Największa przygoda ludzkości. Odkrywanie zagadki wszechświata ebook

Prolog

Prolog

Najtrudniej zobaczyć to, co jest naprawdę.

J.A. BAKER, THE PEREGRINE

„Na początku było światło.

Ale nie tylko światło – także grawitacja.

A potem rozpętało się piekło…”

W ten sposób powinna się rozpoczynać opowieść o największej intelektualnej przygodzie w historii. Jest to opowieść o prowadzonych przez naukę poszukiwaniach ukrytej rzeczywistości, leżącej u podłoża świata naszych codziennych doświadczeń. Poszukiwania te wymagały wspinania się na szczyty ludzkiej kreatywności oraz zdobywania się na intelektualną odwagę o niespotykanej skali. Nie byłyby możliwe bez gotowości do rozpraszania wszelkich przesądów, uprzedzeń i dogmatów, zarówno naukowych, jak i innych. Opowieść ta jest pełna dramatyzmu i niespodziewanych zwrotów akcji. Obejmuje cały czas historii ludzkości, a co najważniejsze, jej obecna postać wcale nie jest ostateczna, tylko stanowi kolejną wersję roboczą.

Opowieść ta powinna być znana dużo powszechniej, niż jest obecnie. W cywilizacji zachodniej jej fragmenty powoli pozwalają zastępować mity i przesądy, które przez wieki i tysiąclecia dawały ukojenie mniej zasobnym w wiedzę społecznościom. Mimo to, za sprawą reżyserów George’a Stevensa i Davida Leana, mianem „najwspanialszej historii, jaką kiedykolwiek opowiedziano” nadal często określa się judeo-chrześcijańską Biblię. Nawet jeśli weźmiemy pod uwagę, że jej angielski przekład posłużył jako pierwowzór dla wielu utworów, stwierdzenie to musi dziwić, gdyż Biblia, pomimo całego zawartego w niej seksu, przemocy i odrobiny poezji w Księdze Psalmów, jako dzieło literackie nie da się porównać z równie pikantnymi, choć mniej epatującymi okrucieństwem eposami greckimi i rzymskimi, takimi jak Odyseja czy Eneida. Tak czy inaczej jako podręcznik rozumienia świata Biblia jest zdecydowanie przestarzała i za mało spójna; można też nie bez podstaw uznać, że wiele jej passusów zbytnio zbliża się do obscenicznych, by mogło służyć za wzorzec postępowania.

W nauce samo słowo świętość należy do sfery profanum. Żadne idee – czy to religijne, czy dowolne inne – nie dostają darmowego biletu. Z tego powodu szczyt historii człowieka nie został zdobyty wraz z ofiarowaniem się pewnego proroka dwa tysiące lat temu czy ze śmiercią innego proroka sześćset lat później. Opowieść o naszym pochodzeniu i naszej przyszłości wciąż się snuje. Ponadto staje się coraz bardziej interesująca, choć nie w drodze objawienia, lecz dzięki nieprzerwanemu strumieniowi odkryć naukowych.

Wbrew dość powszechnie przyjętemu poglądowi opowieść ta, choć naukowa, ma również w sobie epicki rozmach i głęboką duchowość. Duchowość ta cechuje się jednak dodatkową wartością powiązania ze światem realnym – nie zaś powstania w dużym stopniu po to, aby uciszać nasze nadzieje i marzenia.

Nasze wyprawy w nieznane, kierowane nie naszym widzimisię, lecz potęgą eksperymentu, nauczyły nas pokory. Przez pięćset lat swego istnienia nauka uwolniła ludzkość z kajdan wymuszonej ignorancji. W tym duchu można zapytać: Cóż za kosmiczna arogancja leży u podstaw tezy, że Wszechświat został stworzony po to, abyśmy my mogli zaistnieć? Jakaż krótkowzroczność tkwi w istocie założenia, że forma Wszechświata znana nam z naszego doświadczenia jest typowa dla niego w skali całego czasu i przestrzeni?

Dzięki nauce takie antropocentryczne podejście zostało obalone. Co je zastępuje? Czy w procesie tym doznaliśmy straty, czy też, jak postaram wykazać się w niniejszej książce, zyskaliśmy coś jeszcze wspanialszego?

W trakcie pewnego wystąpienia publicznego stwierdziłem, że zadaniem nauki jest wzbudzanie poczucia niewygody. Przez moment żałowałem poczynienia tej uwagi, gdyż może wpływać zniechęcająco. Ale odczuwanie niewygody jest pożyteczne, nie szkodliwe. Cała nasza historia ewolucyjna przygotowała nasze umysły do wygodnego współżycia z koncepcjami, które służyły naszemu przetrwaniu, takimi jak naturalne dla dzieci nastawienie teleologiczne, zgodnie z którym wszystkie rzeczy istnieją po to, by spełniać jakiś cel, albo bardziej ogólna skłonność do antropomorfizacji, przypisywania sprawczości przedmiotom nieożywionym, ponieważ ewidentnie lepiej jest omyłkowo wziąć nieporuszający się obiekt za zagrożenie niż faktyczne zagrożenie za martwy przedmiot.

Ewolucja nie przygotowała nas do właściwej oceny bardzo długich lub krótkich przedziałów czasu ani bardzo małych lub wielkich odległości, których bezpośrednio nie doświadczamy. Nic zatem dziwnego, że niektóre z niezwykłych odkryć naukowych, takich jak ewolucja czy mechanika kwantowa, są co najmniej niezgodne z intuicją i zmuszają większość z nas do wyjścia ze strefy komfortu.

Jest to jeden z powodów, dla których warto opowiadać tę najwspanialszą historię. Wyjątkowe opowieści nas poruszają. Sprawiają, że inaczej siebie postrzegamy, modyfikujemy obraz siebie i swego miejsca w kosmosie. Dotyczy to nie tylko największych dzieł literatury, muzyki i sztuki, ale także dokonań naukowych.

W tym kontekście należy uznać za przykre, że próbę zastąpienia przestarzałych przekonań nowoczesnym podejściem naukowym przedstawia się często w kategoriach „utraty wiary”. O ileż wspanialsza jest opowieść, którą będą mogły snuć nasze dzieci, od tej, którą my im opowiadamy! Z pewnością największym wkładem nauki w cywilizację jest doprowadzenie do tego, że najwspanialszymi dokonaniami nie są księgi przeszłości, lecz przyszłości.

Każda epicka opowieść ma swój morał. W tej przekonujemy się, że gdy nasze umysły słuchają głosu Wszechświata, przejawiającego się w empirycznych odkryciach, osiągamy duchowe bogactwo, w którym wykorzystujemy najlepsze, co ludzkość ma do zaoferowania. Daje nam to nadzieję na przyszłość, pozwalając wkraczać w nią z otwartymi oczami oraz koniecznymi instrumentami do aktywnego w niej uczestnictwa.

W swej poprzedniej książce, Wszechświat z niczego, opisałem, w jaki sposób w ciągu ostatnich stu lat rewolucyjne odkrycia zmieniły nasze poglądy na ewolucję Wszechświata rozważaną w największych skalach. Zmiany te spowodowały, że nauka zaczęła zajmować się pytaniem: „Dlaczego raczej istnieje coś, niż nie istnieje nic?”, które dotychczas było domeną religii, przetwarzając je w postać, w jakiej stało się mniej solipsystyczne, a bardziej użyteczne operacyjnie.

Podobnie jak Wszechświat z niczego, również ta książka zrodziła się na kanwie wygłaszanego przeze mnie wykładu, tym razem w Smithsonian Institution w Waszyngtonie. Wykład ten wzbudził spore zainteresowanie, co w efekcie skłoniło mnie do rozwinięcia zaprezentowanych tam myśli. W odróżnieniu od Wszechświata z niczego w niniejszej książce przedstawiam drugi kraniec spektrum naszej wiedzy i jego równie ważne implikacje dla odwiecznych pytań. Głębokie zmiany w opisie przyrody w najdrobniejszych skalach, które nastąpiły w ciągu ostatnich stu lat, pozwalają zająć się równie podstawowym pytaniem: „Dlaczego istniejemy?”.

Dowiemy się, że rzeczywistość jest inna, niż się wydaje. Pod jej powierzchnią działają „dziwaczne”, nieintuicyjne i niewidoczne mechanizmy, które rzucają wyzwanie naszym sztywnym przekonaniom o tym, co może mieć sens – na przykład koncepcja Wszechświata powstającego z niczego.

Z opowiadanej przeze mnie historii płynie ten sam wniosek, który pojawił się w mojej ostatniej książce: żyjemy w świecie, który nie ma ani jakiegoś oczywistego planu, ani celu. Nasze zaistnienie nie było z góry przesądzone, lecz wygląda na ciekawy zbieg okoliczności. Bujamy się na chybotliwym gzymsie, którego równowagę wyznaczają zjawiska leżące głęboko pod powierzchnią naszego doświadczenia – zjawiska w żaden sposób niezależące od naszego istnienia. W tym sensie Einstein nie miał racji: wygląda na to, że „Bóg” jednak gra w kości z Wszechświatem (albo wszechświatami)1. Do tej pory mieliśmy szczęście, ale tak jak w grze w kości, szczęście może nie sprzyjać nam wiecznie.

Wielki krok ludzkości ku erze nowożytnej polegał na tym, że naszym przodkom zaświtała myśl, iż świat nie ogranicza się do tego, co widzialne. Uświadomienie sobie tego zapewne nie pojawiło się przypadkowo. Odczuwamy wielką potrzebę kontekstów, które wykraczają poza nasz bieżący byt i ukazują sens istnienia. Prawdopodobnie potrzeba ta była w istotny sposób powiązana z powstaniem wierzeń religijnych w pierwotnych społecznościach.

W odróżnieniu od tego historia powstania nowoczesnej nauki i oddalania się jej od przesądów jest opowieścią o tym, jak drogą rozumowania i eksperymentów odkrywano ukryte realia natury, poznając w tym procesie, że pewne na pozór rozbieżne, zadziwiające, a czasami groźne zjawiska są powiązane ze sobą pod poziomem widzialnej powierzchni. Ostatecznie odkrycie tych zależności pozwoliło na rozgonienie złośliwych elfów i innych duszków przyrody, które nawiedzały naszych przodków.

Odkrywanie powiązań między pozornie odległymi zjawiskami jest najważniejszym wskaźnikiem i charakterystyczną cechą postępu w nauce. Klasycznymi przykładami są związek, jaki Newton znalazł między orbitą Księżyca a spadającym jabłkiem, obserwacja Galileusza, że odmienne zachowanie spadających ciał przysłania fakt, iż są one przyciągane przez Ziemię w taki sam sposób, oraz imponujący wniosek Darwina, że cała różnorodność form życia na Ziemi może wywodzić się od jednego przodka, powstając wskutek naturalnego doboru. Żaden z tych związków na początku nie był oczywisty. Jednakże odkąd został wydobyty na powierzchnię i wyjaśniony, na usta ciśnie się tylko zawołanie: „Ależ tak!”, świadczące o zrozumieniu. Narzuca się wręcz pytanie: „Dlaczego sam na to nie wpadłem?”.

Jednak we współczesnym obrazie natury na jej najbardziej fundamentalnym poziomie – w tak zwanym modelu standardowym – występuje zawrotne bogactwo powiązań, które leżą daleko poza światem naszego codziennego doświadczenia. Tak daleko, że nie dysponując pewnymi podstawami wiedzy, niemożliwe jest skokowe zobrazowanie ich sobie.

Nie dziwi więc, że nigdy w historii taki skok nie nastąpił. Aby powstał spójny obraz, który mamy dzisiaj, musiała wyłonić się sekwencja niezwykłych, niespodziewanych i pozornie niepowiązanych ze sobą związków. Aparat matematyczny, który został stworzony przy tej okazji, jest tak koronkowy, że wygląda na oderwany od rzeczywistości. Kiedy niewtajemniczony człowiek dowiaduje się o bozonie Higgsa lub o wielkiej unifikacji oddziaływań w przyrodzie, „Ależ tak!” należy do ostatnich zawołań, które mogą wyrwać się z jego ust.

Aby przeniknąć wierzchnie warstwy rzeczywistości, potrzebujemy opowieści, która powiąże znany nam świat z najgłębszymi zakamarkami otaczającego nas świata ukrytego. Świata tego nie zrozumiemy, opierając się wyłącznie na intuicji wywodzącej się z bezpośredniego poznania zmysłowego. Właśnie tę opowieść chcę tutaj przedstawić. Zabiorę cię w podróż do samego sedna tajemnic leżących na krańcach naszego rozumienia czasu, przestrzeni i występujących w nich oddziaływań. Moim celem nie jest czcze prowokowanie albo obrażanie, tylko… pchnięcie cię – podobnie jak my, fizycy, jesteśmy popychani i wciągani przez nowe odkrycia w nową rzeczywistość, która wzbudza jednocześnie poczucie niewygody i wzniosłości.

Ostatnie odkrycia dotyczące podstawowych skal natury obaliły pogląd na nieuchronność naszego zaistnienia we Wszechświecie. Dostarczyły też dowodów, że przyszłość będzie radykalnie odmienna od tego, co mogliśmy sobie wyobrażać, a świadectwa te dodatkowo pomniejszyły znaczenie człowieka w kosmosie.

Być może wolałoby się odrzucić ten niezbyt dogodny obraz rzeczywistości, bezosobowego i na pozór przypadkowego Wszechświata. Jeśli jednak spojrzymy na to z innej strony, obraz ten wcale nie musi być przygnębiający. Wszechświat bez określonego celu (jakim właśnie jest wedle mej najlepszej wiedzy) jest znacznie bardziej ekscytujący niż Wszechświat stworzony specjalnie dla nas, gdyż możliwości bytów są w nim dużo bardziej zróżnicowane. Jakże atrakcyjne jest poznawanie egzotycznej menażerii, podległej prawom i zjawiskom, które nie pojawiały się w naszych najśmielszych snach, a także próby rozplątywania supłów naszego doświadczenia w poszukiwaniu kryjącego się za nim porządku. Jakże fascynujące jest wykrywanie tego porządku i składanie elementów spójnego obrazu świata w skalach, których nigdy nie doświadczymy bezpośrednio – obrazu utkanego z naszej umiejętności przewidywania zdarzeń, a w konsekwencji panowania nad naszym otoczeniem. Jakie to szczęście, że trafiła się nam ta krótka chwila w promieniach Słońca! A z każdym dniem, gdy odkrywamy coś nowego i zdumiewającego, opowieść ta staje się jeszcze ciekawsza.

CZĘŚĆ PIERWSZA. GENESIS

Rozdział 1. Z szafy do jaskini

Rozdział 1

Z szafy do jaskini

Udziałem łatwowiernych – głupota, umiejętność wieńczy rozumnych.

Księga Przysłów 14:181

W moim początku było światło.

Światło z pewnością było na początku czasu, zanim jednak będziemy mogli się tym zająć, musimy przemyśleć nasze własne początki, co oznacza również przypatrzenie się początkom nauki. Implikuje to też powrót do centralnego motywu, występującego zarówno w nauce, jak i religii: do tęsknoty za czymś więcej. Za czymś wykraczającym poza świat naszego doświadczenia.

Dla wielu tęsknota ta przekłada się na coś, co nadaje Wszechświatowi sens i celowość, i rozciąga się na poszukiwanie jakiegoś ukrytego miejsca lepszego od świata, w którym żyjemy, takiego, gdzie grzechy zostają wybaczone, ból nie ma dostępu, śmierć nie istnieje. Jednak myśli innych kierują się ku zupełnie odmiennemu ukrytemu miejscu – ku fizycznemu światu niedostępnemu naszym zmysłom; światu, dzięki któremu lepiej poznamy nie tyle przyczynę, ile sposób zachowywania się obiektów. Ten ukryty świat leży u podstaw tego, czego doświadczamy, a zrozumienie go daje nam moc wpływania na swoje życie, środowisko i przyszłość.

Kontrast między tymi dwoma światami znalazł odzwierciedlenie w dwóch bardzo różnych dziełach literackich.

Pierwsze z nich – Lew, czarownica i stara szafa C.S. Lewisa – to XX-wieczna powieść fantastyczna dla dzieci, mająca silne podteksty religijne. Przedstawia doświadczenia, jakich w dzieciństwie zaznała większość z nas: szukanie pod łóżkiem, w szafie lub na strychu ukrytych skarbów czy dowodów, że istnieje coś więcej niż to, z czym zwykle mamy styczność. W książce kilkoro dzieci w wieku szkolnym odkrywa nowy świat – Narnię – wchodząc do wielkiej szafy w wiejskim domu pod Londynem, do którego zostały ewakuowane ze względów bezpieczeństwa podczas drugiej wojny światowej. Dzieci pomagają uratować Narnię przy pomocy lwa, który, jak Chrystus, pozwala się poniżyć i dobrowolnie ofiarowuje się na ołtarzu, by pokonać zło na tamtym świecie.

Religijne aluzje w opowieści Lewisa są wyraźne, ale można ją zinterpretować także w inny sposób: nie jako alegorię Boga i szatana, lecz jako metaforę niezwykłych i potencjalnie budzących grozę możliwości nieznanego – możliwości leżących poza obszarem naszych zmysłów i czekających, abyśmy odważyli się je spenetrować. Możliwości, które po ich poznaniu, mogą wzbogacić naszą wiedzę o sobie samych lub, jeśli ktoś czuje taką potrzebę, dostarczyć poczucia wartości i celowości.

Wejście do ukrytego w szafie świata jest zarazem bezpieczne (przez znane zapachy często noszonej odzieży) i tajemnicze. Wymaga pozbycia się klasycznych poglądów na temat czasu i przestrzeni, jeżeli bowiem nic szczególnego nie ujawnia się obserwatorom stojącym przed lub za szafą, a coś takiego ujawnia się komuś będącemu w środku, to przestrzeń doświadczana wewnątrz musi być znacznie większa od tej widzialnej z zewnątrz.

Sytuacja taka jest charakterystyczna dla Wszechświata, w którym czas i przestrzeń mogą być dynamiczne (jak to opisuje ogólna teoria względności). Na przykład objętość czarnej dziury widzianej spoza jej horyzontu zdarzeń (rejonu, z którego nie ma ucieczki) może wydawać się mała, ale dla obserwatora wewnątrz horyzontu (zanim zostanie starty na pył przez działającą tam grawitację) jej objętość może wydawać się całkiem inna. Jest wręcz możliwe – choć znajduje się to poza sferą, w której możemy dokonywać wiarygodnych obliczeń – że przestrzeń wewnątrz czarnej dziury stanowi przejście do innego wszechświata, rozłącznego z naszym.

Jednakże najważniejszym punktem, do którego powracam, jest to, że możliwość istnienia wszechświatów poza granicami naszej percepcji zdaje się powiązana, w wyobraźni literackiej i filozoficznej, z ewentualnością, iż sama przestrzeń nie jest taka, jak się wydaje.

Zwiastun tej idei, który można by nazwać jej prehistorią, pojawił się dwadzieścia trzy wieki przed tym, gdy Lewis stworzył swoją fantazję. Mam na myśli Państwo Platona, a w szczególności mój ulubiony fragment – alegorię jaskini. Mimo że dzieło to powstało wcześniej, w sposób jaśniejszy i bardziej bezpośredni przedstawia zarówno potencjalną konieczność, jak i potencjalne niebezpieczeństwa poszukiwań wiedzy leżącej poza zasięgiem naszych zmysłów.

W swej alegorii Platon porównuje postrzeganie przez nas rzeczywistości do wiedzy, jaką mają ludzie więzieni przez całe życie wewnątrz jaskini i zwróceni twarzą do pustej ściany. Jedynym obrazem świata jest dla nich ta ściana, którą oświetla rozpalony za nimi ogień, dzięki czemu obserwują przesuwające się po niej cienie. Są to cienie rzeczy znajdujących się za ich plecami, rzucane na ścianę przez płomień.

Poniższy rysunek pochodzi ze szkolnego podręcznika, w którym po raz pierwszy wyczytałem tę alegorię (było to wydane w 1961 roku tłumaczenie dialogów Platona).

Rysunek jest zabawny, gdyż mówi równie dużo o układzie opisanej w dialogu jaskini, co o czasie swego powstania. Na przykład dlaczego więźniami są same kobiety, w dodatku tak skąpo odziane? W czasach Platona aluzje seksualne mogłyby równie dobrze być związane z młodzieńcami.

Platon twierdzi, że więźniowie będą postrzegać cienie jako rzeczywistość i nadawać im nazwy. Nie jest to nierozumne, a w pewnym sensie, o czym się wkrótce przekonamy, jest wręcz zgodne z bardzo współczesnym poglądem na temat rzeczywistości jako tego, co dla nas bezpośrednio mierzalne. Moją ulubioną definicją rzeczywistości pozostaje jej opis podany przez autora literatury fantastycznonaukowej Philipa K. Dicka: „Rzeczywistość to coś, co nie znika, kiedy przestajesz w to wierzyć”. Więźniowie nie widzą nic oprócz cieni. Zapewne słyszą też tylko echa powstających za sobą dźwięków, gdy fale odbijają się od ściany.

Platon porównał filozofa do więźnia, którego uwolniono z niewoli i zmuszono, niemalże wbrew jego woli, nie tylko do spojrzenia na ogień, ale do przemieszczenia się jeszcze dalej i wyjścia na światło dzienne. Na początku biedak będzie porażony, gdy blask ognia i promienie słońca padające spoza jaskini uderzą go w oczy. Wszystkie rzeczy wydadzą się całkowicie obce; nie będą przypominać swoich cieni. Platon sądzi, że nowo uwolniony człowiek może nadal uważać cienie, do których się przyzwyczaił, za lepsze odwzorowanie rzeczywistości niż rzucające je obiekty.

Gdy tego człowieka wyciągnie się w końcu na słońce, jego dezorientacja i cierpienie zostaną dodatkowo pomnożone. Ostatecznie jednak przyzwyczai się do prawdziwego świata, ujrzy gwiazdy, Księżyc i niebo, a jego dusza i umysł uwolnią się od złudzeń, którymi wcześniej kierował się w życiu.

Platon twierdził, że jeśli osoba ta wróci następnie do jaskini, zdarzą się dwie rzeczy. Po pierwsze, ponieważ jego oczy odzwyczaiły się od ciemności, trudniej mu będzie rozróżniać i rozpoznawać cienie, więc jego towarzysze uznają go w najlepszym razie za upośledzonego, a w najgorszym za głupka. Po drugie, nie będzie już poważnie traktować błahych, krótkowzrocznych priorytetów swej poprzedniej społeczności ani uznawać zaszczytów spływających na tych, co najlepiej odczytują cienie i przewidują ich przyszłość, za warte zachodu. Platon ujął to poetycko: „Lepiej być biednym sługą biednego pana i znosić niedolę niż myśleć tak jak oni i żyć na ich modłę”. Tyle o tych, co całe życie trwają w złudzeniu, czyli zdaniem Platona o większości ludzi.

Alegoria mówi dalej, że zmierzanie w górę – ku światłu – oznacza wzniesienie się duszy w świat intelektualny.

Według Platona tylko przeniesienie się w „świat czysto intelektualny”, wyprawa przeznaczona dla nielicznych – konkretnie dla filozofów – może pozwolić na zastąpienie złudzeń prawdą. Na szczęście dzisiaj taka podróż jest znacznie bardziej dostępna dzięki metodom naukowym, łączącym rozumowanie i refleksję z badaniami empirycznymi. Niemniej współcześni naukowcy stają przed identycznym problemem: muszą dojrzeć, co jest źródłem cieni; coś, co pozostaje, gdy odrzucamy wstępnie przyjęte założenia.

Chociaż Platon nie mówi o tym wprost, towarzysze nieszczęśnika, który najpierw opuścił jaskinię, a potem do niej powrócił, nie tylko będą go uważać za upośledzonego, ale kiedy zacznie opowiadać o widzianych przez siebie cudach – słońcu, księżycu, jeziorach, drzewach oraz innych ludziach i ich cywilizacjach – najprawdopodobniej uznają, że zwariował.

Idea Platona jest uderzająco nowoczesna. Gdy horyzonty nauki odsuwają się coraz dalej od znanego nam świata – świata zdrowego rozsądku, wywiedzionego z bezpośrednich doświadczeń – obraz realiów u jego podłoża staje się coraz trudniejszy do pojęcia i zaakceptowania. Niektórzy czują się bezpieczniej, wracając do kierowania się mitami i przesądami.

Jednakże mamy wszelkie powody, aby oczekiwać, że „zdrowy rozsądek”, który wyewoluował pierwotnie po to, żebyśmy mogli radzić sobie z drapieżnikami na afrykańskich sawannach, może zwodzić nas, gdy próbujemy rozważać przyrodę w zupełnie innych skalach. Ewolucja nie przygotowała nas do intuicyjnego rozumienia rzeczy bardzo małych, bardzo dużych albo bardzo szybkich. Nie powinniśmy spodziewać się, że reguły, które obowiązują w naszym codziennym życiu, mają charakter uniwersalny. Chociaż w perspektywie ewolucyjnej ta krótkowzroczność okazała się użyteczna, jako osobnicy myślący możemy wykroczyć poza nią.

W tym miejscu nie mogę się powstrzymać od zacytowania ostatniego napomnienia, jakie przedstawił w swojej alegorii Platon: „w świecie wiedzy idea dobra pojawia się ostatnia i trzeba się wysilić, aby ją dojrzeć; kto zaś ją dojrzy, miarkuje, że jest ona przyczyną wszystkich rzeczy dobrych i słusznych, rodzicem światła (…) bezpośrednim źródłem rozumu i prawdy”.

Platon argumentował dalej, że do tego właśnie powinny dążyć, zarówno w życiu publicznym, jak i prywatnym, racjonalnie postępujący ludzie – do poszukiwania „dobra” przez odwołanie się do rozumu i prawdy. Sugerował, że możemy to robić jedynie przez odkrywanie realiów u podłoża naszego bezpośredniego doświadczenia, zamiast analizować złudną rzeczywistość, której istnienia możemy sobie życzyć. Racjonalnym – czyli dobrym – działaniem nie jest sama wiara, ale racjonalna analiza tego, co realne.

Dzisiaj platońską wizję „czystego rozumu” zastąpiła metoda naukowa, która, opierając się na logice oraz eksperymencie, pozwala na odkrywanie głębszych pokładów rzeczywistości. Obecnie racjonalne postępowanie w życiu publicznym i prywatnym wymaga podstawy rozumowej i empirycznej, a często też odejścia od solipsystycznego świata naszego bezpośredniego doświadczenia. Zasada ta jest źródłem mojej aktywności publicznej przeciw regulacjom prawnym opartym na ideologii, a nie dowodach. Zapewne dlatego też jestem tak negatywnie nastawiony do pojęcia „świętości”, implikującego idee czy zalecenia niepodlegające kwestii, analizie, dyskusji, a czasem wyśmianiu.

Trudno wyrazić to ostrzej, niż zrobiłem to w „New Yorkerze”:

Przedstawianie tez naukowych jako niepodlegających dyskusji podkopuje naukę. Podobnie kiedy w naszym społeczeństwie bezkarnie uchodzą religijne akty czy twierdzenia o świętości, podkopujemy podstawy współczesnej świeckiej demokracji. Mamy obowiązek wobec nas samych i wobec naszych dzieci, by nie godzić się na to, aby rządy – totalitarne, teokratyczne, demokratyczne – wspierały, wymuszały lub w jakikolwiek inny sposób legitymizowały blokowanie stawiania otwartych pytań w celu ochrony idei uważanych za „uświęcone”. Pięćset lat istnienia nauki uwolniło ludzkość od kajdan narzucanej ignorancji.

Odkładając jednak filozoficzne refleksje na bok, jaskinię Platona przywołałem tu głównie po to, aby posłużyła za konkretny przykład natury odkryć naukowych, będących treścią historii, którą chcę opowiedzieć.

Wyobraźmy sobie cień, jaki nasi więźniowie mogliby zobaczyć na ścianie, stworzony przez niecnego kuglarza stojącego przed ogniskiem:

Widać na nim zarówno długość, jak i zwrot – dwie wielkości, które dla nas, nieuwięzionych w jaskini, są oczywiste.

Jednakże, gdy więźniowie patrzą na cień, ulega on zmianie:

Później wygląda tak:

Jeszcze później tak:

A jeszcze później tak:

Co więźniowie mogliby wydedukować? Zapewne to, że długość i zwrot nie są wielkościami absolutnymi. W ich świecie przedmioty mogą arbitralnie zmieniać zarówno długość, jak i zwrot. W realiach ich bezpośredniego doświadczenia ani długość, ani zwrot nie wydają się mieć trwałego znaczenia.

A co odkryje filozof natury, który wydostał się na powierzchnię, by penetrować bogatszy świat poza sferą cieni? Stwierdzi przede wszystkim, że cień to tylko cień: dwuwymiarowy obraz na ścianie, będący rzutem rzeczywistego, trójwymiarowego obiektu znajdującego się z tyłu za więźniami. Zobaczy też, że przedmiot ma stałą, niezmienną długość i że przymocowano do niego grot, który zawsze znajduje się po tej samej stronie. Patrząc z punktu obserwacyjnego położonego w pewnej odległości nad przedmiotem, stwierdzi, że zmienność obrazu na ścianie wynika z rzutowania obracającego się wiatrowskazu:

Po powrocie do swych towarzyszy filozof-naukowiec wyjaśni im, że absolutna wielkość, nosząca nazwę długości, nie zmienia się w czasie oraz że niektóre obiekty mają jednoznacznie określony zwrot. Powie swym przyjaciołom, że prawdziwy świat ma trzy wymiary, a nie dwa, i kiedy to do nich dotrze, zniknie całe zamieszanie związane z obserwowaniem pozornie przypadkowych zmian.

Czy towarzysze mu uwierzą? Stoi przed nim trudne zadanie, ponieważ więźniowie nie rozumieją intuicyjnie, czym jest obrót (opierając się na intuicji wynikającej wyłącznie z dwuwymiarowego doświadczenia, trudno jest mentalnie zobrazować sobie rotację w dodatkowym wymiarze). Puste spojrzenia? Zapewne. Wariatkowo? Być może. Jednakże filozof mógłby zaintrygować więźniów, podkreślając atrakcyjne konsekwencje swego twierdzenia: zachowanie wyglądające z pozoru na skomplikowane i przypadkowe można łatwo wytłumaczyć za pomocą znacznie prostszego, głębszego obrazu natury, a pozornie odległe zjawiska mogą być ze sobą związane, stanowiąc elementy jednolitej całości.

Co więcej, byłby w stanie dokonywać przewidywań, które jego kompani mogliby weryfikować. Po pierwsze, mógłby stwierdzić, że jeśli obserwowana przez nich zmiana długości cienia faktycznie wynika z obrotu w trzecim wymiarze, to po tym, jak cień na krótko zniknie, natychmiast pojawi się na nowo ze strzałką zwróconą w przeciwną stronę. Po drugie, mógłby prognozować, że w trakcie oscylacji cienia jego maksymalna długość ze strzałką skierowaną w jedną stronę będzie dokładnie taka sama jak największa długość w sytuacji, gdy strzałka zwrócona jest w drugą stronę.

Jaskinia Platona może być zatem alegorią sięgającą znacznie dalej, niż zamierzył jej autor. Uwolniony więzień odkrywa główne elementy zadziwiającej, prawdziwej opowieści o naszych zmaganiach w poznawaniu natury w jej najbardziej podstawowych skalach związanych z przestrzenią, czasem i materią. My także musimy pozbyć się kajdan dotychczasowego doświadczenia, jeśli chcemy odkryć głębokie i piękne uproszczenia oraz przewidywania, które mogą w równym stopniu budzić zachwyt, co napawać trwogą.

Chociaż z początku od światła lśniącego poza obrębem jaskini Platona bolą oczy, z czasem jego blask okazuje się fascynujący. Kiedy raz się je zobaczy, nie ma już odwrotu.

Rozdział 2. Widzenie w ciemnościach

Rozdział 2

Widzenie w ciemnościach

„Niechaj się stanie światłość!” I stała się światłość.

Księga rodzaju 1:3

Na początku było światło.

To nie przypadek, że starożytni wyobrażali sobie w Księdze Rodzaju, iż światło zostało stworzone pierwszego dnia. Bez światła nie można być świadomym ogromu otaczającego nas Wszechświata. Kiedy w rozmowie z kimś mówimy: „Widzisz, to było tak a tak”, nie zachęcamy go do prostej obserwacji wzrokowej, tylko do dogłębnego zrozumienia danej sprawy.

Alegoria Platona trafnie koncentrowała się na świetle – świetle płomienia rzucającego cienie na ścianę i świetle na zewnątrz jaskini, które w pierwszej chwili oślepia uwolnionego więźnia, a potem ukazuje mu rzeczywisty świat. Podobnie jak ci ludzie w jaskini, my też jesteśmy więźniami światła: prawie całą wiedzę o świecie zawdzięczamy wzrokowi.

Chociaż słowa „Niechaj się stanie światłość” mogą być najważniejszym zdaniem w kanonie religii Zachodu, fraza ta zyskuje we współczesnym świecie całkowicie inne znaczenie. Ludzie są więźniami światła, ale więźniem światła jest też cały Wszechświat. Coś, co kiedyś wydawało się kaprysem judeo-chrześcijańskiego Boga (albo innych, wcześniejszych bogów), jest obecnie uważane za wymóg samych praw fizyki, dzięki którym zaistniało niebo i co ważniejsze, Ziemia. Nie można mieć jednego bez drugiego. Ziemia – materia – idzie w ślad za światłem.

Ta zmiana w postrzeganiu leży u podstaw niemal każdego postępu, jaki zaszedł w gmachu nowoczesnej nauki. Pisząc te słowa, patrzę z pokładu statku na jedną z wysp Galapagos, rozsławionych przez Charlesa Darwina i będących przyczyną jego sławy. Darwin zmienił nasze postrzeganie różnorodności form życia za pomocą jednego genialnego spostrzeżenia: wszystkie żywe organizmy wyewoluowały w drodze naturalnej selekcji drobnych dziedziczonych zmian, które są przekazywane przyszłym pokoleniom przez osobniki żyjące dostatecznie długo. Podobnie jak zrozumienie zasad ewolucji wywróciło nasze pojęcie o biologii, tak odmienne rozumienie natury światła całkowicie zmieniło wiedzę o naszym miejscu we Wszechświecie. Dodatkowo zmiany te zaowocowały rozwojem prawie całej stosowanej współcześnie technologii.

Przez ponad dwadzieścia wieków po Platonie nie zdawano sobie sprawy, jak bardzo nasze obserwacje zewnętrznego świata blokują nasz umysł i ograniczają opis tkanki Wszechświata. Kiedy uczeni podjęli próbę szczegółowego poznania ukrytej natury Wszechświata, znalezienie pełnej odpowiedzi na pytanie, czym jest światło, zajęło im aż cztery wieki.

Być może najpoważniejszym, choć z pewnością nie pierwszym myślicielem nowoczesnym, który zadał to pytanie, był także jeden z najbardziej znanych – i najosobliwszych – uczonych w historii: Isaac Newton. Taktowanie go jako nowoczesnego jest w pełni uzasadnione, jego dzieło Principia: Matematyczne zasady filozofii naturalnej odsłoniło klasyczne prawa ruchu oraz położyło podwaliny pod teorię grawitacji, tworząc podstawy współczesnej fizyki. Niemniej, jak zauważył John Maynard Keynes, „Newton nie był pierwszym przedstawicielem ery rozumu; był on ostatnim magiem, ostatnim spośród Babilończyków i Sumerów, ostatnim wielkim umysłem, który patrzył na świat widzialny i intelektualny takimi samymi oczami jak ci, którzy blisko dziesięć tysięcy lat temu rozpoczęli budować nasze intelektualne dziedzictwo”.

Treść tego stwierdzenia odzwierciedla rewolucyjne znaczenie osiągnięć Newtona. Po ukazaniu się Principiów żaden myślący człowiek nie mógł już patrzeć na świat w taki sam sposób jak starożytni. Odzwierciedla ono jednak także charakter samego Newtona. Znacznie więcej czasu i atramentu niż fizyce poświęcił on pisaniu o okultyzmie, alchemii oraz ukrytych znaczeniach i kodach zawartych w Biblii – koncentrując się szczególnie na Apokalipsie i tajemnicach związanych ze starożytną Świątynią Salomona.

Newton należał także do długiego korowodu ludzi, którzy przyszli przed nim i po nim z przekonaniem, że zostali wybrani przez Boga, aby odsłonić prawdziwe znaczenie Pisma Świętego. Nie jest jasne, jak wielki wpływ na podjęte przez Newtona badania Wszechświata miała jego fascynacja Biblią, jest jednak całkiem prawdopodobne, że głównym obszarem jego zainteresowań była teologia, a filozofia naturalna miała znacznie mniejsze znaczenie, być może mniejsze niż alchemia.

Wiele osób wskazuje na fascynację Newtona Bogiem jako na świadectwo możliwości pogodzenia nauki z religią oraz przyczynek do stwierdzenia, że nowoczesna nauka zawdzięcza swe istnienie chrześcijaństwu. Jest to mylenie historii z przyczynowością. Nikt nie zaprzeczy, że poczynając od Newtona, wielu wczesnych gigantów nowoczesnej filozofii naturalnej Zachodu było ludźmi głęboko religijnymi (choć Darwin w późniejszej fazie swego życia utracił w dużym stopniu, a może całkowicie, wiarę). Proszę jednak pamiętać, że przez większą część tego okresu istniały tylko dwa źródła wykształcenia i dobrobytu: Kościół i Korona. W wiekach XV, XVI i XVII Kościół odgrywał rolę państwowej akademii nauk. Wszystkie instytucje prowadzące kształcenie wyższe były powiązane z Kościołem. I – jak przekonał się Giordano Bruno, a następnie Galileusz – skutki zaprzeczania jego doktrynie w najlepszym razie były nieprzyjemne. Byłoby czymś zdumiewającym, gdyby w owym czasie którykolwiek z czołowych uczonych nie okazywał religijności.

Religijność pionierów nauki jest dzisiaj również często podkreślana przez sofistów, którzy twierdzą, że nauka i religia nie stoją ze sobą w sprzeczności. Mylą oni jednak naukę z naukowcami. Wbrew pozorom naukowcy to także ludzie i jak wszyscy ludzie mogą znajdować w głowach miejsce dla potencjalnie przeciwstawnych idei. Korelacje pomiędzy sprzecznymi poglądami żywionymi przez jednostki mogą odzwierciedlać wyłącznie ludzką niedoskonałość.

Twierdzić, że niektórzy naukowcy są albo byli religijni, to tak jakby mówić, że pewni naukowcy w USA są zwolennikami Republikanów albo koncepcji płaskiej Ziemi czy kreacjonizmu. Nie wynika z tego przyczynowość ani spójność. Mój przyjaciel Richard Dawkins opowiedział mi kiedyś o profesorze astrofizyki, który w ciągu dnia pisze artykuły do naukowych pism astronomicznych, przyjmując, że wiek Wszechświata przekracza 13 miliardów lat, po czym idzie do domu i prywatnie prezentuje biblijny pogląd, iż Wszechświat ma sześć tysięcy lat.

O intelektualnej spójności (lub jej braku) w nauce stanowi związek argumentów rozumowych ze świadectwami empirycznymi i wielokrotnymi testami. Można zgodnie z prawdą stwierdzić, że na Zachodzie religia była matką nauki. Ale jak to wiedzą wszyscy rodzice, dziecko rzadko wyrasta na ich wierne odwzorowanie.

Newton mógł, jak chce tradycja, zainteresować się światłem dlatego, że uważał je za dar Boski, jednak jego dzieła pamiętamy nie z powodu tej motywacji, lecz dzięki temu, co odkrył. Był przekonany, że światło składa się z cząstek, które nazywał korpuskułami. Z kolei Kartezjusz, Robert Hooke (późniejsze utrapienie Newtona), a jeszcze później holenderski uczony Christiaan Huygens twierdzili, że światło jest falą. Jednym z kluczowych argumentów na korzyść teorii falowej była obserwacja, że pryzmat rozszczepia światło białe (czyli takie jak emitowane przez Słońce) na wszystkie kolory tęczy.

Newton jak zwykle był pewien, że to on ma rację, a mylą się jego najznamienitsi oponenci (i konkurenci). Aby to pokazać, opracował inteligentne doświadczenie z pryzmatami, które przeprowadził po raz pierwszy w domu w Woolsthorpe, w którym schronił się przed plagą dżumy dziesiątkującą Cambridge. W 1672 roku w raporcie dla Royal Society stwierdził, że w czterdziestej czwartej próbie zaobserwował dokładnie to, czego się spodziewał.

Obrońcy teorii falowej przekonywali, że fale świetlne są białym światłem, które rozszczepia się w pryzmacie na różne barwy z powodu „degradacji”, jakiej ulegają promienie biegnące w szkle. W takim przypadku im grubsze szkło, tym silniejsze jest rozszczepienie.

Newton tłumaczył, że tak nie jest, a światło składa się z kolorowych cząstek, które w połączeniu dają barwę białą. (Robiąc ukłon w stronę swej fascynacji okultyzmem, podzielił kolorowe cząstki spektrum – ukutej przez niego nazwy – na siedem rodzajów: czerwone, pomarańczowe, żółte, zielone, niebieskie, granatowe i fioletowe. Od czasów starogreckich uważano, że liczba siedem ma cechy mistyczne.) Aby pokazać, że model falowo-degradacyjny jest błędny, Newton przepuścił wiązkę białego światła przez dwa przeciwnie ustawione pryzmaty. Pierwszy z nich rozszczepił światło na różne barwy, a drugi z powrotem utworzył z nich pojedynczą wiązkę światła białego. Taki efekt byłby niemożliwy, gdyby szkło degradowało światło. Drugi pryzmat tylko pogłębiłby efekt, a nie spowodował powrót wiązki światła do stanu pierwotnego.

W rzeczywistości wynik ten nie obala falowej teorii światła (wręcz ją wspiera, gdyż światło ugięte w momencie wchodzenia do pryzmatu zwalnia, zupełnie tak jak fale). Skoro jednak propagatorzy tej teorii (błędnie) twierdzili, że przyczyną rozszczepienia widma jest degradacja, a przeprowadzony przez Newtona eksperyment wykazał, iż tak nie jest, model cząsteczkowy zyskał silne wsparcie.

Newton odkrył także wiele innych aspektów światła, które dzisiaj wykorzystujemy w falowym opisie natury tego promieniowania. Pokazał, że kiedy przepuszcza się je przez pryzmat, każda barwa ugina się pod specyficznym dla siebie kątem. Pokazał też, że kolor wszystkich przedmiotów wydaje się taki sam co barwa oświetlającego je światła, a także że światło o określonej barwie nie zmienia jej niezależnie od tego, ile razy się odbije lub przejdzie przez pryzmat.

Wszystkie te wyniki (łącznie z pierwszym) można łatwo wytłumaczyć, jeśli faktycznie białe światło stanowi mieszaninę różnych kolorów, i pod tym względem Newton miał rację. Nie może ono jednak składać się z różnokolorowych cząstek. Białe światło składa się z fal o wielu długościach.

Przeciwnicy Newtona łatwo się nie poddali, nawet pomimo rosnącej pozycji ich adwersarza oraz śmierci jego głównego oponenta, Hooke’a. Nie ustąpili nawet w 1703 roku, gdy Newton został wybrany prezesem Royal Society, na rok przed opublikowaniem wyników swych badań nad światłem w epokowym dziele Opticks. Debata nad naturą światła trwała przez ponad sto lat.

Problem z falowym obrazem światła był w pewnym stopniu związany z pytaniem: czego falą jest światło? Jeśli światło ma być falą, a wszystkie znane fale wymagają jakiegoś ośrodka, powstaje kwestia, w jakim ośrodku porusza się światło. Pytanie to było tak kłopotliwe, że zwolennicy teorii falowej musieli powołać do istnienia nową niewidzialną substancję przenikającą całą przestrzeń – eter.

Rozwiązanie tej zagadki nadeszło, jak to często bywa, z zupełnie nieoczekiwanego zakątka fizyki, pełnego iskier i wirujących kół.

Kiedy zostałem młodym profesorem w Yale, dostając w schedzie obszerny i wiekowy gabinet po równie wiekowym profesorze odchodzącym na emeryturę, odziedziczyłem też kopię zrobionej w 1861 roku fotografii Michaela Faradaya. Od tego czasu przechowuję ją jak skarb.

Nie uznaję kultu bohaterów, ale gdybym to robił, Michael Faraday byłby moim idolem. Zapewne żaden XIX-wieczny uczony nie przyczynił się w równym stopniu co on do rozwoju technologii, z której korzysta dzisiejsza cywilizacja. Faraday nie zdobył starannego formalnego wykształcenia; w wieku czternastu lat został uczniem introligatora. W późniejszych latach, gdy zdobył już światowe uznanie za swe osiągnięcia naukowe, pozostał wierny swoim skromnym korzeniom, nie godząc się na przyjęcie tytułu szlacheckiego i dwukrotnie odrzucając wybór na prezesa Royal Society. Z powodów etycznych nie zgodził się zostać doradcą rządu brytyjskiego w sprawie produkcji broni chemicznej, której zamierzano użyć podczas wojny krymskiej. Chcąc zachęcić młodzież do nauk przyrodniczych, przez ponad trzydzieści trzy lata wygłaszał serie wykładów bożonarodzeniowych w Royal Institution. Cóż mogłoby się w nim nie podobać?

Postawa Faradaya jest więc godna podziwu, niemniej dla naszej opowieści ważne są jego osiągnięcia naukowe. Swoim studentom zawsze przekazuję pierwszą lekcję, jaką daje nam Faraday: podlizuj się swoim profesorom. W wieku dwudziestu lat Faraday zakończył siedmioletnie szkolenie na introligatora i zaczął uczęszczać na wykłady sławnego chemika Humphry’ego Davy’ego, będącego wówczas dyrektorem Royal Institution. Po ich zakończeniu Faraday dał Davy’emu w prezencie trzystustronicową pięknie oprawioną książkę zawierającą sporządzone przez siebie notatki z wykładów. W ciągu roku Faraday został sekretarzem Davy’ego, a następnie asystentem w Royal Institution.

Z czasem Faraday znowu odebrał podobną naukę, tym razem jednak z odwrotnym skutkiem. Podekscytowany swymi wczesnymi, znaczącymi doświadczeniami, zapomniał nadmienić w publikacji o udziale Davy’ego w eksperymentach. Prawdopodobnie to właśnie ten niezamierzony afront spowodował, że został on delegowany przez Davy’ego do innych zajęć, przez co jego przełomowe dla świata badania opóźniły się o wiele lat.

Kiedy Faraday wreszcie wrócił do pracy naukowej, zajął się „gorącym” tematem: nowo odkrytym związkiem między elektrycznością a magnetyzmem. Zainspirowały go wyniki duńskiego fizyka Hansa Christiana Oersteda. Te dwie siły wyglądają na zupełnie różne, występują w nich jednak dziwne podobieństwa. Ładunki elektryczne mogą się przyciągać albo odpychać. Podobnie jest z magnesami. Jednakże magnesy zawsze mają dwa bieguny – północny i południowy – których nie da się wyizolować, podczas gdy pojedynczy ładunek może być dodatni albo ujemny.

Od pewnego czasu naukowcy i filozofowie przyrody zastanawiali się, czy między tymi siłami występuje jakiś ukryty związek. Pierwszą wskazówkę empiryczną uzyskał Ørsted przez czysty przypadek. W 1820 roku podczas prowadzenia wykładu zauważył, że igła kompasu odchyla się w momencie, gdy włączony zostaje prąd z baterii. Po kilku miesiącach przeprowadził eksperyment i odkrył, że prąd poruszających się ładunków elektrycznych (który obecnie nazywamy prądem elektrycznym) wywołuje efekt przyciągania magnetycznego, przez co końce igieł kompasów rozmieszczonych wokół przewodu ustawiają się wzdłuż okręgu.

Ørsted wytyczył nowy szlak. Wieści szybo rozeszły się wśród naukowców w kontynentalnej Europie i po drugiej stronie kanału La Manche. Poruszające się elektryczne ładunki wytwarzają pole magnetyczne. Czy istnieją jeszcze jakieś związki? Czy magnesy mogą wpływać na ładunki elektryczne?

Badacze rozpoczęli poszukiwania, ale bez sukcesu. Davy wraz z jednym ze współpracowników próbował skonstruować silnik elektryczny wykorzystujący efekt odkryty przez Oersteda, lecz bez powodzenia. W końcu Faraday umieścił drut z prądem wokół magnesu, tworząc w ten sposób prymitywny silnik. W opisie właśnie tego osiągnięcia zapomniał nadmienić o Davym.

W pewnym sensie była to tylko rozgrzewka. Nie odkryto żadnego nowego fundamentalnego zjawiska. Być może właśnie to stało się przesłanką dla jednej z moich ulubionych (zapewne apokryficznych) anegdot o Faradayu. Podobno William Gladstone, przyszły premier Wielkiej Brytanii, dowiedział się o pełnym wyjątkowych urządzeń laboratorium Faradaya i w 1850 roku zadał pytanie, jaka jest praktyczna wartość badań nad elektrycznością. Faraday miał odpowiedzieć: „Sir, istnieje duże prawdopodobieństwo, że niedługo będzie ją pan mógł opodatkować”.

Apokryficzna czy nie, ta błyskotliwa replika jest równie ironiczna, co prawdziwa. Kierowane czystą ciekawością naukowe dociekania mogą wydawać się sztuką dla sztuki, odległą od jakiegokolwiek pożytku społecznego. Jednakże zasadniczo cała wygoda, jaką mają ludzie w cywilizacji zachodniej, jest owocem takich właśnie badań, w tym nad energią elektryczną zasilającą dziś niemal każde używane przez nas urządzenie.

W dwa lata po śmierci Davy’ego w 1829 roku i w sześć lat po otrzymaniu stanowiska szefa laboratorium Royal Institution Faraday dokonał czynu, który utrwalił jego reputację bodaj największego fizyka doświadczalnego XIX wieku: odkrył indukcję magnetyczną. Od 1824 roku usiłował stwierdzić, czy magnetyzm może mieć wpływ na prąd płynący w pobliskim drucie albo wywołać jakąś siłę elektryczną działającą na cząstki naładowane. Zależało mu głównie na zbadaniu, czy magnetyzm może indukować elektryczność, analogicznie do odkrytego przez Ørsteda efektu, w którym elektryczność (a w szczególności prąd elektryczny) jest źródłem magnetyzmu.

Dwudziestego ósmego października 1831 roku Faraday w swym zeszycie laboratoryjnym opisał ważną obserwację. Zauważył, że gdy włączał prąd w drucie owiniętym na żelaznym pierścieniu w celu namagnetyzowania żelaza, na chwilę pojawiał się prąd także w innym drucie owiniętym na tym samym pierścieniu. Najwyraźniej sama obecność magnesu nie tworzy prądu w drucie, ale włączanie i wyłączanie – tak. Faraday następnie stwierdził, że taki sam efekt występuje, gdy przesuwa się magnes w pobliżu drutu. Kiedy zbliżał lub oddalał magnes od drutu, płynął w nim prąd. Podobnie jak poruszający się ładunek tworzył magnes, tak w jakiś sposób ruchomy magnes – albo magnes o zmiennej sile – wytwarzał siłę elektryczną w pobliskim drucie, dzięki czemu powstawał prąd.

Jeśli głębokie teoretyczne implikacje tego prostego i zdumiewającego efektu nie wydają ci się natychmiast ewidentne, można to wybaczyć, gdyż jego konsekwencje są bardzo subtelne i potrzeba było największego teoretyka XIX wieku, aby je rozwikłać. Jeśli chcemy poprawnie uchwycić ich sens, musimy odwołać się do koncepcji, której autorem był sam Faraday. Ponieważ jego formalne wykształcenie było bardzo skąpe – był głównie samoukiem – nigdy nie czuł się biegły w matematyce. Zgodnie z inną, zapewne też apokryficzną anegdotą Faraday miał się chwalić, że tylko jeden raz równanie matematyczne pojawiło się w jego publikacjach. Pewne jest natomiast, że nigdy nie przedstawił odkrycia indukcji magnetycznej w postaci matematycznej.

Nie czując się za pan brat z matematyką, Faraday zmuszony był myśleć obrazami, aby zyskać intuicję co do fizycznych mechanizmów u podłoża dokonywanych obserwacji. W rezultacie wpadł na pomysł, który stanowi kamień węgielny całej współczesnej fizyki teoretycznej, a także wyjaśnia zagadkę, z którą aż do końca swych dni nie mógł sobie poradzić Newton.

Faraday zadał sobie pytanie, skąd ładunek elektryczny „wie”, jak ma zachowywać się w obecności innego, odległego ładunku. To samo pytanie w odniesieniu do grawitacji zadał Newton, zastanawiając się, skąd Ziemia może „wiedzieć”, co ma robić, gdy działa na nią przyciąganie Słońca. W jaki sposób siła grawitacji przenoszona jest z jednego ciała na drugie? W tej sprawie udzielił sławnej odpowiedzi: hypotheses non fingo, czyli „nie stawiam hipotez”, sugerując, że znalazł prawo powszechnej grawitacji oraz stwierdził, iż jej przewidywania zgadzają się z obserwacjami i to wystarczy. Od tego czasu wielu fizyków stosowało podobny wykręt, kiedy proszono ich, aby wytłumaczyli różne dziwne wyniki; dotyczy to szczególnie mechaniki kwantowej, w przypadku której matematyczne przewidywania są poprawne, ale stojący za nimi obraz fizyczny często wydaje się bezsensowny.

Faraday wyobraził sobie, że każdy ładunek elektryczny jest otoczony elektrycznym „polem”, które wyobrażał sobie w myślach. Widział to pole jako wiązkę linii wychodzących promieniście z ładunku. Linie mają na sobie strzałki; jeśli ładunek jest dodatni, strzałki zwrócone są od niego, a jeśli ujemny – do niego:

Faraday wyobraził sobie dalej, że liczba linii pola wzrasta wraz ze wzrostem wielkości ładunku:

Użyteczność tego wyobrażenia dla Faradaya polegała na tym, że mógł teraz intuicyjnie zrozumieć, co i dlaczego się dzieje, kiedy w pobliżu pierwszego ładunku umieści się drugi ładunek testowy. (Gdy używam kolokwialnego „dlaczego”, mam na myśli „w jaki sposób”). Bez względu na to, gdzie znajdzie się ładunek testowy, będzie on odczuwać „pole” pierwszego ładunku; działająca na niego siła będzie proporcjonalna do liczby linii pola w tym obszarze, a jej kierunek będzie zgodny z kierunkiem linii pola. Poniższy przykładowy ładunek testowy będzie wypychany na zewnątrz w pokazanym kierunku:

Obrazowanie Faradaya można wykorzystać jeszcze bardziej. Wyobraźmy sobie dwa ładunki umieszczone blisko siebie. Ponieważ linie pola zaczynają się w ładunku dodatnim, kończą w ujemnym i nigdy się nie przecinają, można niemal intuicyjnie przewidzieć, że linie pola między dwoma ładunkami dodatnimi wydają się odpychać, a między ładunkiem dodatnim i ujemnym łączyć:

Znowu, jeśli ładunek testowy umieścimy w dowolnym miejscu w pobliżu obu ładunków, będzie on odczuwać siłę działającą w kierunku linii pola, a wartość tej siły będzie proporcjonalna do liczby linii pola w tym obszarze.

Faraday zobrazował naturę działających między cząstkami sił elektrycznych w sposób, który nie wymaga rozwiązywania opisujących te siły równań algebraicznych. Najbardziej zdumiewa to, że obrazy te dokładnie odpowiadają zależnościom matematycznym, a nie tylko prezentują je w przybliżeniu.

Podobny obraz można zastosować dla magnesów i pól magnetycznych, odtwarzając zweryfikowane eksperymentalnie przez Coulomba prawo sił działających między magnesami, a także wyprowadzone przez Andrégo Marie Ampère’a prawo dla przewodów z prądem elektrycznym. (Przed Faradayem wszystkich odkryć wagi ciężkiej związanych z elektrycznością i magnetyzmem dokonywali Francuzi.)

Korzystając z takiej pomocy, możemy sformułować odkrytą przez Faradaya indukcję magnetyczną w następujący sposób: zwiększenie lub zmniejszenie liczby linii pola magnetycznego przechodzących przez pętlę z drutu powoduje popłynięcie w nim prądu.

Faraday szybko zrozumiał, że dzięki jego odkryciu będzie można przekształcać moc mechaniczną w elektryczną. Jeśli pętlę z drutu przymocujemy do turbiny (takiej jak koło młyńskie), którą coś porusza (na przykład płynąca woda), a całość będzie otaczał magnes, wówczas w trakcie obrotów turbiny liczba linii pola magnetycznego będzie się ciągle zmieniać i w drucie będzie stale powstawać prąd. Proszę bardzo: Niagara, hydroelektrownie i nowoczesny świat!

To jedno jedyne odkrycie mogłoby ugruntować reputację Faradaya jako największego fizyka doświadczalnego XIX wieku. Ale jego motywacją wcale nie była technologia. I właśnie dlatego oceniam Faradaya tak wysoko; najbardziej podziwiam jego nienasyconą ciekawość świata oraz zapał w przekazywaniu wiedzy jak najszerszemu gronu zainteresowanych. Jestem przekonany, że zgodziłby się ze stwierdzeniem, iż głównym pożytkiem z nauki jest jej udział w zmieniającym się pojmowaniu naszego miejsca w kosmosie. I ostatecznie do tego właśnie doprowadził.

Nie mogę powstrzymać się, aby nie wspomnieć tutaj o innym, bardziej nam współczesnym wielkim fizyku doświadczalnym, Robercie R. Wilsonie. W wieku 29 lat został on szefem wydziału badawczego w Los Alamos, który pracował nad konstrukcją bomby atomowej w ramach projektu Manhattan. Wiele lat później mianowano go pierwszym dyrektorem Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) w Batavii w Illinois. W 1969 roku, gdy Fermilab był jeszcze w budowie, Wilsona wezwano przed Kongres, aby wytłumaczył, dlaczego ten egzotyczny nowy akcelerator, mający badać fundamentalne oddziaływania cząstek elementarnych, pochłania tak wielkie fundusze. Zapytany, czy akcelerator będzie przyczyniać się do wzmacniania bezpieczeństwa narodowego (co w oczach kongresmenów byłoby wystarczającym usprawiedliwieniem wydatków), śmiało powiedział, że nie, tłumacząc:

Chodzi w nim tylko o szacunek, z jakim podchodzimy do siebie nawzajem, o ludzką godność, o nasze umiłowanie kultury (…) Wiąże się z pytaniem: czy jesteśmy dobrymi malarzami, dobrymi rzeźbiarzami, wielkimi poetami? Mam na myśli wszystkie te rzeczy, które naprawdę czcimy i poważamy w naszym kraju i które są częścią naszego patriotyzmu. W tym sensie nowa wiedza ma związek z honorem i ojczyzną, ale nie bezpośrednio z obronnością kraju poza tym, że czyni go wartym obrony.

Dzięki odkryciom Faradaya nasza cywilizacja mogła się rozwijać, nasze miasta i nasze ulice są pełne światła, działają nasze urządzenia elektryczne. Trudno wyobrazić sobie inne odkrycie, równie głęboko wplecione w mechanizmy funkcjonowania naszego społeczeństwa. Ale wkład Faradaya do naszej opowieści jest jeszcze głębszy, odkrył on bowiem brakujący kawałek układanki, który zmienił sposób myślenia praktycznie o wszystkich aspektach świata fizycznego, poczynając od samego światła. Jeżeli Newton był ostatnim magiem, to Faraday był ostatnim z nowoczesnych uczonych, którzy pozostawali w mroku, jeśli chodzi o światło. Po jego dokonaniach klucz do odsłonięcia prawdziwej natury naszego głównego okna na świat był już gotów na przyjście kogoś, kto go znajdzie.

Po dziesięciu latach młody szkocki fizyk teoretyk miał szczęście, aby wykonać następny krok.

Rozdział 3. Przez szkło, jasno

Rozdział 3

Przez szkło, jasno1

Nic nie jest zbyt piękne, aby mogło być prawdziwe, o ile tylko nie sprzeciwia się prawom natury; aby zaś zbadać tę zgodność, najlepiej uciec się do eksperymentu.

Faraday, wpis nr 10 040 w zeszycie laboratoryjnym (18 marca 1849)

Przypadek sprawił, że James Clerk Maxwell, największy fizyk teoretyk XIX wieku, którego znaczenie dla fizyki Einstein porównał do roli Newtona, urodził się w roku, w którym Michael Faraday dokonał odkrycia indukcji.

Podobnie jak w przypadku Newtona droga naukowa Maxwella zaczęła się od fascynacji barwami i światłem. Newton badał widmo kolorów, na które rozszczepia się światło białe po przejściu przez pryzmat, Maxwell zaś, jeszcze w czasach studenckich, rozważał odwrotny problem: jaka jest najmniejsza liczba barw podstawowych, które są w stanie odtworzyć wszystkie rozróżniane przez ludzi kolory zawarte w białym świetle. Korzystając z zestawu wirujących kolorowych bączków pokazał, że zasadniczo wszystkie postrzegane przez nas barwy mogą powstać z połączenia czerwieni, zieleni i niebieskiego (wie to każdy, kto kiedyś podłączał kable RGB do monitora). Dzięki temu odkryciu stworzył pierwszą prymitywną fotografię barwną. Później zafascynowało go światło spolaryzowane, które powstaje, gdy w fali świetlnej pola elektryczne i magnetyczne oscylują tylko w pewnych kierunkach. Maxwell przepuszczał światło przez umieszczone między polaryzatorami kawałki żelatyny. Gdy dwa polaryzatory, przepuszczające tylko światło spolaryzowane w innym kierunku prostopadłym, ustawiano jeden za drugim, padające światło nie przedostawało się przez układ. Gdy jednak w żelatynie były obecne naprężenia, dochodziło do obrotu osi polaryzacji przechodzącego przez nią światła i jego część wydostawała się na zewnątrz. Obserwując światło wychodzące z drugiego polaryzatora, Maxwell był w stanie stwierdzić, jakie naprężenia występują w żelatynie. Obecnie metodę tę stosuje się do badania naprężeń materiału w skomplikowanych konstrukcjach.

Jednak nawet te genialne doświadczenia nie oddają w pełni potęgi żądnego wiedzy umysłu Maxwella ani jego zdolności matematycznych, które objawiły się już w bardzo młodym wieku. Niestety, Maxwell zmarł, mając zaledwie 48 lat, swych osiągnięć dokonał zatem w bardzo krótkim czasie. Gdy miał tylko trzy lata, matka wspomniała o jego dociekliwości w dopisku do listu, który jego ojciec wysłał do szwagierki: „Jest bardzo radosny, a odkąd pogoda się poprawiła, znacznie lepiej się czuje; ma dużo zajęcia przy drzwiach, zamkach, kluczach itp. i z ust nie schodzi mu: Pokaz mi, jak to zlobić. Bada niewidoczny bieg strumieni i kabli, a także którędy woda ze stawu przenika przez ściany”.

Po przedwczesnej śmierci matki (zmarła na raka żołądka, na który w jej wieku umrze także Maxwell) jego edukacja uległa chwilowemu przerwaniu, ale mając trzynaście lat, świetnie radził już sobie w prestiżowej Edinburgh Academy, zdobywając nagrody z matematyki, a także z języka angielskiego i poezji. Następnie, w wieku czternastu lat, opublikował swój pierwszy artykuł naukowy (dotyczący własności krzywych matematycznych), który przedstawił przed audytorium Royal Society of Edinburgh.

Po tak wczesnym początku Maxwell rozkwitł na uniwersytecie. Skończył Cambridge, a po roku od otrzymania dyplomu, znacznie szybciej niż większość absolwentów, został członkiem jednego z koledżów. Szybko zrezygnował jednak z tej posady i wrócił do rodzinnej Szkocji, aby objąć katedrę filozofii naturalnej w Aberdeen.

W wieku zaledwie dwudziestu pięciu lat został dziekanem wydziału. Nauczał wtedy przez piętnaście godzin tygodniowo, a w pobliskim koledżu prowadził dodatkowo bezpłatne zajęcia dla pracujących (w dzisiejszych czasach rzecz nie do pomyślenia w przypadku profesora z własną katedrą; nie jestem w stanie wyobrazić sobie, żebym poświęcał tak dużo czasu na nauczanie i miał jeszcze energię na własne badania). Mimo to Maxwell znalazł czas, aby rozwiązać problem postawiony dwieście lat wcześniej: dlaczego pierścienie Saturna są stabilne? Maxwell stwierdził, że pierścienie muszą być zbudowane z drobnych cząstek, co zapewniło mu zdobycie nagrody przewidzianej za znalezienie odpowiedzi na to pytanie. Wniosek Maxwella został potwierdzony ponad sto lat później, kiedy sondy Voyager dostarczyły pierwszych wykonanych z bliska zdjęć planety.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki