Jako w niebie, tak i na papierze

Fizyka to interesująca nauka, stojąca w rozkroku pomiędzy swoim aspektem teoretycznym i obserwacyjnym. Z jednej strony bywa po prostu matematyką stosowaną. Istnieją całe zastępy „fizyków matematycznych”, których praca polega w istocie na rozwiązywaniu równań i tworzeniu nowych struktur matematycznych. Na pewnym etapie którąś z literek utożsamia się z mierzalną wielkością fizyczną i oto matematyka staje się opisem świata. Z drugiej strony bywa po prostu „starym, dobrym” przyrodoznawstwem empirycznym – tym od teleskopu, mikroskopu, sejsmometru, a także ich licznych mniej znanych kuzynów, jak spektroskop Ramana, wiskozymetr Höpllera albo laktodensymetr.

W idealnym świecie obserwacje powinny pobudzać do konstruowania nowych teorii, zaś teorie przewidywać nowe obserwacje – fizyka miałaby dzięki temu spokojnie postępować naprzód krok po kroczku. Czasem rzeczywiście tak bywa. Czasem – niekoniecznie. Zacznijmy od przypadku szczęśliwego.

Astronomia nowa

Kopernik spekulował w listach na temat nowego heliocentrycznego systemu niebios już w okolicach roku 1510, o czym świadczy choćby „Commentariolus” („Mały komentarz”) – znany jego przyjaciołom przynajmniej od 1514 r. Dopiero 30 lat później, w 1543 r. (roku jego śmierci), ukazało się jednak „De revolutionibus orbium coelestium”. Książka ta stanowiła potężny krok naprzód względem powszechnie wówczas uznawanego systemu ptolemejskiego. System kopernikański ma wiele zalet: jest nie tylko po prostu słuszny (planety orbitują wokół Słońca, a nie Ziemi), ale też prostszy matematycznie. Utrzymanie zgodności starego systemu geocentrycznego Ptolemeusza z obserwacjami astronomicznymi wymagało nakładania na niego kolejnych poprawek, m.in. tzw. epicykli, czyli „cykli na cyklach” – planety miałyby poruszać się po sferach, które same poruszały się po sferach. System kopernikański błyskawicznie likwiduje tego typu kłopotliwe komplikacje. Z dzisiejszej perspektywy brakuje mu jednak czegoś fundamentalnego – solidnej podstawy matematycznej, która pozwalałaby na poszukiwanie podstaw fizycznych ruchu planet. Kopernik traktował ruch sfer niebieskich jako zjawisko niemające nic wspólnego z grawitacją, rozumianą po prostu jako siła sprawiająca, że przedmioty spadają ku środkowi Ziemi. O ile centrum kosmosu miało być Słońce, to centrum grawitacji pozostawała Ziemia. Powiązanie tych dwóch zjawisk ze sobą potrzebowało solidniejszej bazy, zarówno teoretycznej, jak i obserwacyjnej.

Pobudzeni przez Kopernika astronomowie drugiej połowy XVI w. raźno wzięli się do roboty. Szczególnie heroiczne były wysiłki Tychona Brahego, który, od kiedy tylko w 1560 r. jako 14-latek doświadczył zaćmienia Słońca, postanowił zostać naukowcem. Od lat 60. XVI w. prowadził już systematyczne obserwacje, również astronomiczne, odnotowując m.in. z fantastyczną precyzją położenia gwiazd „stałych” (czyli po prostu gwiazd) oraz „zmiennych” (czyli planet). To właśnie owa wspaniała precyzja pozwoliła nieco młodszemu od niego Johannesowi Keplerowi wyrysować krzywe ilustrujące ruchy planet w nowym systemie heliocentrycznym. W klasycznym układzie geocentrycznym krzywe te są tyleż piękne, co kłopotliwe. Przykładowo, niektóre planety wydają się zawracać na swych ścieżkach. Kepler był już w stanie pokazać, że w modelu kopernikańskim trajektorie planet dają się doskonale przybliżać przez elipsy (a nie idealne okręgi, w które wierzył Kopernik), a ich parametry, zwłaszcza prędkość, można przewidzieć odwołując się do odległości planet od Słońca. Tak narodziły się słynne keplerowskie prawa ruchu planet, na bazie których Newton sformułował później ideę powszechnego oddziaływania grawitacyjnego.

Zatrzymajmy się jednak jeszcze na chwilę przy Keplerze. W nim zbiegła się genialna pomysłowość Kopernika ze wspaniałą precyzją pomiarów astronomicznych Brahego, dokonywanych, dodajmy, gołym okiem. Trudno jednak o piękniejszą demonstrację wspólnego pochodu sfery teoretycznej i obserwacyjnej astronomii niż to, co nastąpiło w 1609 r. To wówczas Kepler opublikował swój 650-stronicowy traktat „Astronomia nova”, w którym opisał nowe prawa ruchu planet. W tym samym roku Galileusz skonstruował swój pierwszy teleskop, korzystając prawdopodobnie ze zgłoszonego rok wcześniej w Niderlandach patentu Hansa Lippersheya. Astronomia otrzymała więc podwójny bodziec dla rozwoju. Z jednej strony zupełnie nowy poziom (matematycznego) opisu, a z drugiej wspaniałe narzędzie badania rzeczywistych położeń i wyglądu ciał niebieskich. O tym, jak niezwykłym wydarzeniem dla nauki był teleskop, niech świadczy fakt, że w samym tylko 1610 r., czasem w odstępie zaledwie dni, Galileusz jako pierwszy zaobserwował księżyce Jowisza, fazy Wenus, pierścienie Saturna i góry na powierzchni Księżyca. Podobna eksplozja nowych obserwacji to rzadkie zjawisko w nauce.

Widzę, ale nie rozumiem

Omówmy teraz przypadki gorszej koordynacji. Sytuację, gdy obserwacji nie brakuje, ale fizycy cierpią na poważny niedostatek teorii, ilustrują choćby badania przepływu cieczy. Nie trzeba żadnego zaawansowanego sprzętu, aby obserwować powstające na powierzchni wody wiry – spójrzmy choćby na świetne, szczegółowe rysunki Leonarda da Vinciego. Względnie łatwe jest opisanie dynamiki płynu, gdy ten zachowuje się w sposób uporządkowany, tj. gdy można go myślowo podzielić na równoległe warstewki przesuwające się niezależnie od siebie. Wyobraźmy sobie choćby idealnie gładką warstwę kisielu, powolutku spełzającą w dół na nieskończonej, nieznacznie opadającej pochylni: warstwa przyziemna nie porusza się wcale, a z każdym centymetrem ku górze prędkość pełznięcia kisielu rośnie. Tego typu wyidealizowany przypadek to tzw. przepływ laminarny. W rzeczywistości w świecie przyrody trudno znaleźć tego typu cieszące matematyka idealne układy, a ciecze lubią zakręcać, tworząc większe czy mniejsze strugi, wiry i cyklony, co określa się jako przepływ turbulentny.

Matematyczny opis tego typu ruchów stanowi od wieków szczególnie twardy orzech do zgryzienia. Któryś z wybitnych fizyków, albo Horace Lamb, albo Werner Heisenberg, miał rzekomo powiedzieć, że po śmierci zada Bogu tylko dwa pytania: o teorię względności i o turbulencję. Nie znaczy to, że teoretyczny opis turbulencji nie istnieje. W 1941 r., przykładowo, wybitny rosyjski matematyki Andriej Kołmogorow przedstawił opis „kaskadowego” wzbudzania się wirów w cieczy: od największej skali, przez coraz mniejsze, aż po „mikrowirki”, ostatecznie rozpraszające się w postaci chaotycznych ruchów cząsteczek cieczy – czyli ciepła. Do dziś jednak w wielu sytuacjach, kiedy turbulencja ma znaczenie – czyli od modelowania zachowania się samolotu po symulacje zmian klimatycznych – nie do końca wiadomo, jaką metodą sobie z nią poradzić.

Mamy taką piękną teorię…

Odwrotna sytuacja występuje wtedy, kiedy teoretycy posiadają do dyspozycji matematycznie elegancką teorię, ale żadnym sposobem nie udaje się jej potwierdzić – czy nawet obalić! – obserwacyjnie. Najsłynniejszym ze współczesnych przypadków jest teoria strun, mająca stanowić kolejny wielki krok w drodze ku opisaniu mikroświata, a wraz z nim również i wszechświata jako takiego. Choć teoria ta rozwijana jest od lat 60. XX w., a co miesiąc publikuje się na jej temat setki kolejnych artykułów, nie istnieje obecnie żaden potwierdzony sygnał ze strony obserwatorów, jednoznacznie informujący o jej słuszności.

Nie jest to do końca niedostatek samej tej teorii, a raczej specyfika jej przedmiotu. Teoria strun pokazuje swoje pazury – i przewagę nad bieżącą wersją teorii kwantowej – dopiero przy opisie zjawisk takich jak zachowanie się cząstek elementarnych przy skrajnie wysokich energiach. Określenie „skrajnie wysokie energie” oznacza przy tym warunki, których żadnym sposobem nie da się dziś wytworzyć eksperymentalnie, a nawet przy maksymalnie podkręconym Wielkim Zderzaczu Hadronów przewidywania teorii strun nie różnią się specjalnie od tego, co przewiduje standardowa fizyka. Istnieje oczywiście więcej takich przypadków w fizyce: bo cóż właściwie mają powiedzieć naukowcy modelujący stan materii w samym centrum Jowisza? Dane obserwacyjne informujące o zachodzących tam procesach praktycznie nie istnieją. Cóż, taki jest po prostu świat.

Jedno jest jasne – naprawdę wielkie przełomy następują wtedy, kiedy uda się zgrać ze sobą stronę teoretyczną i obserwacyjną nauki. Nie zawsze da się to zaplanować, dużo częściej potrzebny jest łut szczęścia, jakim było choćby pojawienie się teleskopu właśnie wtedy, kiedy astronomowie opracowali nowe narzędzia matematyczne, pozwalające na płodne korzystanie z nowo uzyskanego morza informacji. Czasem danych obserwacyjnych – albo błyskotliwego wglądu teoretycznego – uporczywie brak. Trudno jednak obrażać się na świat, że nie wręcza nam wszystkich swoich sekretów na tacy. ©

Łukasz Lamża