К а r l о R о v е l i 7 KRATKIH LEKCIJA IZ FIZIKE
Preveo Goran Skrobonja
Naslov originala Carlo Rovelli SETTE BREVI LEZIONI DI FISICA
Copyright ©2014 Adelphi Edizioni S.p.A., Milano Translation copyright © 2016 za srpsko izdanje, LAGUNA
7 KRATKIH LEKCIJA IZ FIZIKE
Sadržaj Predgovor PRVA LEKCIJA
NAJLEPŠA TEORIJA NA SVETU DRUGA LEKCIJA
KVANTI TREĆA LEKCIJA
ARHITEKTURA KOSMOSA ČETVRTA LEKCIJA
ČESTICE PETA LEKCIJA
ZRNA SVEMIRA ŠESTA LEKCIJA
VEROVATNOĆA, VREME I TOPLOTA CRNIH RUPA SEDMA LEKCIJA
MI SAMI
Predgovor
Ove lekcije napisane su za one koji znaju malo ili nimalo o savremenoj nauci. One zajedno predstavljaju brz pregled najfascinantnijih aspekata velike revolucije koja se dogodila u fizici u dvadesetom veku, i pitanja i tajni koje je ta revolucija otvorila. Jer nauka nam pokazuje kako da bolje razumemo svet, ali nam isto tako otkriva koliko je ogromno prostranstvo onoga što se još ne zna. Prva lekcija je posvećena opštoj teoriji relativnosti Alberta Ajnštajna, „najlepšoj teoriji na svetu“. Druga je posvećena kvantnoj mehanici, gde se kriju oni aspekti moderne fizike koji najviše zbunjuju. Treća je posvećena kosmosu: arhitekturi vaseljene koju nastanjujemo; četvrta njenim elementarnim česticama. Peta se bavi kvantnom gravitacijom: tekućim pokušajima da se konstruiše sinteza najvećih otkrića iz dvadesetog veka. Šesta se odnosi na verovatnoću i toplotu crnih rupa. Poslednji deo knjige vraća nas nama samima, i postavlja pitanje kako je moguće razmišljati o našoj egzistenciji u svetlu neobičnog sveta koji fizika opisuje. Lekcije su proširena verzija niza članaka koje je autor objavio u nedeljnom dodatku italijanskih novina Sole 24 ore. Želeo bih da posebno zahvalim Armandu Masarentiju, koji je zaslužan za otvaranje kulturnih stranica nedeljnih novina za nauku, i za to što je dozvolio da se osvetli uloga ovog integralnog i vitalnog aspekta naše kulture.
PRVA LEKCIJA
NAJLEPŠA TEORIJA NA SVETU
Albert Ajnštajn je u mladosti proveo godinu dana u besciljnom gluvarenju. Nigde ne možete stići bez „gubljenja“ vremena – a to je nešto što roditelji tinejdžera, nažalost, obično zaboravljaju. Nalazio se u Paviji. Pridružio se porodici pošto je napustio nastavu u Nemačkoj, nesposoban da istrpi strog režim u svojoj tamošnjoj srednjoj školi. Bilo je to na početku dvadesetog veka, i u Italiji je tada započela industrijska revolucija. Njegov otac, inženjer, gradio je prve električne centrale na ravnici Padove. Albert je čitao Kanta i povremeno odlazio na predavanja na Pavijski univerzitet: iz zadovoljstva, pošto tamo nije bio upisan, niti je morao da razmišlja o ispitima. Tako nastaju ozbiljni naučnici. Posle toga, upisao se na Ciriški univerzitet i uronio u studije fizike. Nekoliko godina kasnije, 1905, poslao je tri članka najprestižnijem naučnom časopisu iz tog perioda: Annalen der Physik. Svaki od njih bio је vredan Nobelove nagrade. Prvi dokazuje da atomi zaista postoje. Drugi postavlja prvi temelj za kvantnu mehaniku, o čemu ću govoriti u sledećoj lekciji. Treći predstavlja njegovu prvu teoriju relativnosti (danas poznatu kao „specijalna relativnost“) teoriju koja izlaže to da vreme ne prolazi istovetno za svakoga: dva jednojajčana blizanca ustanoviće da su različite starosti ukoliko je jedan od njih brzo putovao. Ajnštajn je preko noći postao čuveni naučnik i različiti univerziteti su mu ponudili zaposlenje. Ali nešto ga je mučilo: uprkos momentalnoj slavi njegova teorija relativnosti ne uklapa se u ono što znamo o gravitaciji, konkretno o tome kako stvari padaju. On je to shvatio kada je pisao jedan članak u kojem je sumirao svoju teoriju, i počeo je da se pita treba li revidirati zakon „univerzalne gravitacije“, kako ga je formulisao otac fizike lično, Isak Njutn, da bi se on uklopio u novi koncept relativnosti. Bacio se na rešavanje tog problema. Za to će mu biti potrebno deset godina. Deset godina mahnitih studija, pokušaja, grešaka, zbrke, pogrešnih članaka, briljantnih ideja, loše postavljenih zamisli. Konačno, u novembru 1915, odlučio je da objavi članak sa kompletnim rešenjem: novom teorijom relativnosti koju je nazvao „Opštom teorijom relativnosti“, njegovim remek-delom i „najlepšom teorijom na svetu“, kako je to rekao veliki ruski fizičar Lav Landau. Postoje apsolutna remek-dela koja nas izuzetno dirnu: Mocartov Rekvijem; Homerova Odiseja; Sikstinska kapela; Kralj Lir. Potpuno razumevanje njihove briljantnosti može da zahteva dugo šegrtovanje, ali nagrada je čista lepota – i ne samo to, već i otvaranje naših očiju za svet iz nove perspektive. Ajnštajnov dragulj, opšta teorija relativnosti, remek-delo je tog nivoa. Sećam se koliko sam bio uzbuđen kada sam počeo da shvatam ponešto od nje. Bilo je leto. Nalazio sam se na plaži kod Kondofurija u Kalabriji i čvario se na mediteranskom suncu, na poslednjoj godini univerzitetskih studija. Pošto mu nastava ne odvraća pažnju, čovek najbolje uči na raspustu. Učio sam uz pomoć knjige koju su na ivicama izgrizli miševi, zato što sam je noću koristio kako bih pokrio rupe tih sirotih stvorenja u prilično oronuloj, hipijevskoj kući u umbrijskim brdima, gde sam se povlačio posle tegobnih univerzitetskih predavanja u Bolonji. Malo-malo pa sam podizao
pogled sa knjige i gledao u svetlucavo more: činilo mi se da zaista vidim zakrivljenje prostora i vremena koje je Ajnštajn zamišljao. Kao nekom čarolijom: kao da mi je neki prijatelj u uho šapnuo neku izuzetnu skrivenu istinu, najednom podigavši zar stvarnosti, i otkrio jednostavniji, dublji poredak. Još otkad smo otkrili da je Zemlja okrugla i okreće se kao luda čigra, shvatamo da stvarnost nije onakva kakvom nam se ukazuje: kad god načas ugledamo neki njen novi aspekt, to je iskustvo duboko emocionalno. Još jedan zar spadne. Ali među brojnim skokovima napred u našem razumevanju, koji su sledili jedan za drugim tokom istorije, Ajnštajnov je možda nenadmašan. Zašto? Ponajpre, zato što kad jednom shvatite kako ona funkcioniše, teorija vas svojom jednostavnošću ostavlja bez daha. Izneću sažetak te zamisli. Njutn je pokušao da objasni zbog čega stvari padaju i zašto se planete okreću. On je zamislio postojanje „sile“ koja privlači sva materijalna tela jedna drugima, i nazvao je „silom gravitacije“. Kako se ta sila ispoljava između međusobno udaljenih stvari, kada između njih nema ničega, bilo je nepoznato – a veliki otac savremene nauke bio je obazriv i nije iznosio hipotezu za to. Njutn je takođe zamišljao da se tela kreću kroz prostor te da je taj prostor velika prazna posuda, ogromna kutija u kojoj se nalazi svemir, neizmerna struktura kroz koju se svi objekti kreću pravolinijski sve dok neka sila ne natera njihovu putanju da se zakrivi. Od čega se sastoji taj „prostor“, ta posuda za svet koju je Njutn izmislio, on nije umeo da objasni. Ali nekoliko godina pre Ajnštajnovog rođenja, dva velika britanska fizičara Majkl Faradej i Džejms Maksvel dodali su ključni sastojak Njutnovom hladnom svetu: elektromagnetno polje. To polje je stvarni entitet koji, raspršen posvuda, prenosi radio-talase, ispunjava prostor, može da vibrira i oscilira kao površina jezera, i „prenosi“ električnu silu. Ajnštajn je još od mladosti bio fasciniran tim elektromagnetnim poljem koje je okretalo rotore u elektranama sagrađenim rukama njegovog oca, i ubrzo je počeo da shvata kako gravitacija, kao elektricitet, mora takođe da se prenosi nekim poljem: sigurno postoji nekakvo „gravitaciono polje“, analogno „električnom polju“. On se usredsredio na poimanje načina na koji to „gravitaciono polje“ funkcioniše, i kako bi se ono moglo opisati jednačinama. I u tom trenutku mu je sinula izuzetna zamisao, naprosto genijalna: gravitaciono polje nije raspršeno kroz prostor; gravitaciono polje jeste sam taj prostor. To je zamisao opšte relativnosti. Njutnov „prostor“ kroz koji se stvari kreću i „gravitaciono polje“ jedno su te isto. To je trenutak prosvetljenja. Značajno pojednostavljenje sveta: prostor nije više nešto odvojeno od materije, on je jedna od „materijalnih“ komponenti sveta. Entitet koji se leluja, opruža, krivi, izuvija. Ne nalazimo se unutar nevidljive krute infrastrukture: uronjeni smo u džinovsku elastičnu puževu kućicu. Sunce savija prostor oko sebe, a Zemlja se ne okreće oko njega usled neke tajanstvene sile, već zato što hita pravo kroz prostor koji se naginje, kao kliker koji se kotrlja u levku. Ne postoje tajanstvene sile generisane u centru levka, već se kliker kotrlja zahvaljujući tome što su zidovi zakrivljeni. Planete kruže oko Sunca, a stvari padaju, zato što se prostor krivi. Kako možemo da opišemo ovo zakrivljenje prostora? Karl Fridrih Gaus, najistaknutiji matematičar devetnaestog veka, takozvani „knez među matematičarima“, napisao je matematičke formule kako bi njima opisao dvodimenzionalne krivolinijske površine, poput površina brda. Onda je zatražio od jednog svog nadarenog studenta da generalizuje tu teoriju tako da ona obuhvati i prostore u tri ili više dimenzija. Dotični student, Bernard Riman, izradio je impresivnu doktorsku tezu koja se činila potpuno beskorisnom. Rezultat Rimanove teze bilo je to da svojstva zakrivljenog prostora hvata poseban matematički objekt koji danas poznajemo kao Rimanovo zakrivljenje, i obeležavamo ga slovom „R“. Ajnštajn je napisao jednačinu koja kaže da je R jednako energiji materije. To će reći: prostor se krivi tamo gde je materija. I to je to. Jednačina staje u pola reda, i
ničeg više nema. Vizija – da se prostor krivi – pretvara se u jednačinu. Ali unutar te jednačine ključa čitav svemir. I tu se čarobno bogatstvo teorije otvara u fantazmagorični sled predviđanja koja podsećaju na ludačko bulažnjenje u delirijumu, ali se za sva ispostavilo da su istinita. Za početak, jednačina opisuje to kako se prostor krivi oko zvezde. Zahvaljujući tom zakrivljenju, ne samo što planete kruže oko zvezde već i svetlost prestaje da se kreće pravolinijski i skreće. Ajnštajn je predskazao da Sunce dovodi do skretanja svetlosti. Godine 1919. to skretanje je bilo izmereno, a predviđanje potvrđeno. Ali ne krivi se samo prostor; to važi i za vreme. Ajnštajn je predskazao da vreme brže prolazi visoko gore, bliže Suncu, nego dole, bliže Zemlji. To je izmereno i ispostavilo se da je baš tako. Ako se neko ko je živeo na nultoj nadmorskoj visini sretne sa svojim blizancem koji je živeo u planinama, ustanoviće da je njegov blizanac malo stariji od njega. A to je tek početak. Kada velika zvezda sagori svu svoju zapaljivu supstancu (vodonik), ugasi se. Ono što preostane više ne podržava toplota sagorevanja, pa se ruši pod sopstvenom težinom do tačke u kojoj krivi prostor u tolikom stepenu da se strmoglavi u pravu-pravcatu rupu. To su čuvene „сrnе rupe“. Kad sam ja studirao, one su se smatrale jedva kredibilnim predviđanjima ezoterične teorije. Danas se posmatraju na nebu u stotinama, i astronomi ih podrobno proučavaju. Ali ovo još nije sve. Čitav svemir može da se širi i skuplja. Štaviše, Ajnštajnova jednačina pokazuje da svemir ne može da miruje; on mora da se širi. Godine 1930. širenje svemira je zapravo i primećeno. Ista jednačina predviđa da je širenje trebalo da bude započeto eksplozijom mladog, izuzetno malog i krajnje vrelog univerzuma: onim što danas poznajemo kao „Veliki prasak“. I opet, to isprva niko nije verovao, ali dokazi su se gomilali sve dok kosmičko pozadinsko zračenje – difuzni sjaj koji preostaje za toplotom generisanom prvobitnom eksplozijom – nije zaista primećeno na nebu. Ispostavilo se da je predviđanje sadržano u Ajnštajnovoj jednačini bilo tačno. I još više od toga, teorija tvrdi da se prostor kreće kao površina mora. Posledice tih „gravitacionih talasa“ primetne su na nebu u binarnim zvezdama i odgovaraju predviđanjima teorije zapanjujuće precizno, do jednog stomilionitog dela. I tako dalje. Ukratko, teorija opisuje živopisan i neverovatan svet u kojem svemiri eksplodiraju, prostor se ruši u rupe bez dna, vreme tone i usporava blizu planete, a nesputana proširenja međuzvezdanog prostora mreškaju se i nadimaju kao površina mora... A sve to, što je postepeno ispuzalo iz moje knjige koju su izgrickali miševi, nije bila pripovest nekog kretena u napadu ludila, niti halucinacija koju su izazvali vrelo mediteransko sunce Kalabrije i njeno zaslepljujuće more. Bila je to stvarnost. Ili još bolje, pogled na stvarnost, malo manje zastrtu nego kad je posredi naš nejasan i banalan svakodnevni pogled na nju. Stvarnost koja je izgleda napravljena od istog onog od čega su napravljeni naši snovi, ali je svejedno stvarnija nego naše zamagljeno svakodnevno snevanje. Sve je to rezultat elementarne intuicije: da su prostor i gravitaciono polje jedno te isto. A što se tiče jednostavne jednačine, ne mogu da odolim da je ovde ne prikažem, premda je gotovo izvesno da nećete moći da je dešifrujete. Možda će neko ko ovo čita ipak moći da se divi njenoj čudesnoj jednostavnosti: Rab – ½ R g ab = Tab
I to mu je to. Naravno, trebalo bi da proučite i svarite Rimanovu matematiku kako biste ovladali tehnikom čitanja i primene ove jednačine. Potrebno je za to malo predanosti i truda. Ali manje nego što je neophodno da naučite da cenite uzvišenu lepotu poznog Betovenovog gudačkog kvarteta. U oba
slučaja, nagrada je čista lepota, i potpuno novi pogled na svet.
DRUGA LEKCIJA
KVANTI
Dva stuba fizike dvadesetog veka – opšta relativnost, o kojoj sam govorio u prvoj lekciji, i kvantna mehanika, kojom se bavim ovde – međusobno su sasvim različiti. Obe teorije nas uče da je fino ustrojstvo prirode suptilnije nego što izgleda. Ali opšta relativnost je kompaktan dragulj: zamislio ju je jedan jedini um, um Alberta Ajnštajna, kao jednostavnu i koherentnu viziju gravitacije, prostora i vremena. Kvantna mehanika, ili „kvantna teorija“, s druge strane, postigla je neuporediv eksperimentalni uspeh i dovela do primene koja je preobrazila naš svakodnevni život (na primer, do kompjutera na kojem pišem), ali više od jednog veka posle njenog rođenja, ona je i dalje zaodenuta tajnovitošću i nerazumljivošću. Govori se da je kvantna mehanika rođena tačno 1900. i praktično nas je uvela u vek intenzivnog promišljanja. Nemački fizičar Maks Plank je izračunao električno polje u ravnoteži unutar vruće kutije. Da bi to uradio, upotrebio је trik: zamislio je da je energija polja distribuirana u „kvantima“, to jest a paketićima ili grumenju energije. Taj postupak je doveo do rezultata koji je savršeno reprodukovao ono što je mereno (te tako mora biti u nekom smislu tačno), ali se suprotstavilo svemu što je u to vreme bilo poznato. Smatralo se da je energija nešto što u kontinuitetu varira, i nije postojao nikakav razlog da se ona tretira kao da je napravljena od malih građevinskih blokova. Trefiranje energije kao da je ona napravljena od dovršenih paketića bilo je, za Planka, neobičan računski trik, i on sam nije u potpunosti razumeo razlog za njegovu efikasnost. I ponovo je dopalo Ajnštajnu da, pet godina kasnije, shvati kako su „paketići energije“ stvarni. Ajnštajn je pokazao da se svetlost sastoji od paketića: čestica svetlosti. Danas mi to nazivam „fotonima“. On je napisao, u uvodu za svoj članak: Čini mi se da opažanja povezana sa zračenjem tamnog tela, fluorescencijom, proizvodnjom katodnih zraka ultraljubičastim svetlom, i druge pojave povezane sa emisijom ili preobražajem svetlosti, lakše mogu da se shvate ako čovek pretpostavi da energija svetlosti nije u kontinuitetu distribuirana kroz prostor. U skladu sa pretpostavkom koja će se ovde razmatrati, energija svetlosnog zraka koji se širi iz tačke izvora ne distribuira se u kontinuitetu kroz sve veći prostor, već se sastoji od konačnog broja „energetskih kvanta“ koji su lokalizovani u prostornim tačkama, i kreću se bez podele, te se mogu proizvesti i apsorbovati samo kao kompletne jedinice. Ove jednostavne i jasne rečenice stvarna su krštenica kvantne teorije. Primetićete divno početno „Čini mi se...“ koje podseća na „Mislim da...“ čime je Darvin uveo u svoje sveske veliku zamisao da vrste evoluiraju, ili na „oklevanje“ o kojem je govorio Faradej kada je prvi put uveo revolucionarnu zamisao o magnetnim poljima. Genije okleva.
Anštajnov rad su kolege isprva tretirale kao besmisleno i detinjasto delo jednog izuzetno briljantnog mladića. Kasnije će on upravo za taj rad dobiti Nobelovu nagradu. Ako je Plank otac teorije, Ajnštajn je roditelj koji ju je othranio. Ali kao i svi potomci, teorija je otišla svojim putem tako da više ni sam Ajnštajn nije mogao da je prepozna. U drugoj i trećoj deceniji dvadesetog veka, Danac Nils Bor je bio pionir u njenom razvoju. Bor je bio taj koji je razumeo da energija elektrona u atomima može da poprimi samo određene vrednosti, kao energija svetlosti, i ono ključno da elektroni mogu samo da „skaču“ između dve atomske orbite sa određenim energijama, s tim da prilikom skoka emituju ili apsorbuju foton. To su čuveni „kvantni skokovi“. I upravo su se u njegovom institutu u Kopenhagenu okupili najbriljantniji mladi umovi tog veka kako bi istražili i pokušali da uvedu red u zbunjujuće aspekte ponašanja u atomskom svetu, te da iz toga izgrade suvislu teoriju. Godine 1925. konačno su se pojavile jednačine teorije, zamenivši čitavu Njutnovu mehaniku. Teško je zamisliti veće dostignuće. Jednim potezom, sve ima smisla, i sve možete da izračunate. Uzmimo jedan primer: sećate li se kako se na zidovima raznih učionica nalazi periodni sistem elemenata, koji je smislio Mendeljejev, i koji navodi sve moguće elementarne supstance od kojih se vasiona sastoji, od vodonika do uranijuma? Zbog čega su tačno ti elementi tamo navedeni, i zašto periodni sistem ima upravo tu strukturu, sa tim periodima, te sa elementima koji imaju upravo ta konkretna svojstva? Odgovor je u tome da svaki element odgovara jednom rešenju glavne jednačine kvantne mehanike. Celokupna hemija potiče iz jedne jedine jednačine. Jednačine nove teorije prvi je napisao, zasnovavši ih na vrtoglavim zamislima, mladi nemački genije Verner Hajzenberg. Hajzenberg je zamislio da elektroni ne postoje uvek. Oni postoje samo kada ih neko ili nešto posmatra, ili još bolje, kada su u interakcji sa nečim drugim. Oni se materijalizuju na jednom mestu, sa verovatnoćom koja se može izračunati, kada se sudare sa nečim drugim. „Kvantni skokovi“ iz jedne orbite u drugu jedini su način da oni budu „stvarni“: elektron je skup skokova iz jedne interakcije u drugu. Kada ga ništa ne uznemirava, on se ne nalazi ni na jednom konkretnom mestu. Ne nalazi se zapravo ni na kakvom „mestu“. To mu dođe kao da Bog nije stvorio stvarnost sa jasno određenim, debelim linijama, već tek istačkanu, tako da se slabo nazire njen obris. U kvantnoj mehanici nijedan predmet nema definitivnu poziciju, osim kada se naglavačke sudari s nečim drugim. Da bismo ga opisali usred leta, između dve interakcije, koristimo apstraktnu matematičku formulu koja ne postoji u stvarnom prostoru, već samo u onom apstraktnom, matematičkom. Ali još gore stvari tek dolaze: ti interaktivni skokovi u kojima svaki predmet prelazi s jednog mesta na drugo ne dešavaju se na predvidljiv način već uglavnom nasumično. Nije moguće predvideti gde će se elektron ponovo pojaviti, već samo izračunati verovatnoću da će on iskočiti tu ili tamo. Pitanje verovatnoće zadire u srce fizike, gde sve kao da je nekada bilo podvrgnuto čvrstim zakonima koji su bili univerzalni i neopozivi. Izgleda li to apsurdno? Izgledalo je apsurdno i Ajnštajnu. S jedne strane, on je predložio Hajzenberga za Nobelovu nagradu, priznavši da je ovaj pojmio nešto fundamentalno u vezi sa svetom; dok s druge strane nije propustio nijednu priliku da gunđa kako sve to nema mnogo smisla. Mladi lavovi iz Kopenhaške grupe bili su užasnuti: kako je moguće da Ajnštajn to misli? Njihov duhovni otac, čovek koji je ispoljio hrabrost da pomisli ono nezamislivo, sada se povlačio i plašio ovog novog skoka u nepoznato koji je on sam izazvao. Isti onaj Ajnštajn koji je pokazao da vreme nije univerzalno i da je prostor zakrivljen sada je govorio kako svet ne može da bude toliko neobičan. Bor je Ajnštajnu strpljivo objašnjavao nove ideje. Ajnštajn je prigovarao. Smišljao je mentalne
eksperimente kako bi pokazao da su nove zamisli protivrečne: „Zamisli kutiju punu svetlosti, iz koje dozvolimo jednom fotonu da načas umakne...“ Tako počinje jedan od njegovih čuvenih primera, mentalni eksperiment sa „kutijom svetlosti“. Na kraju je Bor uvek uspevao da pronađe odgovor kojim bi odbio te prigovore. Godinama se njihov dijalog nastavljao kroz predavanja, pisma, članke... Za vreme te prepiske, obojica velikana morali su da se vraćaju i menjaju svoje razmišljanje. Ajnštajn je morao da prizna kako zapravo ne postoji protivrečnost u novim zamislima. Bor je morao da shvati kako stvari nisu toliko jednostavne niti jasne kao što je prvobitno mislio. Ajnštajn nije želeo da popusti oko onoga što je za njega bilo ključno pitanje: da postoji objektivna stvarnost nezavisno od toga ko sa čime stupa u interakciju. Bor nije hteo da popusti oko validnosti sasvim novog načina na koji nova teorija konceptualizuje stvarnost. Konačno, Ajnštajn je priznao da je teorija džinovski korak napred u našem poimanju sveta, ali je ostao ubeđen u to da stvari ne mogu biti toliko neobične kao što je to prikazano – da „iza“ toga mora postojati još neko, razboritije objašnjenje. Čitav vek kasnije, nismo odmakli ni malčice odatle. Jednačine kvantne mehanike i njihove posledice koriste se svakodnevno u veoma različitim delatnostima; primenjuju ih fizičari, inženjeri, hemičari i biolozi. One su izuzetno korisne u svim vrstama savremene tehnologije. Bez kvantne mehanike ne bi bilo tranzistora. Ali sve to ostaje tajanstveno. Jer ove jednačine ne opisuju šta se dešava nekom fizičkom sistemu, već samo to kako jedan fizički sistem utiče na drugi fizički sistem. Šta ovo znači? Znači li to da je suštinska stvarnost nekog sistema neopisiva? Znači li to da nam samo nedostaje delić slagalice? Ili znači, kao što se meni čini, da moramo prihvatiti zamisao da je stvarnost samo interakcija? Naše znanje raste, u stvarnom smislu. Ono nam omogućava da radimo nove stvari koje ranije nismo ni zamišljali. Ali taj rast je otvorio nova pitanja. Nove misterije. Oni koji koriste jednačine teorije u laboratoriji svejedno guraju dalje, ali u člancima i na konferencijama koji su u poslednjim godinama sve učestaliji, fizičari i filozofi i dalje tragaju. Šta je kvantna teorija, jedan vek posle njenog rođenja? Izuzetni skok duboko u prirodu stvarnosti? Omaška koja, slučajno, funkcioniše? Deo stare nepotpune zagonetke? Ili naznaka za nešto duboko u vezi sa svetom, što još nismo uspeli propisno da svarimo? Kada je Ajnštajn umro, njegov najveći rival Bor pronašao je za njega reči dirljivog divljenja. Nekoliko godina kasnije, kada je umro Bor, neko je snimio fotografiju table u njegovoj radnoj sobi. Na njoj je crtež. Crtež „svetlom ispunjene kutije“ iz Ajnštajnovog misaonog eksperimenta. Sve do samog kraja, želja da izaziva samog sebe i razume više toga. I do samog kraja: sumnja.
TREĆA LEKCIJA
ARHITEKTURA KOSMOSA
U prvoj polovini dvadesetog veka, Ajnštajn je opisao kako funkcionišu prostor i vreme, dok su Nils Bor i njegovi mladi sledbenici jednačinama hvatali neobičnu kvantnu prirodu materije. U drugoj polovini veka, fizičari su gradili na tim temeljima, koristeći dve nove teorije za krajnje različite domene prirode: od makrokosmičke strukture svemira do mikrokosmosa elementarnih čestica. Govorim o prvoj od njih u ovoj lekciji, dok ću se u sledećoj baviti drugom. Ova lekcija se sastoji uglavnom od jednostavnih crteža. Razlog za to jeste činjenica da se nauka, pre eksperimenata, merenja, matematike i strogih dedukcija, sasvim sastoji od vizija. Nauka počinje vizijom. Naučna misao hrani se sposobnošću da se stvari „vide“ drugačije nego što su bile sagledavane ranije. Želim da ovde iznesem kratak, skroman prikaz putovanja između vizija.
Ovo predstavlja način na koji je kosmos bio milenijumima konceptualizovan: Zemlja dole, nebo gore. Prvu veliku naučnu revoluciju izveo je Anaksimandar pre dvadeset šest vekova kada je pokušao da ustanovi kako je to moguće da se Sunce, Mesec i zvezde okreću oko nas, zamenivši gornju sliku kosmosa sledećom:
Sada je nebo svud oko Zemlje, ne samo iznad nje, a Zemlja je veliki kamen koji lebdi u prostoru i ne pada. Ubrzo je neko (možda Parmenida, možda Pitagora) shvatio da je sfera najrazumniji oblik za tu leteću Zemlju, za koju su svi pravci podjednaki – a Aristotel je smislio ubedljive naučne argumente za potvrđivanje sferne prirode kako Zemlje, tako i nebesa oko nje, gde se nebeska tela kreću svojim putem. Evo tako dobijene slike kosmosa:
A ovaj kosmos, kako ga je Aristotel opisao u svojoj knjizi O nebesima, slika je sveta koja će
ostati karakteristična za mediteranske civilizacije sve do kraja srednjeg veka. To je slika sveta o kakvom su Dante i Šekspir učili u školi. Sledeći skok izveo je Kopernik, započevši ono što će biti nazvano velikom naučnom revolucijom. Svet se za Kopernika ne razlikuje toliko mnogo od onog Aristotelovog:
Ali tu postoji jedna ključna razlika. Preuzevši zamisao koja je već razmatrana u antici, Kopernik je shvatio i pokazao da naša Zemlja nije centar plesa planeta, već je tamo umesto nje Sunce. Naša planeta postaje jedna među drugima, i okreće se velikom brzinom oko svoje ose i oko Sunca. Rast našeg znanja se nastavlja, i sa poboljšanim instrumentima ubrzo se saznalo da je sam Sunčev sistem samo jedan među mnogobrojnim drugima, te da je Sunce tek obična zvezda poput drugih. Infinitezimalni trun u ogromnom oblaku sto milijardi zvezda – galaksiji:
Međutim, u tridesetim godinama dvadesetog veka, precizna merenja koja su astronomi obavili na nebulama – malim beličastim oblacima između zvezda – pokazala su da je i sama naša galaksija trun prašine u ogromnom oblaku galaksija, koji se proteže dokle god oko može da vidi, čak i uz primenu naših najmoćnijih teleskopa. Svet je sada postao jednoobrazno i bezgranično prostranstvo. Donja ilustracija nije crtež; to je fotografija koju je snimio teleskop Habl u orbiti, i pokazuje dublju sliku neba od svih koje su ranije viđene kroz naš najmoćniji teleskop: viđeno golim okom, bilo bi to kao parčence izuzetno crnog neba. Kroz teleskop Habl pojavljuju se raštrkane daleke tačke. Svaka crna tačka je slika galaksije koja sadrži stotinu milijardi sunaca sličnih našem. U nekoliko proteklih godina primećeno je da oko većine tih sunaca kruže planete. Stoga u svemiru postoje hiljade milijardi milijardi milijardi planeta poput Zemlje. A kud god da pogledamo, čeka nas sledeći prizor:
Ali ta beskrajna jednoobraznost, opet, nije kao što izgleda. Kao što sam već objasnio u prvoj lekciji, prostor nije ravan, već zakrivljen. Moramo da zamislimo teksturu vaseljene, poprskane galaksijama, pomeranim talasima nalik onima na moru, ponekad toliko uzburkanim da stvaraju
procepe, crne rupe. Vratimo se onda nacrtanoj slici, kako bismo predstavili tu vasionu izbrazdanu velikim talasima:
I konačno, sada znamo da je ovaj ogromni, elastični kosmos, načičkan galaksijama i star već petnaest milijardi godina, nastao iz ekstremno vrelog i gustog oblačića. Da bismo predstavili tu viziju, više ne moramo da crtamo vasionu, već čitavu njenu istoriju. I evo nje, prikazane dijagramski:
Svemir je započeo kao loptica, a onda eksplodirao u svoje sadašnje kosmičke dimenzije. Ovo je naša trenutna slika univerzuma, u najvećim razmerama koje znamo. Postoji li još nešto? Da li je postojalo nešto ranije? Možda jeste. Govoriću o tome u nekoj od narednih lekcija. Da li postoje i druge vasione, ili drugačije? To ne znamo.
ČETVRTA LEKCIJA
ČESTICE
U vasioni opisanoj u prethodnoj lekciji, svetlost i stvari se pomeraju. Svetlost se sastoji od fotona, čestica svetlosti čije je postojanje naslutio Ajnštajn. Stvari koje vidimo napravljene su od atoma. Svaki atom se sastoji od jezgra okruženog elektronima. Svako jezgro sastoji se od gusto nabijenih protona i neutrona. I protoni i neutroni se sastoje od još manjih čestica koje je američki fizičar Mari Gel-Man nazvao „kvarkovima“, nadahnut naizgled besmislenom rečju iz besmislene rečenice u Fineganovom bdenju Džejmsa Džojsa: „Tri kvarka za Master Маrka.“ Dakle, sve što dotaknemo sačinjeno je od elektrona, i od tih kvarkova. Sila koja „lepi“ kvarkove u protonima i neutronima nastaje zahvaljujući česticama koje su fizičari, sa malo smisla za urnebesno, nazvali „gluonima“. Elektroni, kvarkovi, fotoni i gluoni komponente su svega što se njiše u prostoru oko nas. Oni su „elementarne čestice“ koje se proučavaju u fizici čestica, Tim česticama se pridodaje još nekoliko drugih, poput neutrina koji se roje kroz svemir, ali imaju malo interakcije sa nama, te „Higsovi bozoni“ nedavno pronađeni u Ženevi, u CERN-ovom velikom hadronskom sudaraču. Ali njih nema mnogo, zapravo, manje ih je od deset tipova. Šačica elementarnih sastojaka koji se vladaju kao ciglice u džinovskom lego kompletu, i od njih je izgrađen kompletan materijal stvarnosti koja nas okružuje. Prirodu ovih čestica i način na koji se one kreću opisuje kvantna mehanika. Te čestice nisu stvarne kao obluci, već su pre „kvanti“ odgovarajućih polja, baš kao što su fotoni „kvanti“ elektromagnetnog polja. To su elementarne ekscitacije pokretnog supstrata sličnog Faradejevom i Maksvelovom polju. Minijaturni pokretni talasići. Oni nestaju i ponovo se pojavljuju u skladu s čudnim zakonima kvantne mehanike, gde ništa postojeće nikad nije stabilno, već se svodi samo na skokove iz jedne interakcije u drugu. Čak i ako posmatramo mali prazni region svemira, u kojem nema atoma, i dalje primećujemo izvesno rojenje tih čestica. Ne postoji stvarna praznina, nešto potpuno prazno. I baš kao što se i najmirnije more, kad se pobliže pogleda, njiše i drhturi, koliko god to slabašno bilo, tako i polja koja obrazuju svet podležu malenim fluktuacijama, i moguće je zamisliti kako njegove osnovne čestice postoje kratkotrajno i efemerno, u stalnom nastanku i nestanku izazvanom tim kretnjama. Ovo je svet kako ga opisuju kvantna mehanika i teorija čestica. Prevalili smo veoma veliki put od mehaničkog sveta Njutna i Laplasa, gde su male hladne stene večito lunjale po geometrijski nepromenljivom prostoru. Kvantna mehanika i eksperimenti sa česticama naučili su nas da je svet trajno, neumorno rojenje stvari; neprekidan izlazak na svetlo i nestanak efemernih entiteta. Skup vibracija, kao u nekom elektrifikovanom hipi svetu iz šezdesetih godina dvadesetog veka. Svet događanja, a ne svet stvari. Pojedinosti teorije čestica građene su postepeno u pedesetim, šezdesetim i sedamdesetim godinama dvadesetog veka, i to su činili neki od najvećih fizičara tog stoleća kao što su Ričard
Fejnman i Gel-Man. Taj rad na izgradnji doveo je do komplikovane teoriie, zasnovane na kvantnoj mehanici, sa ne baš romantičnim nazivom „Standardni model elementarnih čestica“. „Standardni model“ je dovršen u sedamdesetim godinama dvadesetog veka, posle dugog niza eksperimenata koji su potvrdili sva predviđanja. Njegova konačna potvrda dogodila se 2013. godine, sa otkrićem Higsovog bozona. Ali uprkos dugom nizu uspešnih eksperimenata, fizičari nikada nisu sasvim ozbiljno prihvatili Standardni model. To je teorija koja izgleda, makar na prvi pogled, kao jedva skrpljeni pačvork. Sastoji se od različitih delova i jednačina prikupljenih bez jasnog reda. Određeni broj polja (ali zašto baš tih?) u međusobnoj interakciji sa izvesnim silama (ali zašto baš sa tim silama?) zasebno određenim izvesnim veličinama (ali zašto baš tim veličinama?) pokazuje određene simetrije (ali opet, zašto baš tе?). Daleko smo od jednostavnosti jednačina opšte relativnosti i kvantne mehanike. Sam način na koji jednačine Standardnog modela donose predviđanja u vezi sa svetom takođe je apsurdno komplikovan. Kad se koriste direktno, te jednačine vode besmislenim predviđanjima gde se ispostavlja da je svaka izračunata količina beskrajno velika. Da bi se dobili smisleni rezultati, neophodno je zamisliti da su parametri koji u njih ulaze i sami beskrajno veliki, kako bi bili u kontrateži apsurdnim rezultatima i učinili ih razumnim. Ova zamršena i barokna procedura dobila je tehnički naziv „renormalizacija“. To deluje u praksi, ali ostavlja gorak ukus u ustima svakoga ko želi jednostavnost prirode. U poslednjim godinama svog života, najveći naučnik dvadesetog veka posle Ajnštajna, Pol Dirak, veliki arhitekta kvantne mehanike i autor prvih i najvažnijih jednačina Standardnog modela, uzastopno je iskazivao koliko je nezadovoljan takvim stanjem stvari, zaključivši kako „još nismo rešili problem“. Pored toga, u proteklim godinama pojavilo se izuzetno ograničenje Standardnog modela. Oko svake galaksije, astronomi primećuju veliki oblak materijala koji otkriva svoje postojanje gravitacionim privlačenjem ispoljenim na zvezdama, i načinom na koji skreće svetlost. Ali taj veliki oblak, čije gravitacione efekte posmatramo, ne može se videti direktno i mi ne znamo od čega se on sastoji. Predlagane su brojne hipoteze, i kao da nijedna od njih ne funkcioniše. Jasno je da tamo ima nečega, ali mi ne znamo šta je to. Sada se to naziva „tamnom materijom“. Dokazi pokazuju da je to nešto što Standardni model ne opisuje, inače bismo to videli. Nešto što nisu atomi, neutrini ili fotoni... Zato nimalo ne iznenađuje to što postoji više stvari na nebu i Zemlji, dragi čitaoče, nego što smo sanjali u svojoj filozofiji – ili fizici. Sve donedavno nismo čak ni podozrevali da postoje radio-talasi i neutrini, koji ispunjavaju svemir. Standardni model ostaje najbolji koji imamo kada danas govorimo o svetu stvari, i sva njegova predviđanja dosad su potvrđena; a zasebno od tamne materije – i gravitacije onako kako je ona objašnjena u teoriji opšte relativnosti kao zakrivljenje prostorvremena – dobro opisuje svaki aspekt opaženog sveta. Predlagane su alternativne teorije, samo da bi ih eksperimenti upropastili. Jedna lepa teorija predložena u sedamdesetim godinama dvadesetog veka, kada je i dobila tehničko ime SU5, na primer, zamenila je neuređene jednačine Standardnog modela mnogo jednostavnijom i elegantnijom strukturom. Teorija je predvidela da proton može da se dezintegriše, sa izvesnom verovatnoćom, preobražavajući se u elektrone i kvarkove. Napravljene su velike mašine za posmatranje protona koji se dezintegrišu. Fizičari su posvetili svoj život potrazi za primetnom dezintegracijom protona. (Ne posmatrate jedan po jedan proton zato što njegova dezintegracija predugo traje. Uzimate tone vode i onda ih okružite osetljivim detektorima kako biste posmatrali efekte dezintegracije.) Ali avaj, nijedan proton nije primećen u postupku dezintegracije. Ta lepa teorija, SU5, uprkos znatnoj eleganciji, nije bila po volji dragom Gospodu.
Ta priča se verovatno sada ponavlja sa grupom teorija poznatih kao „supersimetrija“, koje predviđaju postojanje nove klase čestica. Tokom moje karijere, slušao sam kako kolege s potpunim ubeđenjem čekaju da se te čestice pojave. Prolazili su dani, meseci, godine i decenije – ali supersimetrične čestice se još nisu manifestovale. Istorija fizike nije i istorija uspeha. Dakle, za sada moramo da se držimo Standardnog modela. On možda nije naročito elegantan, ali izuzetno dobro opisuje svet oko nas. I ko zna? Možda, ako se bliže pogleda, to i nije model kojem nedostaje elegancija. Možda mi samo još nismo naučili da ga gledamo sa odgovarajućeg stanovišta; sa mesta koje bi nam otkrilo njegovu skrivenu jednostavnost. Za sada, evo šta znamo o materiji: Šačica tipova elementarnih čestica, koje vibriraju i konstantno fluktuiraju između postojanja i nepostojanja i roje se u svemiru čak i kada se čini da tamo ničeg nema, kombinuje se zajedno beskonačno kao slova kosmičke azbuke kako bi ispripovedala ogromnu istoriju galaksija, nebrojenih zvezda, sunčeve svetlosti, planina, šuma i žitnih polja, nasmejanih lica mladeži na žurkama i noćnog neba načičkanog zvezdama.
РETA LEKCIJA
ZRNA SVEMIRA
Uprkos izvesnim nejasnoćama, nedoslednostima i pitanjima koja i dalje nemaju odgovor, fizika o kojoj sam govorio bolje opisuje svet nego ikada ranije u prošlosti. Zato bi trebalo da budemo sasvim zadovoljni. Ali nismo. U srcu našeg razumevanja fizičkog sveta postoji paradoks. Dvadeseti vek nam je podario dva dragulja o kojima sam govorio: opštu relativnost i kvantnu mehaniku. Iz prve se razvila kosmologija, kao i astrofizika, proučavanje gravitacionih talasa, crnih rupa i još mnogo čega. Druga nam je dala temelj za atomsku fiziku, nuklearnu fiziku, fiziku elementarnih čestica, fiziku zgusnute materije, i još mnogo, mnogo toga. Dve teorije, sa izobiljem darova, danas su fundamentalne za tehnologiju i preobrazile su naš način života. A opet, te dve teorije ne mogu biti istovremeno tačne, makar ne u njihovoj trenutnoj formi, pošto jedna drugoj protivreče. Studentu koji na univerzitetu pohađa predavanja o opštoj relativnosti ujutro, a na predavanja o kvantnoj mehanici ide posle podne, može se oprostiti ako zaključi da su njegovi profesori budale, ili su zapostavili međusobno komuniciranje najmanje jedan vek. Ujutro je svet zakrivljeni prostor u kojem je sve u kontinuitetu; posle podne je to ravan prostor gde skaču kvanti energije. Paradoks je to što obe te teorije izuzetno dobro funkcionišu. Priroda se prema nama ophodi kao onaj postariji rabin kome su dva čoveka došla da im reši spor. Kada je saslušao prvog, rabin je rekao: „Ti si u pravu.“ Drugi insistira na tome da rabin sasluša i njega, pa ovaj to učini i kaže: „I ti si takođe u pravu.“ Tada se oglasi rabinova žena, koja je sve to čula iz susedne sobe: „Ali nemoguće je da obojica budu u pravu!“ Rabin razmisli, pa klimne glavom pre nego što zaključi: „U pravu si, vala, i ti.“ Grupa teorijskih fizičara raštrkana na pet kontinenata marljivo pokušava da reši to pitanje. Njihovo polje proučavanja zove se „kvantna gravitacija“: cilj im je da pronađu teoriju, to jest skup jednačina – ali iznad svega suvislu viziju sveta – kojom će razrešiti trenutnu šizofreniju. Nije prvi put da se fizika našla suočena sa dve veoma uspešne, ali naizgled kontradiktorne teorije. Trud da se obavi sinteza u prošlosti je za plodove imao velike korake napred u našem poimanju sveta. Njutn je otkrio univerzalnu gravitaciju kombinovanjem Galilejevih parabola sa Keplerovim elipsama. Maksvel je došao do jednačina elektromagnetizma kombinovanjem teorija elektriciteta i magnetizma. Ajnštajn je otkrio relativnost tako što је razrešio naizgledan konflikt između elektromagnetizma i mehanike. Jedan fizičar se veoma raduje kada naiđe na ovakav konflikt između uspešnih teorija: to je izuzetna prilika. Možemo li da izgradimo konceptualni okvir za razmišljanje o svetu koji je kompatibilan sa onim što smo o njemu naučili iz obe teorije? Ovde, na isturenom položaju, izvan granica znanja, nauka postaje još lepša – usijana u kovnici novih ideja, intuicija, pokušaja. Puteva na koje smo se otiskivali i potom ih napuštali, radnih zanosa. U naporu da zamislimo ono što još niko pre nas zamislio nije. Pre dvadeset godina, magla je bila gusta. Danas su se pojavile staze koje nam ulivaju oduševljenje
i optimizam. Ima ih više, tako da se ne može reći da je problem rešen. Višestrukost dovodi do kontroverze, ali debata je zdrava: sve dok se magla sasvim ne podigne, dobro je imati kritiku i suprotstavljena gledišta. Jedan od glavnih pokušaja da se problem reši jeste smer istraživanja koji se naziva „kvantnom gravitacijom petlji“, a sledi ga brojni odred istraživača u mnogo zemalja. Kvantna gravitacija petlji je nastojanje da se kombinuju opšta relativnost i kvantna mehanika. To je obazriv pokušaj pošto koristi samo hipoteze koje su već sadržane u tim teorijama, prikladno iznova napisane da bi postale kompatibilne. Ali njene posledice su radikalne: dalje duboke modifikacije načina na koji posmatramo ustrojstvo stvarnosti. Zamisao je jednostavna. Opšta relativnost nas je naučila da svemir nije inertna kutija, već pre nešto dinamično: neka vrsta ogromne, pokretne puževe kućice u kojoj se nalazimo – i koja se može sabijati i izvijati. Kvantna mehanika, s druge strane, naučila nas je da se svako takvo polje „sastoji od kvanta“ i ima finu, zrnastu strukturu. Iz toga odmah sledi da se i fizički svemir „sastoji od kvanta“. Centralni rezultat kvantne gravitacije petlji jeste zaista to da svemir nije kontinualan, da nije beskrajno deljiv, već je sazdan od zrna, ili „atoma svemira“. Oni su izuzetno mali: milijardu milijardi puta manji od najmanjeg atomskog jezgra. Teorija opisuje te „atome svemira“ u matematičkoj formi, i dve jednačine koje određuju njihovu evoluciju. Zovu se „petlje“, ili prstenovi, zato što su međusobno povezani i tvore mrežu odnosa koja plete teksturu svemira, poput petlji fino pletene, ogromne verižnjače. Gde su ti kvanti svemira? Nigde. Nisu u svemiru pošto su oni sami svemir. Svemir je nastao povezivanjem tih pojedinačnih kvanta gravitacije. I još jednom se čini da svet nije toliko sazdan od predmeta, koliko od interaktivnih odnosa. Ali najekstremnija je druga posledica teorije. Baš kao što iščezava zamisao o kontinualnom svemiru koji sadrži stvari, nestaje i ideja o elementarnom i praiskonskom „vremenu“ koje teče bez obzira na stvari. Jednačine koje opisuju zrna svemira i materije više ne sadrže promenljivu veličinu „vremena“. To ne znači da je sve stacionarno i nepromenljivo. Naprotiv, to znači da je promena sveprisutna – ali elementarni procesi ne mogu se urediti u uobičajeni sled „trenutaka“. U sićušnim razmerama zrna svemira, ples prirode ne odvija se u ritmu palice jednog dirigenta i u jednom tempu: svaki proces pleše nezavisno od suseda, u sopstvenom ritmu. Proticanje vremena je za svet interno, rađa se u samom svetu u odnosu između kvantnih događaja koji čine svet i sami su izvor vremena. Tako je svet koji teorija opisuje još više udaljen od onog koji nam je poznat. Više nema svemira koji „sadrži“ svet, i više nema vremena „u kojem“ se događaji zbivaju. Postoje samo elementarni procesi u kojima su kvanti prostora i materije u stalnoj međusobnoj interakciji. Iluzija prostora i vremena koje se nastavlja oko nas zamagljena je vizija tog rojenja elementarnih procesa, baš kao što se mirno, bistro alpsko jezero zapravo sastoji od brzog plesa bezbroj sićušnih molekula vode. Viđena ekstremno uveličana kroz ultramoćnu lupu, pretposlednja slika u našoj trećoj lekciji trebalo bi da prikaže zrnastu strukturu svemira:
Je li moguće ovu teoriju eksperimentalno verifikovati? Mislimo i trudimo se, ali još nema eksperimentalne verifikacije. Međutim, tu je više različitih pokušaja. Jedan od njih potiče iz proučavanja crnih rupa. Na nebu sada možemo da posmatramo crne rupe koje nastaju od ugašenih zvezda. Smrvljena sopstvenom težinom, materija tih zvezda urušila se i iščezla nam iz vidokruga. Ali gde je nestala? Ako je teorija kvantne gravitacije petlji tačna, materija zapravo ne može da se uruši do infinitezimalne tačke. Zato što infinitezimalne tačke ne postoje – već samo konačni delovi prostora. Urušavanjem pod sopstvenom težinom, materija mora poprimati sve veću gustinu, do one tačke u kojoj kvantna mehanika mora da ispolji suprotan pritisak, kao protivtežu. Ova hipotetička konačna faza u životu jedne zvezde, gde kvantne fluktuacije prostor-vremena održavaju ravnotežu sa težinom materije, poznata je kao „Plankova zvezda“. Kad bi se Sunce ugasilo i formiralo crnu rupu, ona bi u prečniku imala oko kilometar i po. Unutar te crne rupe, Sunčeva materija bi nastavila da se urušava i na kraju bi postala jedna takva Plankova zvezda. Dimenzije bi joj bile slične dimenzijama jednog atoma. Čitava materija Sunca zgusnuta u prostor atoma: Plankova zvezda bi trebalo da se sastoji od tog ekstremnog stanja materije. Plankova zvezda nije stabilna: jednom sabijena do maksimuma, ona odskače i počinje da se ponovo širi. To dovodi do eksplozije crne rupe. Ovaj proces, kad bi ga pratio hipotetički posmatrač koji sedi u crnoj rupi na Plankovoj zvezdi, bio bi odskok koji se dešava velikom brzinom. Ali vreme za njega ne prolazi istom brzinom kao i za one izvan crne rupe, iz istog razloga iz kojeg vreme na planini prolazi brže nego na visini mora. Samo što je za njega, usled ekstremnih uslova, razlika u proticanju vremena ogromna, a ono što bi za posmatrača na zvezdi izgledalo kao izuzetno brz odskok, viđeno izvan nje, izgledalo bi kao nešto što se događa veoma dugo. Zbog toga vidimo da se crne rupe ne menjaju u dugim vremenskim periodima: crna rupa je zvezda u odskoku viđena u ekstremno usporenom snimku. Moguće je da su se u peći prvih trenutaka vasione formirale crne rupe, i da neke od njih sada eksplodiraju. Kad bi to bilo tačno, možda bismo mogli da posmatramo signale koje one emituju dok
eksplodiraju, u obliku kosmičkih zraka velike energije koji dolaze s neba, pa bi nam tako omogućile da posmatramo i merimo direktan učinak fenomena kojim vlada kvantna gravitacija. To je smela zamisao – možda ne bi upalila, na primer, ukoliko se u praiskonskoj vasioni nije formiralo dovoljno crnih rupa da bi nam to omogućilo da danas primetimo njihove eksplozije. Ali je traganje za signalima započelo. Videćemo. Još jedna posledica teorije, krajnje spektakularna, tiče se porekla svemira. Znamo kako da rekonstruišemo prošlost našeg sveta sve do prvobitnog perioda kada je on bio sićušan. Ali šta je bilo pre toga? Pa, jednačine teorije petlji omogućavaju nam da se vratimo još dalje u rekonstrukciji te prošlosti. Nalazimo da kada je vaseljena ekstremno sabijena, kvantna teorija generiše silu odbijanja, iz čega proishodi da je velika eksplozija ili „Veliki prasak“ zapravo možda bila „Veliki odskok“. Naš svet se možda zapravo rodio iz neke prethodne vaseljene koja se skupila pod sopstvenom težinom pre nego što je „odskočila“ i počela da se ponovo širi, pretvorivši se tako u univerzum koji se širi i koji vidimo svud oko nas. Trenutak tog odskoka, kada je vasiona bila toliko skupljena, pravi je domen kvantne gravitacije: vreme i prostor su potpuno nestali, a svet se rastočio u roj, oblak verovatnoće koji, međutim, jednačine i dalje mogu da opišu. A poslednja slika iz treće lekcije preobražena je na sledeći način:
Naša vasiona je možda rođena u odskoku iz prethodne faze, prošavši kroz prelaznu fazu u kojoj nije bilo ni prostora ni vremena. Fizika otvara prozore kroz koje vidimo daleko. A ono što vidimo ne prestaje da nas zapanjuje. Shvatamo da smo puni predrasuda i da je naša intuitivna slika sveta delimična, ograničena, nedostatna. Zemlja nije ravna, nije stacionarna. Svet nastavlja da se menja pred našim očima dok ga mi postepeno sagledavamo iscrpnije i jasnije. Ako pokušamo da spojimo sve što smo u dvadesetom veku naučili o fizičkom svetu, indicije ukazuju na nešto sasvim drugačije od našeg instinktivnog poimanja materije, prostora i vremena. Kvantna gravitacija petlji predstavlja pokušaj da se dešifruju te indicije i da se pogleda još malo dalje.
ŠESTA LEKCIJA
VEROVATNOĆA, VREME I TOPLOTA CRNIH RUPA
Zajedno s velikim teorijama o kojima sam već govorio i koje opisuju elementarne sastojke sveta, postoji još jedan veliki bastion fizike koji je donekle drugačiji od ostalih. Do njega je neočekivano dovelo jedno jedino pitanje: „Šta je toplota?“ Sve do sredine devetnaestog veka, fizičari su pokušavali da shvate toplotu razmišljajući o njoj kao o nekoj vrsti fluida, koju su nazivali „kalorik“; ili o dva fluida, pri čemu je jedan vreo a drugi hladan, ispostavilo se da je ta zamisao pogrešna. Na kraju su Džejms Maksvel i austrijski fizičar Ludvig Bolcman shvatili. A to što su oni shvatili veoma je lepo, čudno i duboko – i vodi nas u prostore koji su i dalje gotovo neistraženi. Oni su shvatili to da vrela supstanca nije ona koja sadrži kalorični fluid. Vrela supstanca je ona supstanca u kojoj se atomi brže kreću. Atomi i molekuli, mali klasteri atoma vezanih skupa, uvek su u pokretu. Oni jure, vibriraju, poskakuju i tako dalje. Hladan je onaj vazduh u kojem se atomi, ili bolje molekuli, kreću sporije. Vruć je onaj vazduh u kojem se molekuli kreću brže. Predivno jednostavno. Ali tu nije kraj. Toplota, kao što znamo, uvek se kreće od vrelih stvari prema hladnim. Hladna kašičica za čaj postavljena u šolju sa vrućim čajem takođe postaje vruća. Ako se ne obučemo prikladno kada je dan leden, brzo gubimo telesnu toplotu i biva nam hladno. Zašto se toplota kreće od vrućih svari prema hladnim, a ne obrnuto? To je ključno pitanje, zato što je u vezi sa prirodom vremena. U svakom slučaju u kojem ne dolazi do razmene toplote, ili je razmenjena toplota zanemarljiva, vidimo da se budućnost ponaša sasvim jednako kao prošlost. Na primer, za kretanje planeta u Sunčevom sistemu toplota je gotovo nevažna, i zapravo isto to kretanje jednako bi moglo da se dešava i unazad, a da ne bude prekršen niti jedan zakon fizike. Međutim, čim se pojavi toplota, budućnost se razlikuje od prošlosti. Dok nema trenja, na primer, klatno može da se beskonačno njiše. Kad bismo to snimili i pustili film unazad, videli bismo kretanje koje je sasvim moguće. Ali akо postoji trenje, onda klatno malčice zagreva svoj oslonac, gubi energiju i usporava. Trenje proizvodi toplotu. I odmah smo u stanju da razlikujemo budućnost (prema kojoj klatno usporava) od prošlosti. Nikad nismo videli kako klatno počinje da se njiše iz stacionarnog položaja a da mu je kretanje započeto energijom dobijenom zahvaljujući apsorpciji toplote iz njegovih oslonaca. Razlika između prošlosti i budućnosti postoji samo tamo gde ima i toplote. Fundamentalni fenomen koji odlikuje budućnost od prošlosti jeste činjenica da toplota prelazi sa stvari koje su toplije na stvari koje su hladnije. Dakle, ponovo, zašto toplota s vremenom prelazi sa vrelih stvari na hladne, a ne obrnuto? Taj razlog je otkrio Bolcman, i on je iznenađujuće jednostavan: posredi je puki slučaj. Bolcmanova zamisao je suptilna, i uvodi u igru ideju o verovatnoći. Toplota ne prelazi sa vrelih stvari na hladne usled nekog apsolutnog zakona: ona to čini s visokim stepenom verovatnoće. Razlog
je to što je statistički verovatnije da će se atom vrele supstance koji se brzo kreće sudariti sa onim hladnim i ostaviti mu malo svoje energije nego obrnuto. Energija je u sudarima očuvana, ali sklona je tome da bude distribuirana u manje-više jednakim delovima kada je u pitanju mnogo sudara. Na taj način, temperatura predmeta u međusobnom kontaktu teži da se izjednači. Nije nemoguće da vrelo telo u kontaktu sa hladnijim postane još vrelije: samo je ekstremno neverovatno. To uvođenje verovatnoće u srce fizike i njeno korišćenje kako bi se objasnile osnove dinamike toplote, isprva su smatrani apsurdom. Kao što često biva, Bolcmana niko nije shvatao ozbiljno. Petog septembra 1906, u Duinu blizu Trsta, on se ubio obesivši se, tako da nije dočekao naknadno univerzalno priznanje vrednosti njegovih zamisli. U drugoj lekciji sam ispričao kako to kvantna mehanika predviđa da se kretanje svakog malog predmeta dešava slučajno. I to uvodi verovatnoću u igru. Ali verovatnoća koju je Bolcman razmatrao, verovatnoća u korenu toplote, ima drugačiju prirodu i nezavisna je od kvantne mehanike. Verovatnoća koja je u igri u nauci o toploti u izvesnom smislu je povezana s našim neznanjem. Ja možda ne znam nešto sa sigurnošću, ali i dalje tom nečemu mogu da pripišem manji ili veći stepen verovatnoće. Na primer, ne znam da li će sutra padati kiša ovde u Marselju, hoće li biti sunčano ili padati sneg, ali verovatnoća da sutra ovde padne sneg – u Marselju, u avgustu – mala je. Slično tome, u vezi sa većinom fizičkih objekata: mi znamo nešto, ali ne i sve o njihovom stanju, i možemo samo da donosimo pređviđanja zasnovana na verovatnoći. Pomislite na balon pun vazduha. Ja mogu da ga izmerim: mogu da mu izmerim oblik, zapreminu, temperaturu... Ali molekuli vazduha u balonu brzo se kreću u njemu, i ja ne znam gde se koji od njih tačno nalazi. To me onemogućava da precizno predvidim kako će se balon ponašati. Na primer, ako razvežem čvor kojim je on zatvoren i pustim ga, on će se bučno izduvati, jureći i udarajući tamo-amo na način koji nikako ne mogu da predvidim. To je nemoguće zato što znam samo oblik, zapreminu, pritisak i temperaturu balona. Udaranje balona tamo-amo zavisi od pojedinosti o položaju molekula u njemu, a ja njih ne znam. Opet, čak i ako ne mogu sve da tačno predvidim, mogu da predvidim verovatnoću da će se dogoditi ovo ili ono. Biće, na primer, vrlo neverovatno da balon izleti kroz prozor, okruži dole u daljini oko svetionika i onda se vrati da mi sleti na ruku, tamo odakle je i pušten. Neko ponašanje je verovatnije, dok je drugo manje verovatno. U istom ovom smislu, verovatnoća da kad se molekuli sudare toplota pređe sa toplijih tela na ona koja su hladna može da se izračuna, i ispostavlja se da je mnogo veća nego verovatnoća da toplota pređe prema toplijem telu. Grana nauke koja razjašnjava te stvari naziva se statistička fizika, a jedan od njenih trijumfa, počevši od Bolcmana, bilo je poimanje verovatnoće u prirodi toplote i temperature, što će reći, termodinamike. Na prvi pogled, zamisao da naše neznanje ukazuje na nešto o ponašanju sveta izgleda iracionalno: hladna kašičica se zagreva u vrelom čaju, a balon leti unaokolo kada se pusti bez obzira na to šta znam ili ne znam. Kakve veze ono što znamo ili ne znamo ima sa zakonima koji vladaju svetom? Pitanje je legitimno; odgovor na njega suptilan. Kašičica i balon se ponašaju onako kako moraju, sledeći zakone fizike potpuno nezavisno od onoga što znamo ili ne znamo o njima. Predvidljivost ili nepredvidljivost njihovog ponašanja nema veze sa njihovim tačnim stanjem; ona ima veze sa ograničenim skupom njihovih svojstava sa kojima smo u interakciji. Ovaj skup svojstava zavisi od našeg specifičnog načina na koji stupamo u interakciju sa kašičicom ili balonom. Verovatnoća se ne odnosi na evoluciju materije same po sebi. Ona se odnosi na evoluciju tih specifičnih količina sa kojima smo u interakciji. Još jednom, pomalja se duboko relativna priroda koncepata koje koristimo kako bismo organizovali svet.
Hladna kašičica se zagreva u vrelom čaju zato što čaj i kašičica stupaju u interakciju sa nama kroz ograničeni broj promenljivih veličina među nebrojenim promenljivima koje karakterišu njihovo mikrostanje. Vrednost ovih promenljivih nije dovoljna da se buduće ponašanje tačno predvidi (dokaz za to je balon), ali je dovoljna da se sa optimalnom verovatnoćom predvidi to da će se kašičica zagrejati. Nadam se da čitaocu pažnja nije odlutala zbog tih suptilnih razlika... E sad, tokom dvadesetog veka termodinamika (to će reći, nauka o toploti) i statistička mehanika (to jest, nauka o verovatnoći različitih kretanja) bile su proširene i na elektromagnetne i kvantne pojave. Proširenje na sedam kratkih lekcija iz fizike obuhvata i gravitaciono polje, ali to se, međutim, pokazalo problematičnim. Kako se gravitaciono polje ponaša kad se zagreje i dalje je nerešen problem. Znamo šta se dešava sa zagrejanim elektromagnetnim poljem: u rerni, na primer, postoji vrelo elektromagnetno zračenje koje peče pitu, i mi znamo kako to da opišemo. Elektromagnetni talasi vibriraju, nasumice dele energiju, i možemo celinu zamisliti kao gas od fotona koji se kreću poput molekula u vrelom balonu. Ali šta je vrelo gravitaciono polje? Gravitaciono polje, kao što smo videli u prvoj lekciji, jeste sam prostor, praktično prostor-vreme. Stoga, kada se toplota raširi po gravitacionom polju, sami vreme i prostor moraju da vibriraju... Ali mi i dalje ne znamo kako to dobro da opišemo. Nemamo jednačine za opisivanje termalnih vibracija vrelog prostor-vremena. Šta je to vibrirajuće vreme? Takva pitanja vode nas u srce problema vremena: šta je zapravo proticanje vremena? Taj problem je već bio prisutan u klasičnoj fizici, i njime su se u devetnaestom i dvadesetom veku bavili filozofi – ali mnogo je akutniji u modernoj fizici. Fizika opisuje svet formulama koje govore kako stvari variraju kao funkcija „vremena“. Ali mi možemo da pišemo formule koje nam govore kako stvari variraju u odnosu na njihov „položaj“, ili kako ukus rižota varira kao funkcija „promenljive količine butera“. Čini se da vreme „protiče“, dok količina butera ili lokacija u prostoru ne „protiču“. Otkud ta razlika? Problem se može postaviti i tako što ćemo se upitati: šta je „sadašnjost“? Kažemo da postoje samo stvari iz sadašnjosti: prošlost više ne postoji, dok budućnost još ne postoji. Ali u fizici ne postoji ništa što bi odgovaralo pojmu „sadašnjosti“. Uporedite „sada“ sa „ovde“. „Ovde“ opisuje mesto gde se govornik nalazi: za dvoje različitih ljudi, „ovde“ znači dva različita mesta. Sledi to da je „ovde“ reč čije značenje zavisi od toga gde je ona izgovorena. Tehnički termin za ovu vrstu kazivanja je „indeksno“. „Sada“ takođe ukazuje na trenutak u kojem je reč izgovorena, i takođe se klasifikuje kao „indeksna“ reč. Ali niko ni u snu ne bi rekao da stvari „ovde“ postoje, dok one koje nisu „ovde“ ne postoje. Pa zašto onda kažemo da stvari koje su „sada“ postoje, dok sve ostalo ne postoji? Je li sadašnjost nešto objektivno u svetu, što „protiče“ i zahvaljujući čemu stvari „postoje“ jedna za drugom, ili je ona samo subjektivna kao „ovde“? To može izgledati kao nedokučivi mentalni problem. Ali moderna fizika je od toga napravila goruće pitanje, pošto je specijalna relativnost pokazala da je i zamisao o „sadašnjosti“ takođe subjektivna. Fizičari i filozofi su došli do zaključka da je zamisao o sadašnjosti zajedničkoj za celu vaseljenu samo iluzija, te da je univerzalno „proticanje“ vremena generalizacija koja ne funkcioniše. Kad je umro njegov veliki italijanski prijatelj Mikele Beso, Ajnštajn je napisao dirljivo pismo Mikeleovoj sestri: „Mikele je napustio ovaj čudni svet malo pre mene. To ništa ne znači. Ljudi kao mi, koji veruju u fiziku, znaju da razlika koja se pravi između prošlosti, sadašnjosti i budućnosti nije ništa više od uporne, tvrdoglave iluzije.“ Iluzija ili ne, šta objašnjava činjenicu da za nas vreme „juri“, „protiče“, „prolazi“? Proticanje
vremena je očigledno svima nama: naše misli i naš govor postoje u vremenu; sama struktura našeg jezika zahteva vreme – nešto „jeste“ ili „је bilo“ ili „će biti“. Moguće je zamisliti svet bez boja, bez materije, čak i bez prostora, ali je teško zamisliti svet bez vremena. Nemački filozof Martin Hajdeger naglasio je naše „bivstvo u vremenu“. Je li moguće da proticanje vremena koje Hajdeger posmatra kao praiskonsko bude odsutno iz opisa sveta? Neki filozofi, najodaniji Hajdegerovi sledbenici među njima, zaključuju da fizika nije sposobna da opiše najfundamentalnije aspekte stvarnosti, i odbacuju je kao formu znanja koja zavodi na stranputicu. Ali mnogo puta u prošlosti shvatili smo da je naša neposredna intuicija neprecizna: da smo se držali nje, i dalje bismo verovali da je Zemlja ravna i da Sunce kruži oko nje. Naša intuicija se razvijala na osnovu našeg ograničenog iskustva. Kada pogledamo malo dalje napred, otkrivamo da svet nije onakav kakav nam izgleda: Zemlja je okrugla, a u Kejptaunu ljudi stoje naopačke, tako da su im stopala gore, a glave dole. Verovanje neposrednoj intuiciji umesto kolektivnom razmatranju koje je racionalno, obazrivo i inteligentno, nije mudrost: to su pretpostavke starca koji odbija da poveruje kako je veliki svet van njegovog sela iole drugačiji od onog koji je oduvek poznavao. Kolko god nam izgledao živ, naš doživljaj prolaska vremena ne mora da odražava fundamentalni aspekt stvarnosti. Ali ako taj naš živ doživljaj prolaska vremena nije fundamentalan, odakle onda dolazi? Mislim da se odgovor krije u intimnoj vezi između vremena i toplote. Postoji primetna razlika između prošlosti i budućnosti samo kada protiče toplota. Toplota je povezana sa verovatnoćom; a verovatnoća je opet povezana sa činjenicom da naše interakcije sa ostatkom sveta ne registruju fine pojedinosti stvarnosti. Proticanje vremena stoga izvire iz fizike, ali ne u kontekstu tačnog opisa stvari kakve one jesu. Ono pre izvire u kontekstu statistike i termodinamike. Ovo može biti ključ za enigmu vremena. „Sadašnjost“ ne postoji u objektivnom smislu baš kao što ni „ovde“ ne postoji objektivno, ali mikroskopske interakcije u svetu dovode do pojavljivanja vremenskih fenomena u okviru jednog sistema (na primer, u nama) koji u interakciju stupa samo kroz medij mnoštva promenljivih. Naše sećanje i naša svest sazdani su na tim statističkim fenomenima. Za hipotetički superosetljivo biće ne bi postojalo „proticanje“ vremena: vaseljena bi bila jedinstveni blok prošlosti, sadašnjosti i budućnosti. Ali usled ograničenja naše svesti, mi opažamo samo zamagljenu viziju sveta, i živimo u vremenu. Da pozajmim reči od svog italijanskog urednika, „оnо što se ne vidi daleko je veće od onog što je primetno“. Iz tog ograničenog, zamagljenog fokusa mi primamo opažanje prolaska vremena. Je li to jasno? Ne, nije. Toliko toga tek ostaje da se razume. Vreme sedi u središtu klupka problema koji nastaju usled ukrštanja gravitacije, kvantne mehanike i termodinamike. To je klupko problema u kojem smo i dalje u mraku. I mada postoji nešto što možda počinjemo da shvatamo o kvantnoj gravitaciji, a kombinuje dva od tri dela slagalice, još nemamo teoriju kadru da okupi sva tri dela našeg fundamentalnog znanja o svetu. Mala indicija za rešenje dolazi iz proračuna koji je dovršio Stiven Hoking, fizičar slavan po tome što je nastavio da stvara izuzetna dostignuća u fizici uprkos bolesti zbog koje je vezan za invalidska kolica i ne može da govori bez mehaničkog pomagala. Koristeći kvantnu mehaniku, Hoking je uspešno pokazao da su crne rupe uvek „vrele“. One zrače toplotom kao peć. To je prva konkretna indikacija prirode „vrelog svemira“. Niko nikad nije posmatrao tu toplotu zato što je ona slaba u onim stvarnim crnim rupama koje su dosad posmatrane – ali Hokingov proračun je ubedljiv, ponavljan je na različite načine, i stvarnost toplote crnih rupa je opšteprihvaćena.
Toplota crnih rupa je kvantni efekt po predmet, crnu rupu, i to gravitacione prirode. Upravo pojedinačni kvanti svemira, elementarna zrna prostora, vibrirajući „molekuli“ zagrevaju površinu crnih rupa i generišu toplotu crnih rupa. Taj fenomen obuhvata sve tri strane problema: kvantnu mehaniku, opštu relativnost i nauku o toploti. Toplota crnih rupa je nalik na kamen iz Rozete za fiziku, ispisana kombinacijom tri jezika – kvantnog, gravitacionog i termodinarničkog – i još čeka da bude dešifrovana kako bi otkrila stvarnu prirodu vremena.
I NA KRAJU
MI SAMI
Pošto smo prevalili ovoliki put, od strukture dubokog svemira do margina poznatog kosmosa, voleo bih da se vratimo, pre nego završimo ovu seriju lekcija, na temu nas samih. Kakvu ulogu imamo mi kao ljudska bića koja opažaju, donose odluke, smeju se i plaču, u ovoj velikoj fresci od sveta koji opisuje savremena fizika? Ako je svet roj efemernih kvanta prostora i materije, velika slagalica svemira i elementarnih čestica, šta smo onda mi? Da li se i mi sastojimo samo od kvanta i čestica? I ako je tako, otkud nam onda taj osećaj individualne egzistencije i jedinstveno sopstvo o kojem svi možemo da posvedočimo? I šta su onda naše vrednosti, snovi, osećanja, naše pojedinačno znanje? Šta smo mi, u ovom bezgraničnom, svetlucavom svetu? Ne smem ni pomisliti na to da pokušam na takvo pitanje da zaista odgovorim na ovim jednostavnim stranicama. Teško je to pitanje. Na velikoj slici savremene nauke postoji mnogo stvari koje ne razumemo, a jedna od onih koje razumemo ponajmanje jesmo mi sami. Ali mislim da bismo izbegavanjem ili ignorisanjem ovog pitanja prevideli nešto od suštinske važnosti. Namera mi je bila da pokažem kako svet izgleda u svetlu nauke, a i mi smo deo tog sveta. „Mi“, ljudska bića, ponajpre smo oni koji opažaju ovaj svet; kolektivni tvorci fotografije stvarnosti koju sam pokušao da komponujem. Mi smo čvorišta u komunikacionoj mreži (i ova knjiga je za to primer) kroz koju prenosimo slike, alate, informacije i znanje. Ali mi smo isto tako i sastavni deo sveta koji opažamo; nismo spoljni posmatrači. Smešteni smo u njemu. Posmatramo ga iznutra. Sazdani smo od istih onih atoma i istih onih svetlosnih signala koji su zajednički za stabla borova u planinama i zvezde u galaksijama. Kako je naše znanje raslo, naučili smo da je naše biće samo deo vaseljene, i to vrlo mali. Ovo je vekovima bilo sve očiglednije, ali to naročito važi za prethodni vek. Verovali smo da smo na planeti u centru univerzuma, a nismo. Mislili smo da postojimo kao jedinstvena bića, rasa izdvojena iz porodice životinja i biljaka, da bismo otkrili kako smo potomci istih roditelja kao i svako živo biće oko nas. Imamo zajedničke pradedove sa leptirima i tisama. Mi smo kao jedinče koje shvati kad odraste da se svet ne vrti samo oko njega, kao što je mislilo kad je bilo malo. Ono mora naučiti kako da se ponaša u društvu drugih. Zahvaljujući sopstvenom odrazu u drugima, kao i drugim stvarima, učimo ko smo. Za vreme velikog perioda nemačkog idealizma, Šeling je mogao da misli kako Čovek predstavlja vrhunac prirode, najvišu tačku u kojoj stvarnost postaje svesna sebe. Danas, sa stanovišta koje nam daje sadašnje znanje o prirodnom svetu, ova zamisao nam izaziva osmeh. Ako smo posebni, onda smo posebni samo po tome kako se svako od nas oseća, kao što svaka majka svoje dete smatra posebnim. To svakako ne važi za ostatak prirode. Unutar ogromnog okeana galaksija i zvezda mi smo u zabačenom kutku; usred beskrajnih arabeski obličja koja tvore stvarnost, mi smo samo mali ukras među bezbroj takvih ukrasa. Slike o vaseljeni koje konstruišemo žive u nama, u prostoru naših misli. Između tih slika –
između onoga što možemo da rekonstruišemo i shvatimo svojim ograničenim sredstvima – i stvarnosti čiji smo deo, postoji bezbroj filtera: naše neznanje, ograničenja naših čula i naše inteligencije. Upravo ista ona stanja koja nam naša priroda subjekata, i to zasebnih subjekata, nameće. Međutim, ta stanja nisu, kao što je Kant zamišljao, univerzalna – on je iz toga dedukcijom (sa očiglednom greškom) došao do zaključka da priroda Euklidovog prostora, pa čak i Njutnove mehanike, mora stoga biti a priori tačna. One su a posteriori za mentalnu evoluciju naše vrste, i nalaze se u stalnom razvoju. Ne samo što učimo već isto tako učimo da postepeno menjamo naš konceptualni okvir i prilagođavamo ga onome što naučimo. A ono što učimo da prepoznajemo, koliko god sporo i sa oklevanjem, jeste priroda stvarnog sveta čiji smo deo. Slike vaseljene koje konstruišemo mogu da žive u nama, u konceptualnom prostoru; ali one takođe manje ili više dobro opisuju stvarni svet kojem pripadamo. Sledimo tragove kako bismo bolje opisali ovaj svet. Kada govorimo o Velikom prasku ili tkanju svemira, ne bavimo se nastavljanjem razuzdanih i fantastičnih priča koje su ljudi svake noći pripovedali oko logorskih vatri stotinama hiljada godina. To je nastavljanje nečeg drugog: pogleda istih tih ljudi koji u prvom svetlu dana gledaju u tragove koje je antilopa ostavila u prašini savane – tako proučavamo i izvlačimo zaključke iz pojedinosti stvarnosti kako bismo pošli za nečim što ne možemo videti direktno, ali mu možemo pratiti tragove. Svesni smo toga da uvek možemo da pogrešimo, pa smo zato spremni da svakog trena promenimo pravac ako se pojavi neki novi trag; ali isto tako znamo da ćemo, budemo li dovoljno dobri, uspeti i pronaći ono za čime tragamo. Takva je priroda nauke. Zbrka između te dve različite ljudske aktivnosti – izmišljanja priča i praćenja tragova kako bismo nešto pronašli – začetak je nerazumevanja i nepoverenja u nauku koju ispoljava značajan deo naše savremene kuiture. To odvajanje je suptilno: antilopa koju lovimo u osvit nije daleko od antilopebožanstva iz pripovesti spremne za tu noć. Granica je porozna. Mitovi hrane nauku, a nauka hrani mitove. Ali vrednost znanja preostaje. Ako pronađemo antilopu, moći ćemo da jedemo. Naše znanje konsekventno odražava svet. Ono to čini više ili manje dobro, ali odražava svet koji nastanjujemo. Ova komunikacija između nas i sveta nije ono što nas izdvaja od ostatka prirode. Sve stvari su u neprestanoj međusobnoj interakciji, i pritom svaka nosi tragove onoga sa čime je bila u interakciji: a u tom smislu sve stvari trajno razmenjuju informacije jedne o drugima. Informacije koje jedan fizički sistem ima o drugom ni na koji način nisu mentalne ili subjektivne: to je samo veza koju fizika utvrđuje između stanja nečega i stanja nečeg drugog. Kišna kap sadrži informacije o prisustvu oblaka na nebu; svetlosni zrak sadrži informaciju o boji supstance iz koje je potekao; časovnik ima informacije o dobu dana; vetar nosi informacije o oluji koja se primiče; virus prehlade ima informacije o ranjivosti mog nosa; DNK u našim ćelijama sadrži sve informacije iz našeg genetskog koda (o tome zbog čega ja ličim na svog oca); a moj mozak vrvi informacijama nakupljenim zahvaljujući mom iskustvu. Praiskonska supstanca naših misli je krajnje bogat skup informacija koje su se nakupile, bile razmenjene i neprekidno podvrgavane postupku obrazlaganja. Čak i termostat u sistemu mog centralnog grejanja „oseća“ i „zna“ ambijentalnu temperaturu mog doma, ima informacije o njoj i isključuje se kada bude dovoljno toplo. Kakva je onda razlika između termostatovog i mog „osećanja“ i „znanja“ da je toplo, te slobodnog odlučivanja da se grejanje isključi ili ne – i „znanja“ da ja postojim? Kako može trajna razmena informacija u prirodi da proizvede nas i naše misli? Taj problem je sasvim otvoren, i trenutno se raspravIja o brojnim dobrim rešenjima za njega. Verujem da je to jedna od najzanimljivijih granica nauke, gde će doći do velikog napretka. Danas
nam nova oruđa dopuštaju da posmatramo aktivnost mozga u akciji, i da mapiramo njegove izuzetno komplikovane mreže sa zadivljujućom preciznošću. Koliko 2014. godine, objavljena je vest o tome da je izvršeno prvo kompletno (mezoskopsko) detaljno mapiranje moždane strukture sisara. Specifične zamisli o tome kako matematička forma struktura može da odgovara subjektivnom iskustvu svesti trenutno su predmet diskusije, ne samo među filozofima već i među neurolozima. Na primer, intrigantna je matematička teorija koju razvija Đulio Tononi – italijanski naučnik koji radi u Sjedinjenim Državama. Njeno ime je „integrisana informatička teorija“, i ona predstavlja pokušaj da se kvantitativno okarakteriše struktura koju neki sistem mora da ima kako bi bio svestan: način da se, recimo, opiše ono što se zaista menja na fizičkoj ravni između stanja u kojem smo budni (svesni) i onog kada spavamo ali ne sanjamo (kada smo nesvesni). Ona je i dalje u razvojnoj fazi. Još nemamo ubedljivo i etablirano rešenje za problem formiranja naše svesti. Ali čini mi se da magla počinje da se razilazi. Jedno pitanje u vezi sa nama posebno nas ostavlja u stanju zbunjenosti: šta znači naša sloboda da donosimo odluke ukoliko naše ponašanje samo sledi predodređene prirodne zakone? Da možda ne postoji protivrečnost između našeg osećanja slobode i strogosti, kako sada to shvatamo, s kojom stvari u svetu funkcionišu? Postoji li u nama možda nešto što izmiče zakonima prirode i omogućava nam da se izvučemo i udaljimo od nje zahvaljujući snazi naše slobode mišljenja? Pa, ne, nema u nama ničeg što bi moglo da umakne normama prirode. Da nešto u nama može da naruši prirodne zakone, dosad bismo to već otkrili. Ništa u nama ne krši prirodno ponašanje stvari. Čitava moderna nauka – od fizike do hemije, i od biologije do neurologije – samo potvrđuje ovo opažanje. Rešenje za tu zbrku nalazi se drugde. Kada kažemo da smo slobodni, a istina je da možemo to da budemo, to znači da je naše ponašanje određeno onim što se dešava u nama, u mozgu, a ne spoljnim faktorima. Biti slobodan ne znači da naše ponašanje nije uređeno prirodnim zakonima. Znači da je ono uređeno prirodnim zakonima koji se primenjuju u našim mozgovima. Naše slobodne odluke slobodno su određene rezultatima bogatih i kratkotrajnih interakcija između milijardi neurona u našem mozgu: one su slobodne u meri u kojoj to interakcija tih neurona dozvoljava i određuje. Znači li to da kada donesem neku odluku, o tome odlučujem „ја“? Da, naravno, zato što bi bilo apsurdno pitati da li „ја“ mogu da uradim nešto drugačije od onoga što je odlučio čitav kompleks mojih neurona: te dve stvari, kao što je holandski filozof Baruh Spinoza shvatio čudesno lucidno u sedamnaestom veku, jedno su te isto. Ne postoji „ја“ niti „neuroni u mom mozgu“. To je jedno te isto. Pojedinac je proces: kompleksan, čvrsto integrisan. Kada kažemo da je ljudsko ponašanje nepredvidivo, u pravu smo, zato što je ono previše kompleksno da bi se predvidelo, pogotovo da bismo to učinili mi. Naš jak osečaj interne slobode, kako je to Spinoza pronicljivo uvideo, potiče iz činjenice da su ideje i slike koje imamo o sebi mnogo grublje i siromašnije od detaljne kompleksnosti onoga što se dešava u nama. Mi smo izvor neverice u sopstvenim očima. U svom mozgu mi imamo sto milijardi neurona, koliko ima i zvezda u galaksiji, sa čak i većim astronomskim brojem veza i potencijalnih kombinacija kroz koje oni mogu da stupaju u interakciju. Mi nismo svesni svega toga. „Mi“ smo proces formiran čitavim tim spletom, a ne samo onim njegovim malim delom kojeg smo svesni. „Ја“ koje odlučuje isto je „ја“ koje je formirano (na način koji još svakako nije sasvim jasan, ali smo počeli da ga razotkrivamo) iz refleksija o sebi; kroz svoje predstavljanje u svetu; iz razumevanja sebe kao promenljivog stanovišta smeštenog u kontekst sveta; iz te zadivljujuće
strukture koja obrađuje informacije i konstruiše predstave, odnosno iz našeg mozga. Kada imamo osećaj da „sam ja taj“ koji odlučuje, potpuno smo u pravu. Pa ko bi drugi to mogao? Ja sam, kako je to Spinoza smatrao, moje telo i ono što se dešava u mom mozgu i srcu, sa svom njihovom ogromnom i, za mene, nerazmrsivom kompleksnošću. Naučna slika sveta koju sam preneo na ove stranice stoga nije u suprotnosti s našim osećajem sebe. Ona nije u suprotnosti s našim razmišljanjem u moralnom i psihološkom smislu, niti s našim emocijama i osećanjima. Svet je kompleksan, a mi ga opisujemo različitim jezicima, pri čemu je svaki podoban za proces koji opisujemo. Svaki kompleksan proces može se razmatrati i razumeti na različitim jezicima i na različitim nivoima. Ti raznovrsni jezici se ukrštaju, prepliću i recipročno jačaju jedan drugog, kao i same procese. Proučavanje naše psihologije sve je sofisticiranije zahvaljujući našem razumevanju moždane biohemije. Proučavanje teorijske fizike hrane strasti i emocije koje pokreću naš život. Naše moralne vrednosti, naše emocije, naše ljubavi nisu ništa manje stvarne zato što su deo prirode, zato što ih delimo sa životinjskim svetom, ili zato što ih određuje evolucija kroz koju je naša vrsta prolazila milionima godina. Umesto toga, one su zato još vrednije: one su stvarne. One su kompleksna stvarnost od koje smo sazdani. Naša stvarnost su suze i smeh, zahvalnost i altruizam, odanost i izdaja, prošlost koja nas proganja, i smirenost. Naša stvarnost sastoji se od naših društava, od emocija nadahnutih muzikom, od bogatih isprepletenih mreža zajedničkog znanja koje smo zajedno konstruisali. Sve je ovo deo iste te „prirode“ koju opisujemo. Mi smo integralni deo prirode; mi jesmo priroda, u jednom od njenih bezbrojnih i beskonačno promenljivih izraza. To je ono što smo naučili zahvaljujući stalnom porastu znanja o stvarima u ovom svetu. Ono što nas čini specifično ljudskim ne obeležava naše izdvajanje iz prirode, već je deo same te prirode. To je forma koju je priroda preuzela ovde, na našoj planeti, u beskonačnoj igri njenih kombinacija, kroz recipročni uticaj i razmenu korelacija i informacija između njenih delova. Ko zna koliko i kakvih drugih izvanrednih kompleksnosti postoji, u obliku koji možda ne možemo ni da zamislimo, u beskrajnim prostranstvima kosmosa... Tamo ima toliko prostora da je detinjasto misliti kako u perifernom kutku jedne obične galaksije treba da postoji nešto jedinstveno i specijalno. Život na Zemlji samo je mali uzorak onoga što može da se dogodi u vaseljeni. Sama naša duša je tek jedan takav mali primer. Mi smo vrsta koju prirodno pokreće radoznalost, jedina preostala iz grupe (rod Homo) sazdane od desetak podjednako ljubopitljivih vrsta. Druge vrste iz te grupe već su izumrle; neke, kao neandertalci, tek nedavno, pre otprilike trideset hiljada godina. To je grupa vrsta koje su evoluirale u Africi, slične hijerarhijski organizovanim i svadljivim šimpanzama – i još sličnije bonobosu, malom, miroljubivom, veselo egalitarnom i promiskuitetnom tipu šimpanzi. To je grupa vrsta koja je neprekidno odlazila iz Afrike kako bi istraživala nove svetove, i odlazila dalje: čak i do Patagonije – te na kraju, čak i do samog Meseca. Nije protivno prirodi biti ljubopitljiv: u našoj je prirodi da budemo takvi. Pre stotinu hiljada godina, naša vrsta je napustila Afriku, gonjena možda upravo tom radoznalošću, učeći da neprestano gleda sve dalje ispred sebe. Dok sam noću leteo iznad Afrike, zapitao sam se da li je možda neki od tih dalekih predaka koji su se zaputili prema širokim prostranstvima severa mogao da digne pogled prema nebu i zamisli svog dalekog potomka koji leti tamo gore, zapitan o prirodi svega, i još gonjen istom tom njegovom ljubopitljivošću. Verujem da naša vrsta neće dugo trajati. Čini se da ona nije sazdana od onoga što je omogućilo kornjači, na primer, da nastavi da postoji stotinama miliona godina manje-više nepromenjena; stotinama puta duže, to jest, nego što mi uopšte egzistiramo. Mi pripadamo kratkovekom rodu vrsta.
Svi naši rođaci već su izumrli. Štaviše, nanosimo štetu. Brutalne klimatske i ekološke promene koje smo izazvali teško da će nas poštedeti. Za Zemlju one mogu ispasti i mali, nevažni ispad, ali ne verujem da ćemo ih mi nadživeti bez posledica – naročito pošto javno i političko mnjenje radije ignoriše opasnosti od kojih bežimo i zabijamo glave u pesak. Mi smo možda jedina vrsta na Zemlji koja je svesna neumitnosti sopstvene pojedinačne smrtnosti. Plašim se da ćemo ubrzo isto tako postati jedina vrsta koja će svesno posmatrati nastupanje svoje kolektivne propasti, ili makar propasti svoje civilizacije. Pošto više-manje znamo kako da se nosimo s našom individualnom smrtnošću, tako ćemo se nositi i sa rušenjem naše civilizacije. Nije to toliko drugačije. I svakako nije prvi put da se to dešava. Maje i Krićani, među mnogim drugima, to su već iskusili. Rađamo se i umiremo kao što se rađaju i umiru zvezde, kako individualno tako i kolektivno. To je naša stvarnost. Život je za nas dragocen zato što je efemeran. Kao što je Lukrecije napisao: „Naš je apetit za životom proždrljiv, naša žeđ za životom neutaživa“ (De rerum natura, III, 1084). Ali uronjeni u ovu prirodu koja nas je stvorila i koja nama upravlja, mi nismo bića bez doma između dva sveta, delovi prirode koji joj samo delimično pripadaju, dok čeznu za nečim drugim. Ne: mi smo kod kuće. Priroda je naš dom, i u prirodi mi smo kod kuće. Ovaj čudni, raznobojni i neverovatni svet koji istražujemo – gde je prostor zrnast, vreme ne postoji, a stvari se ne nalaze nigde – nije nešto što nas otuđuje od našeg istinitog bića, jer to je samo ono što nam naša prirodna radoznalost otkriva o mestu na kojem obitavamo. O onome od čega smo i sami sazdani. A sazdani smo od iste one zvezdane prašine od koje je sazdano sve ostalo, i kada smo obuzeti patnjom ili doživljavamo snažnu radost, samo smo ono što ne možemo da ne budemo: deo našeg sveta. Lukrecije to izvanredno kazuje: ...svi se rađamo iz istog nebeskog semena; svi mi imamo istog oca, od koga zemlja, mati što nas hrani, prima bistre kapi kiše, od njih stvara jarko žito i drveće bujno, i ljudsku rasu, i vrste zverinja, nudeći hranu koja sva tela hrani, da slatko život žive i stvaraju potomstvo... (II, 991-997) Deo naše prirode je da volimo i budemo iskreni. Deo naše prirode je da čeznemo za većim znanjem, i nastavljamo sa učenjem. Naše znanje o svetu nastavlja da raste. Postoje granice na kojima svi učimo, a naša žudnja za znanjem gori. One su u najsićušnijim delićima tkanja svemira, u zametku kosmosa, u prirodi vremena, u fenomenu crnih rupa, i u tome kako se odvijaju procesi našeg promišljanja. Tu, na rubu onoga što znamo, u kontaktu sa okeanom nepoznatog, sija misterija i lepota sveta. I od nje nam zastaje dah.
Karlo Roveli SEDAM KRATKIH LEKCIJA IZ FIZIKE Za izdavača Dejan Papić Lektura i korektura Dragana Matić Radosavljević, Živana Rašković Slog i prelom Saša Dimitrijević Dizajn korica Dragan Ćirić Tiraž 2000 Beograd, 2016. Štampa i povez Margo-art, Beograd Izdavač Laguna, Beograd Resavska 33 Klub čitalaca: 011/3341-711 www.laguna.rs e-mail:
[email protected]
CIP – Katalogizacija u publikaciji Narodna biblioteka Srbije, Beograd 530.1 РОВЕЛИ, Карло, 1956 Sedam kratkih lekcija iz fizike / Karlo Roveli; preveo Goran Skrobonja. – Beograd : Laguna, 2016 (Beograd : Margo-art). – 77 str.: ilustr.; 20 cm Prevod đela: Sette Brevi Lezioni di Fisica / Carlo Rovelli. – Tiraž 2.000. – O autoru: str. 77. ISBN 978-86-521-2419-0 a) Теоријска физика COBISS.SR-ID 226091532
