Fizičar i svijet. Naći teoriju svega. Vježba poštenja.

Postoji koncepcija koja povezuje sva tri nosiva stupa današnje fizike - relativnost, kvantnu teoriju i termodinamiku: to je informacija, piše Dario Hrupec u pregledu knjige Jima Al-Khalilija. Iransko-britanski fizičar na sažet način predstavlja status današnje fizike, njezine glavne ideje i mogući razvoj, a završava vrijednostima koje smatra da bi trebali prigrliti svi koji se njome bave.

• Naslovna fotografija: Sudar galaksija. Naš Mliječni put za pet milijardi godina spojit će se s galaksijom Andromeda. (NASA / ESA)

• Autor je docent na Odjelu za fiziku Sveučilišta Josip Juraj Strossmayer u Osijeku

Um nekog našeg davnog pretka razvio je sposobnost evociranja, pobuđivanja već postojećih predodžbi. Šuštanje u grmu moglo je pobuditi mentalnu sliku tigra koji iskače iz grma, premda tigra u stvarnoj situaciji nije bilo. To je bio začetak mašte. Kombiniranjem mašte i komunikacije rođena je priča. A pričanje priča je, čini se, upravo ona karakteristika koja nas je istaknula u životinjskom svijetu, koja nas je odredila kao ljude. Izmišljene priče, mitovi, postali su neka vrsta ljepila društvenih skupina. Članove jedne skupine povezivali su, a povezuju ih i danas, zajednički mitovi. Mitologija, ili skup svih mitova pojedine civilizacije, redovito sadrži i mit o postanku, izmišljenu priču u kojoj se opisuje kako je nastao svijet. Relativno nedavno u ljudskoj povijesti javila se ideja propitkivanja slažu li se priče o svijetu sa stvarnim svijetom, utvrđivanja autentičnosti priča. Počela se tražiti ona priča koja najbolje opisuje stvarnost. Kad je nađena pouzdana metoda za testiranje naših priča o stvarnosti, rođena je prirodna znanost, u prvom redu fizika. Fizika jest skup priča o tome kako funkcionira svijet, ali te priče nisu sirova mašta. Do njih smo možda došli zahvaljujući mašti, ali smo ih onda pažljivo filtrirali tako da su preživjele samo one koje najbolje odgovaraju stvarnosti. Na taj smo način dobili svijet po fizici.

Jim Al-Khalili knjigu započinje s ljudskom težnjom za razumijevanjem svijeta, a završava s pogledom na svijet iz perspektive fizičara.

Iračko-britanski teorijski fizičar i popularizator znanosti Jim Al-Khalili jednu od svojih knjiga nazvao je Svijet po fizici. U njoj na sažet i zanimljiv način daje status fizike, njezine glavne ideje i mogući razvoj u godinama koje dolaze. Kreće od ljudske težnje za razumijevanjem svijeta i oduševljenja koje nam to razumijevanje donosi. Završava pak s pogledom na svijet iz perspektive fizičara, pogledom koji proizlazi iz poštenja, sumnje i težnje k istini. Moj prijevod ove knjige (The World According to Physics, Princeton University Press, 2020.) na hrvatski jezik nedavno je objavljen i kod nas (Zagreb, V.B.Z., 2022.).

Premda je tvrdnja „svijet je razumljiv” samo jedna metafizička pretpostavka, koja se ne može formalno dokazati, ona je polazište prirodnih znanosti. Nema nam druge nego krenuti od pretpostavke da načelno možemo shvatiti kako svijet funkcionira pa onda vidjeti učinke takve strategije. A učinci su dosad bili veličanstveni. Metoda radi, rezultat su pouzdana predviđanja o svijetu koja se pokazuju točnima. Do kotača su ljudi možda došli slučajno, ali do Međunarodne svemirske postaje nisu, nju su dizajnirali i izgradili na temelju dosadašnjeg razumijevanja svijeta.

Doseg našeg razumijevanja svijeta ne očituje se samo u visokoj tehnologiji. Ono zahvaća iznenađujuće velik opseg prostora i vremena. Primjerice, usporedbom preciznih opažanja velikog broja  galaksija i numeričkih simulacija (u koje je ugrađeno sve naše znanje fizike) razvoja galaksija pouzdano znamo kako su galaksije nastale i što će se s njima događati u budućnosti. Konkretno, znamo da će se naša galaksija, Mliječni put, stopiti s galaksijom Andromeda za otprilike pet milijardi godina. To za Zemlju vjerojatno neće biti pogubno jer je mala vjerojatnost sudara dviju zvijezda pri stapanju galaksija. No, za Zemlju će u to doba biti pogubno nešto drugo: Sunce će dotad iscrpiti svoje zalihe termonuklearnog goriva i prijeći u fazu crvenog diva koji će spržiti ili čak progutati cijelu Zemlju. Pa ako doseg tog ljudskog znanja nije fascinantan i vrijedan divljenja, ne znam što uopće jest.

Mnoštvo fizičkih veličina poprima vrijednosti u ogromnom rasponu, od najmanjih do najvećih vrijednosti, no zakonitosti otkrivene na jednom dijelu skale obično vrijede i na mnogim drugim dijelovima. (YouTube)

No, prostor i vrijeme nisu jedine koncepcije kojima se fizika bavi na nezamislivo velikoj skali, od najmanjih do najvećih vrijednosti. Mnoštvo fizičkih veličina poprima vrijednosti u ogromnom rasponu. No, moć fizike proizlazi iz činjenice da zakonitosti koje smo otkrili na jednom dijelu skale obično vrijede i na mnogim drugim dijelovima skale. Primjerice, istim jednadžbama mehanike kojima opisujemo pad jabuke sa stabla opisujemo i gibanje Zemlje oko Sunca. Ista zakonitost kojom možemo objasniti zašto se klizačica na ledu zavrti brže kad ruke privuče k tijelu omogućuje nam da razumijemo nastanak pulsara, brzorotirajućeg kompaktnog objekta koji je preostao nakon eksplozije supernove. To svojstvo fizike nazivamo univerzalnost.

Univerzalnost proizlazi iz jednog fascinantnog matematičkog svojstva – simetrije. Simetrija je duboko povezana s najtemeljnijim zakonima prirode za koje znamo – zakonima očuvanja. Ti zakoni vrijede na cijeloj skali, od najmanjih do najvećih vrijednosti fizičkih veličina. Neki manje temeljni zakon vrijede samo na nekim dijelovima skale. Tamo gdje vrijede kažemo da dominiraju. Na nekim drugim dijelovima skale dominiraju neki drugi zakoni. Univerzalnost nije neograničena.

Kad bismo djelokrug fizike željeli opisati samo jednom jedinom rečenicom mogli bismo reći da se fizika bavi promjenama materije i energije u prostoru i vremenu. Materija, energija, prostor i vrijeme temeljne su koncepcije u fizici. Unatoč tome, o njima se ne zna onoliko puno koliko bi možda bilo za očekivati s obzirom na važnost tih pojmova. Prostor i vrijeme su, primjerice, dugo u fizici bili tek podloga za odvijanje događaja. Neka vrsta pozornice koja nam treba da bi se na njoj nešto moglo odvijati. A pozornica postoji i kad nema predstave, zar ne?

Einsteinova teorija relativnosti dala je niz predviđanja, od kojih njezin autor mnoga nije niti očekivao da će biti opažena, dok je za širenje svemira bio uvjeren da se radi o pogrešci koju treba ispraviti. (Manhattan Rare Books)

A onda je došla teorija relativnosti i pokazala ne samo da je prostor neraskidivo povezan s vremenom (kao i materija s energijom) nego da prostorvrijeme ni ne postoji neovisno o materijaenergiji. Slikoviti rečeno, pozornica nastaje s predstavom i nestaje nakon predstave. Ta je spoznaja i samog Einsteina zaprepastila.

Svaka dobra znanstvena teorija daje predviđanja. Opisuje pojave za koje dotad nismo ni znali, a trebale bi postojati. Tako je Einsteinova opća teorija relativnosti predvidjela skretanje svjetlosti u gravitacijskom polju, a opažanja su to predviđanje potvrdila. Predvidjela je i crne rupe za koje je Einstein rekao da nije baš uvjeren da stvarno postoje. Krivo! Predvidjela je gravitacijske valove, za koje je Einstein bio uvjeren da se nikad neće moći izravno opaziti. Krivo! Predvidjela je i širenje svemira za što je Einstein bio uvjeren da se radi o nekoj pogrešci koju treba naći i ispraviti. Opet je ispalo da je njegov stav o tome pogrešan, da se svemir itekako širi.

Više od stoljeća znamo da se svemir širi, a zadnjih desetak godina znamo i da se širi ubrzano. To ubrzano širenje povezujemo s idejom tamne energije koja čini oko 70% ukupne masaenergije svemira. Otprilike četvrtinu svemira čini nešto što nazivamo tamnom materijom, a svega 5% čini materija koju poznajemo i od koje smo i sami građeni. Uglavnom, to je današnja bilanca poznavanja sastava svemira: 95% je „nešto”, zasad ne znamo što. Ali to nešto postoji zato što djeluje gravitacijski. Ima učinke, po tome znamo da je prisutno. A sve opet zahvaljujući razumijevanju gravitacije. Drugim riječima, zahvaljujući razumijevanju opće teorije relativnosti koja je i dalje najbolja postojeća teorija gravitacije. I jedan od tri nosiva stupa moderne fizike.

Niels Bohr i Werner Heisenberg, pioniri kvantne mehanike, utemeljili su kopenhašku interpretaciju koja je probabilistička, ne postavlja pitanja kakav svijet stvarno jest. Al-Khalili nije zadovoljan s takvim pristupom. (Creative Commons)

Drugi od tri nosiva stupa moderne fizike je kvantna teorija. Kao i mnogi prije njega, Al-Khalili ju smatra „najfascinantnijom znanstvenom teorijom do koje je čovječanstvo ikad došlo, ali i teorijom koja nas zapanjuje i frustrira”. Naime, matematika kvantne teorije daje precizna predviđanja koja eksperimenti sjajno potvrđuju. Taj dio priče je besprijekoran. Problem nastaje kad krenemo u interpretaciju rezultata eksperimenata odnosno kad pokušamo naći poveznicu s poznatim pojmovima iz naše neposredne okoline. Tada ispada da je kvantni svijet krajnje bizaran.

Postoji više interpretacija kvantne mehanike, no nisu sve jednako popularne. Mainstream je bila, i do danas ostala, kopenhaška interpretacija koju su utemeljili pioniri kvantne mehanike Niels Bohr i Werner Heisenberg. Ta je interpretacija probabilistička, temelji se na vjerojatnostima da se objekt nalazi u nekom kvantnom stanju. Opažanjem se realizira određeno kvantno stanje, no pitanje gdje je objekt bio prije opažanja za kopenhašku interpretaciju naprosto nema smisla. Što se matematike tiče, bio je u superpoziciji svih mogućih stanja, svugdje pomalo ovisno o pripadajućim vjerojatnostima. U filozofskom smislu, pobornici kopenhaške interpretacije su pozitivisti. Oni kažu otprilike: imate matematički model koji daje dobra predviđanja, što će nam više od toga, nemojte gnjaviti s pitanjima kakav svijet stvarno jest.

Realisti – kakav je bio Einstein, a kakav je i Jim Al-Khalili – nisu zadovoljni s kopenhaškom interpretacijom. Oni smatraju da bi fizika morala objašnjavati kakav je svijet doista. Pozitivizam smatraju svojevrsnom intelektualnom lijenošću. Najbolji povijesni primjer pozitivističkog stava koji se pokazao promašenim, navodi Al-Khalili, je stav pobornika Ptolomejevog geocentričnog modela. Model je davao dobra predviđanja za gibanje planeta (čak bolja od Kopernikovog heliocentričnog s kružnim orbitama) pa su pozitivisti onog doba govorili: nije važno što su točno epicikli, nema potrebe za alternativnim objašnjenjima, glavno da stvar radi.

James Clerk Maxwell i Ludwig Boltzmann su kroz statističku mehaniku postavili treći noseći stup današnje fizike. (Creative Commons)

Treći noseći stup današnje fizike je termodinamika. Kao i kod kvantne fizike, u razvoju termodinamike sudjelovali su mnogi fizičari. Ipak, istaknuto mjesto zauzimaju Ludwig Boltzmann i  James Clerk Maxwell. Oni su razvili statističku mehaniku kojom se sve pojave vezane uz toplinu (dio unutrašnje energije koja prelazi s tijela na tijelo) objašnjavaju na mikroskopskoj razini, gibanjem mnoštva molekula.

Zanimljivo je uočiti kako se pri prijelazu s opisa pojedinačnih čestica ili malog ansambla čestica na opis mnoštva čestica događa emergencija (pojavljivanje karakteristike koje na nižoj razini nije bilo). Emergentne veličine su primjerice lako razumljiva temperatura (mjera zagrijanosti koja je proporcionalna prosječnoj unutrašnjoj energiji čestica) i nešto apstraktnija entropija (mjera nereda koja u zatvorenom sustavu može samo rasti), ali i smjer vremena (koji na razini pojedinačnih čestica ne postoji).

Vjekovni san fizičara je naći teoriju svega, jedinstvenu teoriju koja bi opisivala sve pojave u prirodi

Priča o fizici neizbježna je bez poglavlja o ujedinjenju. Naime, vjekovni san fizičara je naći teoriju svega, jedinstvenu teoriju koja bi opisivala sve pojave u prirodi. I nije to tek neko neutemeljeno maštanje. Povijest fizike pokazuje tendenciju prema objedinjavanju postojećih teorija. Samo neki od primjera su obuhvaćanje elektriciteta, magnetizma i optike u Maxwellovu teoriju elektromagnetizma, koja sve pojave iz dotad tri neovisna područja sažima u samo četiri jednadžbe (ili samo dvije jednadžbe u kovarijantnom matematičkom formalizmu). Posebna relativnost i kvantna mehanika sjedinjuju se u kvantnu teoriju polja, a kvantna teorija polja i elektromagnetizam u kvantnu elektrodinamiku. Kvantna elektrodinamika i slaba nuklearna sila objedinjene su u elektroslabu teoriju, čime je broj temeljnih međudjelovanja u prirodi sveden s četiri na tri.

Elektroslaba teorija i kvantna kromodinamika (teorija jake nuklearne sile) daju standardni model čestica. Iz opće teorije relativnosti, s uključivanjem koncepcija tamne materije i tamne energije, došlo se do standardnog modela kozmologije. I sad bismo još ta dva područja trebali ujediniti u teoriju kvantne gravitacije. Trebali! To je cilj, ali je ovaj čas teško reći koliko je daleko. Svojedobno je teorija superstruna bila najbolji kandidat, no sve je manje nade da će se u tom smjeru išta realizirati. Danas je kvantna gravitacija petlje favorit po pitanju kvantizacije prostorvremena, ali ona ne obuhvaća preostale tri sile. Uglavnom, tu smo stali i već dulje vrijeme nema značajnijih pomaka.

Sve u svemu, daleko od toga da se nazire kraj fizike. Prije bi bilo da smo zapravo na početku nove revolucije u fizici. Danas su problem tamne tvari i tamne materije slični dvama problemima s kraja 19. stoljeća: problemu etera (koji je vodio na posebnu teoriju relativnosti) i problemu poznatom kao ultraljubičasta katastrofa (koji je vodio na kvantnu teoriju).

Nadalje, zanimljivo je da postoji koncepcija koja povezuje sva tri nosiva stupa današnje fizike (relativnost, kvantnu teoriju i termodinamiku): to je informacija. Postaje sve jasnije da je informacija iznimno važna ideja u fizici i da će vjerojatno imati važnu ulogu u teoriji svega. Osim izravne koristi za razvoj novih tehnologija, fizika se pokazuje jako korisnom u kombinaciji s drugim disciplinama. Konkretno, u kombinaciji s biologijom intenzivno se razvijaju astrobiologija i kvantna biologija. Što se novih tehnologija tiče, najviše se očekuje od budućih kvantnih tehnologija, a ponajviše od kvantnih računala. Njihova kombinacija s umjetnom inteligencijom mogla bi rezultirati posve novim načinom potrage za novim znanjima. Konkretno, kvantnu teoriju gravitacije moglo bi naći kvantno računalo s umjetnom inteligencijom, a ne neki novi Einstein.

Newtonov Experimentum crucis. Sve svoje ideje o svijetu fizičirai moraju provjeravati, pa ih na temelju rezultata odbaciti ili privremeno prihvatiti. (Creative Commons)

U sjajnoj završnici knjige Al-Khalili govori o poštenju, sumnji i istini kao kategorijama koje proizlaze iz bavljenja fizikom. Razvoj fizike počiva na eksperimentu. Svoje ideje o svijetu fizičari moraju provjeravati pa ih na temelju eksperimenta ili odbaciti ili tek privremeno prihvatiti. Češće odbaciti. Da biste odbacili svoju ideju morate pošteno priznati, i sebi i drugima, da ste bili u krivu. To je ono što nas fizika uči. Napredovati tako da priznajemo pogreške i ispravljamo pogreške. Tako se vježba poštenje. Usput, jeste li ikad čuli da je neki političar priznao svoju pogrešku?

Nadalje, fizika nas uči da je sumnja dobra. Ako ne sumnjate u svoju ideju, zašto bi ju uopće testirali. Ako ju ne testirate onda to nije fizika. Možda je religija. U religiji je vjera dobra, a sumnja loša. Je li onda čudno što se Al-Khalili, čija je majka kršćanka, a otac musliman, deklarira kao ateist?

Na kraju, politika vas može učiti da nije važna istina nego cilj. To je naime Trumpov nauk. Prirodna znanost poput fizike svoje ideje neprekidno korigira tako da teži k istini (što boljem slaganju stvarnosti i naših ideja o stvarnosti). Ne možete raditi fiziku, a da vam istina nije važna. Mora biti važna. To je nužan preduvjet. A ako fiziku ne odrađujete kao nemili posao nego ju živite onda njezine vrijednosti morate usvojiti kao svoje vlastite.