytanie: czy najwidoczniej nieskończona różnorodność naturalnych form i struktur, które powstają w miarę rozwoju wszechświata, to po prostu przypadkowe dzieła losowych sił? A może są one w jakiś sposób nieuniknionym wynikiem twórczego działania natury? Na przykład niektórzy naukowcy uważają, że źródłem życia jest niezwykle rzadkie zdarzenie losowe, jednak według innych jest to naturalny stan docelowy cykli samoorganizujących się reakcji chemicznych. Jeśli bogactwo natury wpisane jest w jej prawa, czy wynika z tego, że obecny stan wszechświata jest w jakimś sensie predestynowany? Czy istnieje, mówiąc metaforycznie, „kosmiczny projekt”?

Te głębokie pytania dotyczące istnienia nie są oczywiście nowe. Filozofowie i teolodzy zadają je od tysiącleci. Dzisiaj są szczególnie istotne ze względu na fakt, że ważne nowe odkrycia zasadniczo zmieniają spojrzenie  n a u k o w c ó w  na naturę kosmosu. Przez trzy wieki nauka była zdominowana przez paradygmaty Newtona i termodynamiki, które przedstawiają wszechświat albo jako sterylną maszynę, albo w stanie degeneracji i upadku. Obecnie pojawił się nowy paradygmat twórczego wszechświata, który uznaje postępowy, innowacyjny charakter procesów fizycznych. Ten nowy paradygmat podkreśla aspekty natury związane ze zbiorowością, współpracą i organizacją – jego perspektywa jest bardziej syntetyczna i holistyczna niż analityczna i redukcjonistyczna.

Niniejsza książka to próba zwrócenia uwagi czytelnika amatora na te znaczące postępy. Omawia ona badania z wielu dyscyplin: od astronomii po biologię, od fizyki po neurologię – z wszelkich dziedzin, w których pojawia się złożoność i samoorganizacja. Próbowałem przedstawić je w sposób jak najmniej techniczny, jednak nieuniknione było dokładniejsze podejście do pewnych kluczowych obszarów. Dotyczy to zwłaszcza rozdziału 4, który zawiera wiele specjalistycznych diagramów. Zachęcam jednak czytelnika do wytrwania, ponieważ esencji nowego paradygmatu nie sposób uchwycić bez pewnych pojęć matematycznych.

Gdy kompilowałem materiały, pomagali mi bardzo koledzy z Uniwersytetu w Newcastle upon Tyne, którzy oczywiście niekoniecznie podzielali moje wnioski. Szczególnie dziękuję profesorowi Kennethowi Burtonowi, doktorowi Ianowi Mossowi, doktorowi Richardowi Rohwerowi oraz doktorowi Davidowi Trittonowi. Chciałbym też podziękować doktorowi Johnowi Barrowowi, profesorowi Rogerowi Penrose’owi oraz profesorowi Frankowi Tiplerowi za pomocne dyskusje.

Paul Davies

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki