Responsive image

Okiem fizyka

Fizyka – wbrew pozorom – mówi całkiem dużo i ściśle na temat wolności. Dzieje się tak, ponieważ fizyka opiera się na matematyce i, z konieczności, dziedziczy po niej koncepcję wolności.

Na początku wypada zastrzec, że ani fizyka, ani matematyka, ani w istocie żadna z nauk przyrodniczych zasadniczo nie mówi nic na temat woli. Pojęcie woli dotyczy przyczyny celowej, zaś rolą nauk przyrodniczych jest poszukiwanie przyczyn naturalnych. Innymi słowy, Przyroda niczego nie chce ani nie działa w żadnym celu. Nie jest to żadna jej zaskakująca własność stwierdzona empirycznie, a jedynie założenie metodologiczne. Żeby fizyka była fizyką, musi poszukiwać przyczyn naturalnych i tylko takich.

Z drugiej strony fizyka – wbrew pozorom – mówi całkiem dużo i ściśle na temat wolności. Dzieje się tak, ponieważ fizyka opiera się na matematyce i, z konieczności, dziedziczy po niej koncepcję wolności. Najprościej rzecz ujmując mówimy, że w danej teorii fizycznej pewien parametr jest wolny, jeśli nie jest on precyzyjnie ustalony w ramach matematycznej struktury tejże teorii. Na przykład, drugie prawo dynamiki Newtona F = a*m wiąże ze sobą trzy zmienne, dwie jednak pozostawiając wolne. Jeśli bowiem znamy masę m ciała i jego przyspieszenie a, to siła F jest już przez te parametry zdeterminowana. Warto przy tym zauważyć, że równoważnie możemy zadać np. siłę i masę, a wówczas przyspieszenie będzie już ściśle określone. To znowu przejaw „wolności” – teoria nie precyzuje, które z parametrów mamy ustalać.

Zauważmy przy tym, że parametry mogą być ograniczone przez jakieś reguły, a jednak wciąż wolne. Jeśli, na przykład, stwierdzamy, że x należy do zbioru {0,1}, to oczywiście logika zabrania nam utrzymywać, że x = 2, a jednak mamy pełną wolność twierdzenia, że x = 0, albo, że x = 1.

Matematyczny model to jednak tylko jeden z filarów fizyki – drugim jest empiria. Przy tym nie da się ściśle oddzielić teorii i eksperymentów. Dane doświadczalne mają sens tylko w ramach ustalonej teorii, zaś model matematyczny staje się teorią fizyczną tylko za sprawą wyników eksperymentów świadczących na jego korzyść. Skoro dana teoria zakłada, że pewne parametry są wolne, to doświadczenie musi to uwzględniać. Zazwyczaj oczekujemy, że eksperyment pozwoli ustalić niektóre z tych wolnych parametrów. Na przykład, Model Standardowy cząstek elementarnych nie precyzuje masy bozonu Higgsa. Została ona ustalona (oczywiście, z pewną dokładnością) dopiero na podstawie danych z LHC w CERNie.

Pewne parametry muszą jednak pozostać wolne, aby eksperyment w ogóle był eksperymentem. I tak wspomniany Model Standardowy nie precyzuje z jaką konkretnie energią zderzy się wiązka protonów, ani w jakim kraju powstanie akcelerator. Model mówi jedynie, że jeśli energia zderzenia wynosiła 10 TeV, to ślady cząstki Higgsa w zebranych danych będą miały określoną postać oraz że nie zależy to, oczywiście, od geopolityki naukowej. Testowanie teorii fizycznej polega na przeprowadzeniu wielu podobnych, ale jednak różnych eksperymentów. Aby cała procedura była wiarygodna, źródło owych różnic musi być wolne, tj. nie zdeterminowane przez testowaną teorię.

Rozważając aspekt empiryczny metody naukowej, chcąc nie chcąc, napotykamy na kwestię woli. Nie ma jej i nie może być w samym przyrodoznawstwie, ale pojawia się, jeśli spojrzymy na fizykę „z zewnątrz”. W rzeczy samej, wykonujemy jakiś eksperyment w celu sprawdzenia danej teorii. Budujemy matematyczne modele w celu zrozumienia danego zjawiska. Celowo konstruujemy urządzenia, które działają zgodnie z wolą użytkownika. Tak rozumiana wola jest rzeczywiście wolna w sensie matematycznym – mamy bowiem swobodę wyboru wolnych parametrów, tak w teorii jak i w praktyce. Nie wynika z tego bynajmniej, że powinniśmy widzieć przyczyny celowe wszędzie tam, gdzie nie znajdujemy naturalnych. Nasza wolność wyboru jest mocno ograniczona zarówno ze względu na strukturę teorii którą badamy, jak i z powodu niedoskonałości naszej aparatury badawczej. Jednak aby uprawiać naukę musimy móc, choćby w minimalnym stopniu, „zaskakiwać” Przyrodę naszymi pytaniami.

Michał Eckstein

Dr Michał Eckstein jest fizykiem i matematykiem, pracuje w Krajowym Centrum Informatyki Kwantowej w Gdańsku. Jest członkiem Centrum Kopernika.