Wiemy już dużo, jednak droga do poznania sekretów wszechświata wydaje się nie mieć końca. Za każdym razem, gdy sądzimy, że właśnie minęliśmy ostatni zakręt, na horyzoncie już widać kolejny.

Najpiękniejsze, czego możemy doświadczyć, to poczucie tajemnicy. To podstawowa emocja, która stoi u podstaw prawdziwej sztuki i prawdziwej nauki.

Albert Einstein

Nasze ciała i nasza planeta to przede wszystkim próżnia – zaprawiona szczyptą materii. Ludzkie oczy – będące próżnią – patrzą na świat przez nią wypełniony, a ludzki mózg, który też jest próżnią, chce go zrozumieć. Tak rodzi się nauka: próżnia, która bada samą siebie.

Informacja

Z ostatniej chwili! To trzecia z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

Za każdym z podstawowych pojęć nauki kryje się tajemnica. Słowa, takie jak światło, materia, czas, przestrzeń, zawierają w sobie zagadki od tysiącleci nurtujące umysły naukowców i filozofów. Nazywając nieznane, uspokajamy umysł. Wydaje się nam, że poznaliśmy rzeczywistość, bo przykryliśmy tajemnicę słowem, zabraliśmy ją do laboratorium, włożyliśmy pod obiektyw mikroskopu czy teleskopu i stworzyliśmy równania, aby ją opisać. Fizycy rozbijają świat materialny na coraz mniejsze cząstki, przeprowadzają autopsję ciała w poszukiwaniu duszy, ale ona wciąż jakoś im umyka.

Być może duszą nauki jest poezja. Żyjący w XIII w. suficki poeta Rumi pisał o niej, że „wypływa z wielkiego i potężnego źródła, którego nie widać”. Z kolei polska XX-wieczna poetka Wisława Szymborska na zawarte w wierszu Niektórzy lubią poe­zję pytanie: „co to takiego poezja” odpowiada: „A ja nie wiem i nie wiem i trzymam się tego jak zbawiennej poręczy”.

Ta wielka tajemnica w sercu nauki wydaje się igrać z nami, prowadzić jakąś niezwykłą grę, prześwitywać przez równania i słowa, a jednocześnie się przed nami ukrywać. Jeśli zgodzić się z Einsteinem, że oczarowanie nią jest najpiękniejszym uczuciem, jakiego możemy doświadczyć, warto podjąć tę grę i dać się wciąż na nowo porywać przezroczystej postaci, która pojawia się w równaniach w jednym stuleciu, by chwilę lub wieki później z łobuzerskim uśmiechem stwierdzić: „Nie. To jednak nie tak, kochani. Wy jeszcze nic nie rozumiecie. Materia, energia, przestrzeń, czas to jest coś zupełnie innego, niż myśleliście do tej pory”.

Czym jesteś, materio?

Newton wierzył, że ciała materialne mają niezmienną masę i tak były interpretowane jego równania przez ponad 200 lat. Na początku XX w. Einstein odkrył, że masa poruszających się ciał zwiększa się wraz z prędkością, zbliżając się do nieskończoności, a nieskończona staje się przy prędkości światła – z tego powodu żadne ciało nie może osiągnąć prędkości światła. Cząsteczki światła, fotony, nie mają masy spoczynkowej i mogą istnieć wyłącznie w ruchu, poruszając się zawsze z tą samą prędkością c, niezależnie od obserwatora. Einstein zdał sobie sprawę, że istnieje równoważność między masą a energią, E = mc², dlatego nawet fotonom można przypisać masę nazywaną relatywistyczną. Nie jest to masa, jaką mają cząstki materialne, jednak w procesie anihilacji, gdzie materia łączy się z antymaterią, masa cząstek materialnych staje się światłem, a w procesie kreacji światło staje się materią.

Wcześniej w fizyce pojawiały się równania podobne do słynnego E = mc² – wyprowadzane dla przypadków szczególnych, takich jak energia sferycznego pola elektrycznego czy promieniowania ciała doskonale czarnego. Sukcesem Einsteina była przede wszystkim interpretacja tego równania oraz jego uogólnienie – odniesienie do całej materii i energii. Geniusz noblisty polegał na tym, że potrafił zobaczyć rzeczywistość kryjącą się za symbolami wzoru. W podobny sposób doszło do powstania szczególnej teorii względności: równania opisujące względność czasu i przestrzeni były wcześniej wyprowadzone przez holenderskiego fizyka Hendrika Lorentza. Einstein dostrzegł w nich rzeczywistość fizyczną, a nie tylko ciekawostkę matematyczną, sformułował je ponownie i ogłosił całemu światu, że czas i przestrzeń zależą od prędkości, z jaką ciało się porusza. Zegarki dwóch osób nie będą chodziły tak samo, jeśli jedna z nich wyruszy w podróż kosmiczną. W przypadku bliźniąt to, które będzie przemieszczać się z prędkością porównywalną do prędkości światła, po powrocie na Ziemię okaże się młodsze od tego, które na niej pozostało.

Równanie E = mc² pokazuje, że masę można przekształcać w ogromną ilość energii, co potem wykorzystano w bombach atomowych i reaktorach jądrowych. Ta transformacja zachodzi także w gwiazdach, dzięki niej istnieją światło oraz życie na Ziemi. Udowodnienie, że masa i energia, choć mają różne jednostki, są w swojej istocie tym samym, było prawdziwą rewolucją myślową.

Kolejną rewolucję w definiowaniu masy spowodował brytyjski fizyk Peter Higgs. W roku 1964 sformułował hipotezę, że masa nie jest czymś, co cząstki posiadają, lecz tym, co nabywają w oddziaływaniu z tajemniczym polem wypełniającym całą czasoprzestrzeń. Istnienie tego pola zostało potwierdzone eksperymentalnie w 2012 r. w Wielkim Zderzaczu Hadronów, znajdującym się w pobliżu Genewy, dzięki odkryciu bozonu Higgsa – „boskiej cząstki” o niezwykle krótkim czasie życia: 10¯²²s. Takie rozumienie materii i masy funkcjonuje we współczesnej fizyce. Masa nie jest czymś, co mamy, ale czymś, co otrzymujemy poprzez zanurzenie się w niewidocznym, wszechobecnym oceanie, który wibruje, tworząc bozony Higgsa, i obdarowuje masą wszystko, co istnieje. W nim żyjemy i poruszamy się, dzięki niemu istniejemy.

Czy to jest ostateczne rozumienie materii? Nie sądzę. W XX w. podstawowe pytania, którymi w przeszłości zajmowały się religia i filozofia, przeszły w gestię naukowców. Spójrzmy więc, co takiego mówi nam fizyka o tym, kim jesteśmy, jakie są granice naszego poznania i w jaki sposób zwodzą nas zmysły.

Przenikanie rzeczywistości

Nie ma innego sposobu na poznanie świata niż pogrążenie się w nim. Fotony, które przynoszą nam obrazy rzeczywistości, przenikają nasze oczy, dźwięki – uszy, zapachy – nos, smaki – jamę ustną, a dotyk to penetracja pola elektromagnetycznego skóry. Poznawanie jest aktem przenikania rzeczywistości w ciało człowieka. Objawia się ona w intymny sposób w naszym wnętrzu, układzie nerwowym, uczuciach, umyśle. W XX w. fizycy toczyli dyskusje na temat tego, czy rzeczywistość zewnętrzna naprawdę istnieje. Wszystko, co postrzegamy, mogłoby być snem, filmem, rodzajem Matrixu. Ci, którzy mają świadome sny, wiedzą, że nawet w tym stanie można odczuwać ból, ciepło, zimno, smaki jedzenia – dokładnie tak jak w realnym świecie. Jak zatem odróżnić sen od rzeczywistości? Skąd mamy wiedzieć, czy życie nie jest snem? Ponad siedem wieków temu Rumi miał wizję ludzi leżących i nieprzytomnych, z zakrytymi twarzami, śpiących i cierpiących na chorobę serca. I był przekonany, że można się obudzić z tego snu.

Einstein wierzył w istnienie świata zewnętrznego, wiedział też, że nasze możliwości poznawcze są ograniczone, a rozumienie podstawowych pojęć będzie się zmieniało w miarę rozwoju nauki: „Wiara w świat zewnętrzny, niezależny od podmiotu postrzegającego, jest podstawą wszelkich nauk przyrodniczych. Ponieważ jednak percepcja zmysłowa jedynie pośrednio dostarcza informacji o tym świecie zewnętrznym lub o »rzeczywistości fizycznej«, tę ostatnią możemy uchwycić tylko środkami spekulatywnymi. Wynika z tego, że nasze pojęcie rzeczywistości fizycznej nigdy nie może być ostateczne. Zawsze musimy być gotowi na zmianę tych pojęć – to znaczy aksjomatycznych podstaw fizyki – aby w jak najdoskonalszy sposób oddać sprawied­liwość postrzeganym faktom”.

Nauka pokazuje, że zmysły nas oszukują. Zaglądając do wnętrza atomów za pomocą urządzeń będących przedłużeniem ludzkich zmysłów, odkryto wielką próżnię. Próżnia ludzkiego ciała nieustannie wchodzi w interakcję z próżnią innych ciał. Patrzy na próżnię i widzi ją jako coś solidnego. Czuje próżnię i postrzega ją jako przyjemność albo ból. Iluzja namacalności materii jest tak silna, że mimo pobierania lekcji fizyki już od szkoły podstawowej w codziennym życiu zapominamy, że próżnia dominuje nad materią, a odległość pomiędzy elektronami i jądrem atomowym można porównać do odległości pomiędzy gwiazdami. Cząsteczki światła – fotony – odbijają się od pola sił elektromagnetycznych i przynoszą nam obraz świata o wyraźnie zarysowanych konturach, ukrywając pustkę wewnątrz atomów. To oszustwo jest efektem gry między światłem a materią.

Okruszek nieskończoności

Poznanie zawsze zaczyna się od zmysłów i wszystko, czego możemy doświadczyć, jest przedłużeniem odbieranej przez nie rzeczywistości. Główny zmysł – wzrok – postrzega maleńki fragment nieskończonego widma elektromagnetycznego. Widzimy długości fal od około 400 do 700 nm (nanometr to jedna miliardowa część metra). Kolor czerwony odpowiada największej długości widzialnych fal, niebieski – najmniejszej. To, co leży pomiędzy tymi barwami, jest prawie niczym, drobinką światła ledwie dostrzegalną dla ludzkich oczu. Poza granicami czerwieni i błękitu istnieją niewidzialne kolory, które rozciągają się w nieskończoność. 

Pszczoły, w przeciwieństwie do nas, widzą światło ultrafioletowe. Kwiaty, dla naszych oczu białe, dla pszczół są kolorowe. Nasze ciała emitują niewidzialne świat­ło w podczerwieni, o długości fali nieco większej niż światło widzialne. W całkowitej ciemności nie możemy gołym okiem zobaczyć ludzkiej postaci, ale przy użyciu kamery na podczerwień jesteśmy w stanie łatwo ją zarejestrować.

Kiedy naukowcy zdali sobie sprawę z ograniczeń ludzkich zmysłów, zaczęli budować instrumenty działające jak przedłużenie funkcji ciała. Obserwują wszechświat w poszukiwaniu światła niedostrzegalnego dla ludzkich oczu. Dzięki tym teleskopom poszerzają się horyzonty naszej wiedzy, jednak widmo elektro­magnetyczne rozciąga się w nieskończoność i nawet za pomocą najbardziej wyrafinowanych instrumentów dostrzegamy tylko okruszek nieskończoności.

Ludzkie oczy widzą długości fal, które Słońce emituje najintensywniej. Ewolucja tak ukształtowała nasze ciała, aby harmonizowały z najbliższą gwiazdą. Gdybyś­my urodzili się pod gwiazdą emitującą fale radiowe, prawdopodobnie bylibyśmy w stanie je zobaczyć. Z powodu ograniczeń naszych oczu postrzegamy nocne niebo jako ciemne, ale wszechświat jest pełen podczerwieni, ultrafioletu, promieni rentgenowskich, promieniowania gamma, fal radiowych.

Czarny płaszcz nieba, który budzi nasze zdumienie i egzystencjalne lęki, wibruje kolorami poza granicami naszej wyobraźni. Jeśli gdzieś we wszechświecie istnieje istota zdolna widzieć całe spektrum elektromagnetyczne, może ona cieszyć się kos­micznym krajobrazem, o jakim nie śnili nasi filozofowie.

Nauczyciel światło

Gdy patrzymy na rozgwieżdżone niebo, widzimy historię wszechświata. Fotony, które kiedyś narodziły się we wnętrzu gwiazd i podróżowały przez wszechświat tysiące lat, wpadają do naszych oczu, odwzorowując kosmos na ekranie naszych umysłów. Gwiazdy te mogły wygasnąć bardzo dawno temu. Nie wiemy, czy nadal istnieją, i nie mamy możliwości, by się tego dowiedzieć.

Niemal wszystko, co nam wiadomo o wszechświecie, wiemy dzięki światłu. Przemieszcza się ono ze skończoną prędkością – około 300 000 km/s – dlatego zawsze dostarcza nam informacji z opóźnieniem. Kiedy patrzymy na słońce, widzimy je takie, jakie było 8 minut temu.

Wszystko, na co kierujemy wzrok, zawsze widzimy w przeszłości. Oglądany przez nas księżyc jest taki, jaki był sekundę wcześniej. A własna twarz w lustrze? To tylko nanosekundy opóźnienia, ale jednak wciąż przeszłość. Podobna prawidłowość dotyczy wszystkich zmysłów – ból, który przemieszcza się przez nerwy i dociera do mózgu, również należy do przeszłości.

Gwiazdy śpiewają w tobie

Energia nigdy nie znika, ona jedynie bezustannie się przekształca. Patrząc w niebo, łapiemy w naszych oczach serca gwiazd. Cząsteczki światła, które powstały w ich wnętrzu, tworzą w nas kosmiczne kino, dokonują zmian w naszych móz­gach, stają się wspomnieniami.

Dźwięk nie istnieje w próżni – to wibracja materii. Kiedy ktoś gra na gitarze, wibruje powietrze, które porusza błonę bębenkową, dźwięk wędruje w twoim ciele, dociera do mózgu, budzi emocje, sprawiając, że śmiejesz się albo płaczesz.

Ze względu na swoją falową naturę żaden dźwięk nie może zniknąć całkowicie. Gdy rozchodzi się on w czasoprzestrzeni, jego natężenie zbliża się do zera w sposób asymptotyczny, ale nie staje się zerem absolutnym. Krzyk, śmiech i płacz z przeszłości nie zapadły się w nicość, zostały uwięzione w wibracjach cząstek elementarnych. Ziemia nigdy nie zapomina. Nic, co istniało, nie przestało istnieć do końca.

Poza słowami

Albert Einstein wierzył, że oprócz wszystkich praw i równań istnieje coś subtelnego, nieuchwytnego i niewytłumaczalnego. „Czczenie tej siły, wykraczającej poza wszystko, co możemy zrozumieć, jest moją religią” – powiedział. I tak jak poe­zja używa słów, by wskazywać na rzeczywistość poza nimi, nauka robi to samo. Podstawowe równania fizyki są poezją – odsłaniają wielką tajemnicę i jednocześ­nie ją ukrywają. Równanie Einsteina E = mc² wydaje się wierszem doskonałym. Zawiera tajemnicę gwiazd, energii nuklearnej, antymaterii oraz narodzin wszechświata. Jest w twoich ustach, gdy wgryzasz się w słońce we wnętrzu jabłka. Jest w twoim uniesieniu, gdy dotykasz ciała kochanka – światła, które stało się materią. Jest w twoim zachwycie, kiedy patrzysz na nocne niebo, a fotony, które pojawiły się tysiąclecia przed tobą, gasną w twoich oczach. Wszechobecna poezja bez dna. Setki książek próbowały wydrzeć jej sekret, a mimo to pozostaje tajemnicza. Wprawia ludzkie umysły w drżenie i zaprasza je do tańca pomiędzy kreacją a anihilacją, istnieniem a nieistnieniem.

Wielka tajemnica kryje się za wszystkim, co istnieje. Uwodzi nas i zaprasza do pogoni za Białym Królikiem. Próbujemy ją schwytać za pomocą słów, równań i praw fizyki. Nie sposób oprzeć się jej urokowi, biegniemy za nią i kiedy już wydaje się, że nam się nie wywinie, zaskakuje nas czymś zupełnie nieoczekiwanym. I tak zostajemy z upokorzonymi umysłami i pustymi rękami… pełnymi tej próżni, która była światłem i stała się słowem.

Cytaty (w tłumaczeniu autorki artykułu) pochodzą z eseju Alberta Einsteina Maxwell’s Influence on the Evolution of the Idea of Physical Reality, [w:] Albert Einstein, Ideas and Opinions, wyd. Random House.