Responsive image

Okiem kosmologa

Prawa fizyki nie rządzą Wszechświatem w żadnym mniej lub bardziej dosłownym znaczeniu tego słowa. One są wyróżnionymi przez nas aspektami jego struktury. A przypadki? Czym właściwie są?

W potocznym rozumieniu są one czymś nieoczekiwanym, zaskakującym, czymś, co nie powinno się zdarzyć, lecz się zdarzyło, lub czymś, co się zdarzyło, ale mogło się zdarzyć tylko z pewnym prawdopodobieństwem. Ktoś idzie ulicą i nagle zza zakrętu wyjeżdża tramwaj i ktoś ginie na miejscu. Na pewno tego nie oczekiwał. Zginął przez przypadek.

Takie przypadki, mimo swojego znikomego prawdopodobieństwa, niekiedy odgrywają rolę w ludzkim życiu, ale na pewno nie „rządzą” wszechświatem, gdyż ich źródłem jest jedynie nasza niewiedza. Tramwaj mógł jechać zgodnie z rozkładem jazdy, a więc zupełnie nieprzypadkowo, lecz ktoś nie wiedział, że właśnie w tym momencie trajektoria tramwaju przetnie się z jego życiową drogą. Nasza niewiedza nie może mieć żadnego wpływu na bieg wydarzeń we Wszechświecie. A więc gdy pytamy o rządy przypadku, musimy mieć na myśli coś zupełnie innego.

Jak wyobrażamy sobie „rządy” przypadku we Wszechświecie? Trochę jednak podobnie do cegły spadającej na głowę człowieka. We wszechświecie wszystko odbywa się zgodnie z „fizyczną koniecznością”, ale od czasu do czasu (rzadko?) coś nieoczekiwanego wdziera się w ustalony porządek i powoduje nieprzewidziane skutki. Tak, ale tego rodzaju intuicje niewiele wychodzą poza granice metafory. Spróbujmy je zatem uściślić.

Jeżeli powiadamy, że jakiś proces odbywa się z „fizyczną koniecznością”, to znaczy, że potrafimy z pewnością przewidzieć jego kolejne etapy, czyli każdemu etapowi przypisujemy prawdopodobieństwo 1 (jeden). Czemuś nieoczekiwanemu przypisujemy prawdopodobieństwo a priori (zanim się zdarzy) mniejsze od 1. Mówimy, że takie zdarzenie jest przypadkiem. Prawdopodobieństwa bliższe 0 (zeru) wiążemy z przekonaniem, iż wydarzenie jest bardziej przypadkowe. Tym razem źródłem prawdopodobieństwa nie jest nasza ignorancja, lecz pewna nieokreśloność tkwiąca w samej strukturze Wszechświata.

Oczywiście zdarzenia przypadkowe w tym sensie nie biorą się znikąd. Są one również wynikiem działania praw fizyki zaburzających (np. na zasadzie fluktuacji) działanie prawa odpowiedzialnego za rozpatrywany proces. Jeżeli udałoby mi się postawić ołówek na zaostrzonym końcu, to znalazłby się on w stanie niestabilnym i jakakolwiek drobna fluktuacja wytrąciłaby go z tego stanu (ołówek by upadł). Taka fluktuacja mogłaby być wynikiem drgania powietrza, wywołanego falą akustyczną, a więc odpowiedzialne za nią byłyby prawa rozchodzenia się dźwięku w powietrzu. Tego rodzaju niestabilności są częstym źródłem przypadków w świecie.

Pewną ich odmianą są niestabilności w warunkach początkowych jakiegoś procesu. Jakiekolwiek, nawet najmniejsze, zaburzenie warunków początkowych może ten proces poprowadzić w zupełnie odmiennym kierunku. Typowych przykładów dostarczają prawa fizyki, na podstawie których dokonuje się prognoz pogody. Dlatego do ich trafności mamy ograniczone zaufanie.

A więc, czy konieczność (prawa fizyki) czy przypadki rządzą Wszechświatem (jeżeli pozostajemy przy metaforze rządzenia)? Odpowiedź na to pytanie właściwie już została udzielona. Przypadki są misternie wkomponowane w strukturę wszechświata. Bez nich struktura ta nie mogłaby funkcjonować. Mówiąc obrazowo (a więc metaforycznie), struktura Wszechświata jest utkana z tego, co nazywamy prawami fizyki, ale w tej strukturze są pewne luzy na działanie przypadków i luzy te stanowią konieczny (nieprzypadkowy) element struktury, warunek funkcjonowania całości.

Matematyczna struktura Wszechświata nie tylko nie wyklucza, ale wręcz wymaga przypadków. Wbrew potocznym wyobrażeniom, matematyka jest w stanie opisywać (modelować) także i to, co jest niezdeterminowane, niestabilne i nieprzewidywalne. ]

Jak widzimy, problem przypadku wiąże się z zagadnieniami determinizmu, przewidywalności, stabilności i czułości na zaburzenia warunków początkowych. A także z zagadnieniem prawdopodobieństwa. Fizyka klasyczna jest deterministyczna, to znaczy, że z warunków początkowych w zasadzie można jednoznacznie przewidzieć zachowanie układu w dowolnej chwili, choć w wielu układach klasycznych wrażliwość na zaburzenia warunków początkowych powoduje faktyczną nieprzewidywalność ewolucji układu. Na poziomie mechaniki kwantowej – świat cząstek elementarnych i podstawowych sił fizycznych – sprawa wygląda drastycznie inaczej. Układy kwantowe są nieprzewidywalne w sensie podstawowym (choć istnieją interpretacje mechaniki kwantowej usiłujące wymusić na niej zachowanie deterministyczne): prawdopodobieństwa są wbudowane w równania i, poza wyjątkowymi sytuacjami, wyników eksperymentów nie da się przewidzieć jednoznacznie.

Dziś jednak wiemy z pewnością, że mechanika kwantowa nie jest ostateczną teorią fizyki, nie obejmuje ona bowiem grawitacji. Poszukiwania kwantowej teorii grawitacji trwają. Częściowe sukcesy w tej dziedzinie pozwalają przypuszczać, że w przyszłej teorii kwantowej grawitacji rachunek prawdopodobieństwa będzie istotnym elementem gry. Zapowiada się bardzo ciekawie! I zapewne inaczej, niż sobie wyobrażamy. Matematyka kryje w sobie ogromne pole możliwości. Którą z nich wybrał Stwórca do zaprojektowania Wszechświata?

Ks. prof. Michał Heller jest kosmologiem i filozofem, laureatem Nagrody Templetona. Ostatnio opublikował „Przestrzenie Wszechświata” (CCPress 2017).