Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Do jego największych osiągnięć naukowych z pewnością należy udowodnienie twierdzeń o osobliwościach w ogólnej teorii względności (czego dokonał wraz ze Stephenem Hawkingiem). Jest autorem wielu ważnych artykułów naukowych i bestsellerowych książek, m.in. Nowy umysł cesarza, Droga do rzeczywistości, Cykle czasu.

Najnowsza publikacja powstała na podstawie trzech wykładów, które naukowiec wygłosił na Uniwersytecie Princeton w październiku 2003 roku. Wybór tytułu książki nie jest przypadkowy – wyraża on bowiem niepokój autora odnośnie do powszechnych wówczas trendów w myśleniu o prawach fizyki rządzących Wszechświatem. Podjęte w wykładach tematy wydają się aktualne i istotne dzisiaj. Penrose już na wstępie wyjaśnia, iż słowa znajdujące się w tytule – moda, wiara i fantazja – powinny dać do zrozumienia czytelnikom, że są określeniami czegoś, co kłóci się z procedurami, które zwykle stosowane są w poszukiwaniu praw rządzących Wszechświatem. Autor podkreśla jednak, że nie chce skupiać się wyłącznie na negatywnym nastawieniu do tych trzech motywów.   

Pierwsza część książki poświęcona jest modzie – modzie na teorie, które przyciągają naukowców, choć z pewnością nie tylko ich. Penrose rozpoczyna swoje rozważania od stwierdzenia, że postęp w dziedzinie fizyki, jaki się dokonał w ostatnich kilkuset latach, mógł zajść tylko dzięki rozwojowi bardzo precyzyjnego języka matematyki. Stąd można wnioskować, że dalszy postęp również wymaga klarownej, precyzyjnej i spójnej matematyki. Eksperymentalne testowanie danej teorii ma oczywiście kluczowe znaczenie w fizyce, ale  często zdarza się, że fizycy nie przejmują się przesadnie potrzebą osiągnięcia pełnej spójności matematycznej. Jako przykład autor przywołuje epokowe eksperymenty Maxa Plancka, Nielsa Bohra, a nawet przypadek teorii strun. Wyraża przypuszczenie, że wkraczamy w nową fazę badań w fizyce fundamentalnej, w której wymagana jest spójność matematyczna, zaś w sytuacjach, gdy takie wymaganie nie jest wystarczające, należy odwołać się do dodatkowego kryterium – elegancji matematycznej. Światu naukowemu może wydawać się niedopuszczalne odwoływanie do pojęć estetycznych, jednak należy pamiętać, że w przeszłości u podstaw wielu teorii leżały piękne idee matematyczne. Przykładowo wybitny fizyk teoretyk Paul Dirac wypowiadał się na temat znaczenia względów estetycznych w procesie odkrycia równania elektronu. Problem leży jednak w bardzo trudnym do zachowania obiektywizmie, w momencie, gdy jest mowa o sądach estetycznych.   

Roger Penrose przypomina modne w przeszłości teorie fizyczne takie jak: bryły platońskie, które należy wiązać z elementarnymi składnikami substancji (ogień reprezentowany jest przez czworościan foremny, powietrze przez sześcian, woda przez dwudziestościan, a ziemia przez sześcian; gdy później dodano do tej listy eter, to przypisano mu dwunastościan foremny), Ptolemejski model ruchu planetarnego (w ramach którego Ziemię uznawano za nieruchomą i znajdującą się w centrum kosmosu), flogistonową teorię spalania (wedle której każde palne ciało fizyczne zawiera w sobie substancję określoną jako „flogiston”, zaś proces spalania polega na uwolnieniu flogistonu do atmosfery). Można dzisiaj oczywiście naśmiewać się z poszczególnych teorii, czy traktować je jako wytwór fantazji dawnych filozofów, jednak autor zauważa, że często zdarza się, iż teorie, które z czasem wypadły z obiegu, po latach wracają do łask za sprawą rozwoju nauki, równie często zostają zastąpione bardziej zadowalającą teorią.

Autor analizuje powstanie, rozwój i podstawowe założenia wielu teorii, w tym teorii związanych z teorią strun, zasady superpozycji występującej we wszystkich teoriach kwantowych i będącej kamieniem węgielnym mechaniki kwantowej, ogólnej teorii względności Einsteina, wywodzących się z teorii strun modnej idei supersymetrii i idei bran.

Drugą część książki autor rozpoczyna od definicji terminu, jakim jest „wiara”, która znajduje się w Concise Oxford Dicionary. To bardzo ważna uwaga, gdyż tytuł oryginalny książki brzmi Fashion, Faith and Fantasy in the New Physics in the Universe. Trzeba koniecznie w tym miejscu podkreślić, że użycie przez tłumacza określenia „wiara” wtłacza polskiego czytelnika w kontekst religijny. Zresztą polska definicja słowa „wiara”, według Słownika Języka Polskiego PWN, na pierwszym miejscu podaje, że to „określona religia lub wyznanie; też: przekonanie o istnieniu Boga”.  Na drugim miejscu pojawia się, że jest to „przekonanie, że coś jest słuszne, prawdziwe, wartościowe lub że coś się spełni”. Niezwykle istotny jest fakt, że Penrose uważa, iż wiara to pogląd opierający się na sile autorytetu. Tłumaczenie słowa faith jako „wiara” jest zatem mylące i może lepiej byłoby go przetłumaczyć jako „zaufanie”, choć oczywiście słowo to nie byłoby już tak „medialne”.

Idąc za definicją Penrose’a, trzeba zauważyć, że „wiara” – w autorytety – ma silny wpływ na każdego człowieka już od czasów najmłodszych, gdy autorytetem są rodzice, później nauczyciele, a następnie lekarze, prawnicy, naukowcy, przedstawiciele rządu i instytucji religijnych itd. Ich opinie, których często nie kwestionujemy, mają wpływ na nasze poglądy i decydują o naszym zachowaniu. Często w definiowaniu autorytetu pada właśnie wspomniane wcześniej określenie „zaufanie”. W nauce jednak nie tylko nie powinno się, ale i nie można bazować wyłącznie na zaufaniu. Jeśli jest taka możliwość, nasze przekonania powinny być poddawane testom. Historia pokazuje, że także orzeczeń naukowych nie powinno uznawać się za niezmienne – wiele z uznanych za prawdziwe z czasem obalono, co oczywiście nie odbyło się przy niechęci zwolenników owych obalanych idei. Dobrym przykładem jest Keplerowska teoria eliptycznych orbit planetarnych, stojąca w sprzeczności do wcześniejszych modeli opartych na okręgach.  

W dalszej części autor na przykładach pochodzących z fizyki XX-wiecznej, relatywistycznej i kwantowo-mechanicznej, pokazuje, że dogmat mechaniki kwantowej jest często traktowany jako prawda absolutna, a wielu fizyków wykształciło w sobie wiarę, że wszystkie zjawiska przyrodnicze muszą mieścić się w ramach teoretycznych, które można stosować przy opisie każdego procesu fizycznego bez względu na jego skalę. Autor książki postuluje jednak, że z pewnymi kwestiami nie jest łatwo się rozprawić, a kwantowa wiara powinna mieć granice.

Czym jest fantazja i jaką rolę odgrywa w próbach zrozumienia podstaw fizyki? Sam autor w trzeciej części książki przyznaje, że fantazja jest sprzeczna z samą ideą nauki i nie powinno być dla niej miejsca w poważnym dyskursie naukowym. Dlaczego zatem poświęcił jej sporą część książki? Świat zdaje się zachowywać niebywale fantazyjnie, szczególnie jeśli przyjrzymy się mu na poziomie mikro, na którym dominującą rolę odkrywają zjawiska kwantowe, ale także na drugiej stronie skali wielkości dzieją się rzeczy fantastyczne, nieprzewidywalne. A zatem wydaje się, że autor przez „fantazję” rozumie już samo to, że coś nie zostało wymyślone nawet przez pisarzy książek fantastycznych. To fantazyjne koncepcje Wielkiego Wybuchu, fantazyjne poglądy na pochodzenie Wszechświata i niektóre teorie kosmologów prowadzące w fantazyjnych kierunkach. Penrose zaznacza jednak, że jego interesuje przede wszystkim współczesny standardowy obraz najwcześniejszych stadiów Wszechświata i próba oceny wiarygodności niektórych kierunków, w których prowadzą badania współcześni kosmologowie. Zaczyna od ogólnej teorii względności Einsteina, a następnie przedstawia różne scenariusze ekspansji Wszechświata, zastrzegając jednak, że wiele zależy od tego, czy jest on jednorodny i izotropowy, czy nie. Autor analizuje lokalne niejednorodności i czarne dziury, paradoks Wielkiego Wybuchu i jego fantastyczne właściwości (jak ta, że było to zdarzenie o niezwykle niskiej entropii, ale i fenomenalnej precyzji), horyzonty kosmologiczne oraz kosmologiczną inflację (propozycję, która głosi, że niemal bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, przez niezwykle krótki okres Wszechświat przeszedł fazę tzw. inflacji), zasadę antropiczną (opierającą się na idei, że bez względu na to, jaka jest natura Wszechświata, ten fragment, który obserwujemy, musi podlegać takim prawom i mieć takie cechy, aby sprzyjały one naszemu istnieniu, a dokładniej jakiemuś istnieniu życia inteligentnego).     

Co to jest tzw. nowa fizyka Wszechświata? Temu tematowi poświęcona jest czwarta część książki Penrose’a, w której autor stawia bardzo trudne pytania. Niektóre z nich dotykają fundamentów teorii omawianych we wcześniejszych częściach książki. Autor przedstawia tu m.in. główne założenia swojej teorii twistorów i zastanawia się, czy może być ona alternatywą dla teorii strun. Przedstawia również swoje obiekcje do teorii supersymetrii i modelu twistorowo-strunowego Wittena.

Swoje rozważania Penrose kończy osobistymi refleksjami. Zastanawia się, czy może się nazwać buntownikiem, czyli kimś, kto z jednej strony występuje przeciwko konwencjonalnym sposobom myślenia, ale z drugiej robi to celowo, aby odróżniać się od innych. Penrose stwierdza, że pod względem jego stosunku do podstawowych teorii fizycznych, jest raczej konserwatywny i chętniej przyjmuje konwencjonalną wiedzę niż wielu kolegów „po fachu”. Jako przykład podaje ogólną teorię względności Einsteina, której jest w stanie dogłębnie ufać jako klasycznej teorii grawitacji i czasoprzestrzeni, ale nie w momencie zbliżania się do osobliwości, w których teoria ta natrafia na granice swoich możliwości. Podobnie jest z mechaniką kwantową, wobec której stosuje zasadę ograniczonego zaufania, zaś wiele innych aspektów modnych ostatnio teorii w ogóle odrzuca. Roger Penrose wyraża również niepokój w kwestii wpływu nowoczesnych mediów na rozwój nauki. Jego obawy dotyczą właśnie mody, która może zasłonić to, co istotne w nauce.

Książkę wieńczy dodatek matematyczny, choć słowo „dodatek” wydaje się mało celnym określeniem, ma on bowiem ponad 100 stron. Rozdział ten ma dopomóc czytelnikowi w przebrnięciu przez niełatwą lekturę książki Penrose’a. 

Na koniec wypada jeszcze napisać, do kogo skierowane jest najnowsze dzieło autora teorii twistorów. Z pewnością to książka adresowana do wytrawnego czytelnika, dobrze zaznajomionego z najnowszymi teoriami nowoczesnej fizyki. Nie obędzie się bez szerokiej wiedzy z dziedziny astrofizyki, fizyki cząsek elementarnych, kosmologii, a nawet matematyki.