Ks. Michał Heller: Fizyka nie bada tamtego świata

Im więcej wiemy w nauce, tym więcej pojawia się znaków zapytania – mówi ks. prof. Michał Heller.

Rozmowa ukazała się w miesięczniku „Więź” nr 12/2000

Jacek Borkowicz: Czym jest kosmologia? Ta nazwa brzmi dość tajemniczo…

Ks. Michał Heller: Nie ma w tym nic tajemniczego. Kosmologia, nauka o Wszechświecie, jest jedną z najstarszych nauk, ale jako nauka empiryczna jest stosunkowo młoda, powstała na początku naszego stulecia. Lokuje się na pograniczu fizyki teoretycznej i astronomii. Z tej ostatniej czerpie bazę obserwacyjną, a z fizyki – teorię, przy pomocy której stara się zrekonstruować strukturę i ewolucję świata jako całości.

Mniej więcej do czasów II wojny światowej kosmologia przygotowywała pojęcia, była nauką bardziej geometryczną niż obserwacyjną. Natomiast w drugiej połowie stulecia technika obserwacyjna poszła ogromnie naprzód i równocześnie rozwinął się aparat matematyczny. Połączenie obu tych nurtów dało wspaniałe wyniki. Przede wszystkim – trochę ku zaskoczeniu samych kosmologów – potwierdziło się wtedy wiele spekulatywnych teorii i koncepcji z pierwszej połowy stulecia. W latach osiemdziesiątych uformował się tak zwany standardowy model kosmologiczny, czyli model Wielkiego Wybuchu, ekspansji Wszechświata. Lata dziewięćdziesiąte to dalszy ogromny napływ informacji obserwacyjnych.

Wystarczy popatrzeć na Wszechświat przez odpowiednio duży teleskop, aby zachwycić się jego pięknem

Ks. Michał Heller

Dzięki rewolucji informatycznej powstały nowe generacje potężnych teleskopów naziemnych. Drugim wielkim osiągnięciem są misje satelitarne. Mamy na orbicie wielki teleskop Hubble’a, który potrafi sięgnąć swoimi obserwacjami do 9-10 miliardów lat wstecz i zobaczyć, jak wyglądał wtedy Wszechświat. Wszystkie te obserwacje potwierdzają prawdziwość standardowego modelu kosmologicznego.

Odkąd w epoce Odrodzenia nastąpił priorytet eksperymentu, przez kilkaset lat naukowcy, którzy tworzyli modele przed ich eksperymentalną weryfikacją, byli uznawani za symbol „scholastycznego” zacofania. Teraz okazuje się, że nastąpił zwrot: najpierw wzór matematyczny, który potem potwierdza obserwacja.

– Nauki przyrodnicze posługiwały się podobną metodą już w starożytnej Grecji. Ciekawie i poprawnie opisał ją Archimedes, który eksperymentował z wagą, z równią pochyłą i potem na podstawie wniosków z tych doświadczeń budował modele matematyczne, które dały początek nauce zwanej statyką. Wyniki jego badań są powtarzane praktycznie bez zmian na początku niemal każdego podręcznika fizyki.

Jeśli można mówić o zwrocie w naszych czasach, widziałbym go w zacieraniu różnicy między teorią, matematyką, a eksperymentem. Proszę sobie wyobrazić wielki akcelerator cząstek elementarnych pod Genewą (CERN): to wielka fabryka, w której pracuje kilka tysięcy ludzi. Nie dałoby się go zbudować bez pomocy zmatematyzowanej teorii. Nie wiedzielibyśmy w ogóle, do czego to ma służyć. Żebyśmy potrafili coś takiego zbudować, musimy dysponować ogromną teorią matematyczną z zakresu fizyki cząstek elementarnych. Potem wykonuje się tam różne eksperymenty, sugerowane przez teorie, ale w efekcie znowu otrzymujemy zbiór liczb albo wykresów, których bez teorii absolutnie nie potrafilibyśmy zinterpretować.

Uczony nie przypomina już Mikołaja Kopernika z obrazu Matejki, wpatrzonego w niebo z astrolabium w dłoni?

– Współczesny astronom praktycznie nic okiem nie obserwuje. Jego teleskop, to skomplikowana maszyna, która zlicza fotony, przychodzące do nas z odległej galaktyki; potem komputerowo komponuje się obraz, by pokazywać go studentom lub zwiedzającym instytut wycieczkom. Naprawdę pracuje się na liczbach, wykresach i dopiero one mówią nam coś o Wszechświecie, o jego harmonii i pięknie.

Poza tym astronom nie pracuje sam. Dziś programy badawcze obejmują całe międzynarodowe społeczności uczonych. Niedawno sporządzono mapę nieba, oglądanego przez teleskop, który nie istnieje – zebrano informacje z kilku teleskopów z różnych krajów, zredukowano je komputerowo tak, żeby dały się ze sobą porównać i nałożono na siebie. Otrzymano obraz, będący sumą obrazów z tych wszystkich teleskopów.

Mówienie tu o empirii jest chyba anachronizmem?

– Dziś mówi się o empirii, która przenika teorię, stanowi z nią jedno. Na tym polega empiryczność dzisiejszej nauki.

Jak zwykle w nauce, im więcej wiemy, tym więcej pojawia się znaków zapytania. Ale to są kwestie coraz bardziej szczegółowe, niekiedy coraz trudniejsze do spenetrowania. Ogólny obraz świata jest niewątpliwie potwierdzany – i to jest wielkie osiągnięcie współczesnej kosmologii.

Czy wskazuje on na harmonię Wszechświata, czy też im bardziej zgłębiamy tajemnice natury, tym większy odnajdujemy w niej chaos?

– Kosmologia, tak jak fizyka i matematyka, jest nauką o pięknie, o harmonii. Z tym, że często jest to harmonia niewidoczna dla ludzkiego oka. Spójrzmy na pierwsze lepsze drzewo za oknem: ono może być piękne dla malarza, ale trudno się w nim dopatrzeć jakiejś symetrii. Tymczasem okazuje się, że istnieje matematyczna struktura, odpowiedzialna za taki, a nie inny kształt tego drzewa. I tak jest w całej fizyce, nawet wtedy, gdy zajmuje się badaniem chaosu.

„Pod spodem” nieregularnych obiektów odnajdujemy matematyczną, harmonijną i nieraz bardzo symetryczną strukturę. Tak samo jest z kosmologią – wystarczy popatrzeć na Wszechświat przez odpowiednio duży teleskop, aby zachwycić się jego pięknem. Oczywiście jest to piękno bardzo bogate i żeby uchwycić pewne elementy harmonijne, trzeba mieć bardzo wytrenowany wzrok. Ale powiedziałbym, że wszechświat nawet dla oka uzbrojonego w teleskop, jest pięknym dziełem sztuki.

Najnowsze teorie kosmologiczne głoszą istnienie innych wymiarów, „wyższych” od tych, które jesteśmy w stanie zmysłowo poznać. Uczono nas w szkole o długości, szerokości i wysokości, bardziej dociekliwi mogli dowiedzieć się o czasie, jako o kolejnym wymiarze. Obecnie czytamy w literaturze popularnonaukowej, że bez odwołania się do czwartego wymiaru przestrzennego nie sposób wyjaśnić natury światła, zakrzywieniem czasoprzestrzeni tłumaczy się zjawisko grawitacji. Co więcej, współczesne odkrycia jakby potwierdzają wizje mistyków czy odwieczne intuicje artystów, którzy zawsze posługiwali się pojęciem „wymiaru duchowego”. Zaczęliśmy od linijki, aż naraz sięgamy do tajemnicy bytu!

– Fizyka od czasów Newtona boryka się z trudnością popularyzacji. Posługuje się niezmiernie precyzyjnym językiem matematyki, który bardzo trudno jest przełożyć na język potoczny. Pojęcie wymiaru nie zawiera w sobie nic tajemniczego dla matematyka, natomiast eksploatowane w różnej jakości książkach popularnych, urasta do rangi pojęcia-klucza, którym można wszystko wytłumaczyć.

Położenie czubka noża, który trzymam w ręku, określam zapisując jego odległość od podłogi, od ściany i od drugiej ściany, prostopadłej do tamtej. Nic prostszego zatem, jak utożsamić punkt – czubek noża – z trójką liczb. Nic prostszego, jak dodać do nich inne liczby – i operować nimi zapominając o przestrzeni. Przy pięciu współrzędnych mamy już pięciowymiarową przestrzeń. Jeśli chcemy mieć 265 wymiarów, to muszę napisać 265 liczb.

Czasoprzestrzenią geometra może operować tak samo: do wszystkich wzorów dopisuje, niemal mechanicznie, jeszcze jedną współrzędną – godzinę, o której coś się zdarzyło w danym punkcie. Okazuje się, że jeśli nie ma pola grawitacyjnego, to czasoprzestrzeń jest płaska, jeśli jest – to się odkształca.

Dzisiaj w fizyce teoretycznej metoda dodawania współrzędnych służy rozmaitym, nieraz całkiem praktycznym celom, ułatwia pracę matematyka. Rzecz staje się znacznie ciekawsza, kiedy staramy się zbudować model fizyczny na poziomie elementarnym. Fizycy wierzą, że istnieje najgłębszy poziom struktury Wszechświata, niższy niż atomowy, subatomowy, kwantowy, czy subkwantowy. W niektórych hipotezach przypuszcza się, że na tym poszukiwanym poziomie fundamentalnym wymiarów może być dziesięć albo nawet więcej. Taką wielowymiarową przestrzeń nazywa się niekiedy hiperprzestrzenią.

Mówi ksiądz profesor o ukrytym pięknie Wszechświata. Czy estetyka może być wskazówką dla kosmologa?

– Ależ tak! Rok temu uczestniczyłem w konferencji, której jednym z tematów było pojęcie piękna w matematyce i fizyce. Einstein twierdził, że istnieją trzy kryteria trafności teorii fizycznej: zgodność z obserwacją, prostota i coś, co on nazywał inner perfection, wewnętrzną doskonałością. To właściwie kategoria czysto estetyczna. Tylko że trzeba być geniuszem, by wiedzieć, co jest rzeczywiście ładne. Ale fizycy na ogół mają zmysł estetyki.

Ładna, elegancka struktura jest prosta i logiczna, jedno musi wynikać z drugiego przy jak najmniejszej liczbie założeń. Trudno to jest wytłumaczyć, ale tak samo trudno jest artyście wytłumaczyć komuś, kto nie jest artystą, co to jest piękna grafika.

A czy ogólne prawa kosmologiczne można dzisiaj przekładać na język teologii?

– Trzeba tu zachować dużą ostrożność. Niedawno powstała dyscyplina akademicka, science and theology, którą wykłada się na wielu uniwersytetach świata. Ale uprawiając ją, należy stale pamiętać o niebezpieczeństwie tak zwanego konkordyzmu, dopasowywania „na siłę” wniosków naukowych i teologicznych. Na przykład gdy nauka mówi o Wielkim Wybuchu, wielu ludzi wyciąga stąd wniosek: to Pan Bóg stworzył świat. To błąd metodologiczny, po pierwsze z racji teologicznych, bo stworzenie w teologii chrześcijańskiej nie znaczy tylko zapoczątkowanie istnienia, lecz nieustanne w tym istnieniu podtrzymywanie.

Ale Biblia mówi, że świat miał początek.

– Tak, ale o interpretację biblijnego opowiadania o stworzeniu należy zapytać egzegetów. Święty Tomasz z Akwinu podkreślał, że z filozoficznego punktu widzenia świat mógłby być stworzony bez początku.

Utożsamianie Wielkiego Wybuchu ze stworzeniem świata jest niewłaściwe także z punktu widzenia naukowego. Niewykluczone, że przed Wielkim Wybuchem coś było, tylko że nie wiemy, co. Konkordyzm jest tanią i – powiedziałbym – niebezpieczną strategią.

Jednak modele kosmologiczne, operujące takimi pojęciami, jak hiperprzestrzeń czy osobliwość początkowa, jakby trochę dotykały rzeczywistości innego świata.

– Zgoda, świat opisywany przez współczesną naukę nie jest czymś tak zwyczajnym, jak to może wynikać z moich odpowiedzi. Nauka posługuje się żelazną logiką, jest jak droga, na której stawia się kolejne, niemal banalne małe kroczki – ale gdy popatrzeć, skąd się wyszło i dokąd się dochodzi, to mamy zapierającą dech w piersi wizję rzeczywistości. I to jest coś nadzwyczajnego.

Osobiście bardzo silnie przeżywam skuteczność piękna matematyki. Do świata atomów, kwantów i kwarków nie mamy dostępu zmysłami i gdyby nie matematyka, nigdy byśmy tego świata nie spenetrowali. Tymczasem dochodzimy do rezultatów, które dają się sprawdzić doświadczalnie. Świat kwantów jest całkowicie inny niż ten, w którym żyjemy. Dwa elektrony, wyemitowane z tego samego źródła, nawet gdy dzieli je odległość galaktyki, oddziałują na siebie, jakby wiedziały o swoim istnieniu. Nie ma dla nich problemu przestrzennej odległości. Jest to trudne do wyobrażenia, ale tak jest.

Einstein mawiał, że w jego epoce jedynie uczeni są prawdziwie religijnymi ludźmi, bo stykają się z tajemnicą. Nauka niesamowicie pomaga nam w wytworzeniu sobie tego poczucia tajemnicy, świadomości istnienia czegoś, co nas przerasta. Za czasów komunizmu, kiedy robiono tajne ankiety światopoglądowe na wydziałach uniwersyteckich, okazywało się nieodmiennie, że najmniejsza liczba ateistów jest na wydziałach fizyki. Największa była… na prawie.

Co widać w skutkach.

– Pójdźmy krok dalej. Święty Augustyn był bardzo bliski twierdzenia, że matematyka to są po prostu myśli Pana Boga. On to nazywał wiecznymi ideami. Jeśli Pan Bóg myśli matematycznie, to stwarzając świat, ma rozumny zamysł, matematyczną wizję. I my, badając skutecznie świat przy pomocy matematyki, odcyfrowujemy ten zapis. Jeszcze bardziej radykalnie głosił ten pogląd Leibniz, który twierdził wręcz, że Pan Bóg jest samą matematyką i logiką. Do podobnych wniosków, choć może wyrażonych mniej religijnym językiem, skłania się dziś wielu myślicieli.

Zatem czy wyższe wymiary należą do innego świata?

– Wyższe wymiary, w stosunku do znanych nam, są różne mniej więcej tak, jak czas jest różny od przestrzeni. W wymiarach przestrzennych możemy się poruszać w dowolnym kierunku, w czasowym musimy iść do jutra, ale nie możemy cofnąć się do wczoraj. Wyższe wymiary, które są elementami pewnych modeli kosmologicznych, wyrażają tylko inne od znanych nam własności fizyczne – a więc jednak są częścią tego świata.

Możemy przyjąć jako definicję, że wszystko to, co bada fizyka, jest z tego świata. Takie jest jej zadanie.

Ale z perspektywy ogólnego sposobu myślenia idea wyższych wymiarów pomaga lepiej czuć tajemnice Absolutu, nadal ich nie rozumiejąc. Chociażby „logiczną sprzeczność” Boga, który nie jest z tego świata, ale który wszędzie, w każdym miejscu tego świata jest cały obecny.

– Współczesna nauka odkryła nam niezwykłą nośność metafory wymiaru. Rozważmy na przykład książkę – dwuwymiarowa istota na powierzchni stołu będzie widzieć tylko jej płaski rzut. Nie dostrzeże całego wymiaru rzeczywistości trójwymiarowej książki i nawet może nie zdawać sobie sprawy, że trzeci wymiar istnieje. Myślę że to dobra metafora wymiaru duchowego, o którym pan wspominał, metafora transcendencji. Cień jest również rzutem na płaszczyznę…

Dochodzimy tu do metafory platońskiej…

– Właśnie! Nasz świat jest cieniem. Fizycy bardzo często używają tego porównania. Niedawno napisałem z kolegami pracę, w której tytule występuje słowo „cień” („State vector reduction as a shadow of a noncommutative regime”). Oczywiście nie było tam żadnej teologii, to była praca ściśle naukowa.

Inna piękna metafora – wektor w przestrzeni ma rozmaite rzuty: na jedną płaszczyznę może być długi, na inną krótki. Ten sam obiekt może jednym się wydawać taki, drugim inny.

Jedyną prawdę można wyrazić na wiele sposobów. Zbliżamy się do paradoksu stałego Boga i zmiennego świata.

– Fizyka odkrywa sposoby istnienia pozaczasowego. Oczywiście nie w świecie makroskopowym – tu rządy Chronosa są nieubłagane – ale w świecie kwantów. Każda cząstka ma swoją antycząstkę: elektron-antyelektron, proton-antyproton. Teoretycznie antycząstki można interpretować jako cząstki żyjące „pod prąd” czasu. W niektórych teoriach na poziomie fundamentalnym w ogóle nie ma ani czasu, ani przestrzeni. Czas i przestrzeń pojawiają się dopiero przy pewnych uśrednieniach mikroskopowych wielkości.

Choć to niezgodne ze zdrowym rozsądkiem, ale zgodne z matematyką: potrafimy zbudować fizyczną dynamikę bez pojęcia czasu i przestrzeni. Można tu dostrzegać analogię do wizji Pana Boga, który istnieje nie w czasie, lecz w pozaczasowej wieczności. Oczywiście Pan Bóg jest kimś zupełnie innym od tego, o czym mówią fizyczne teorie i modele, ale jeśli fizyka mówi o istnieniu bezczasowym, w którym jest jakaś uogólniona dynamika, to w tym miejscu nasz potoczny język już się załamuje. A o ileż bardziej niepojęta musi być rzeczywistość Pana Boga!

Czy wiek XXI w relacjach między nauką i wiarą będzie stuleciem konfrontacji, konkordyzmu, czy dialogu?

– W Europie i Ameryce do początku lat siedemdziesiątych modny był kierunek neopozytywistyczny i wtedy hasła wojny religii z nauką były bardzo głośne. Pozytywiści twierdzili, że wszystko, co jest poza nauką, jest bez sensu. Te czasy zdecydowanie skończyły się gdzieś w latach osiemdziesiątych. Zbyt wiele już było nieporozumień i naciągań z obu stron: z jednej apologetyka „na siłę”, z drugiej żarliwa wojna przeciwko religii.

Dzisiaj – przynajmniej na liczących się szczytach intelektualnych –obserwujemy postępującą praktykę dialogu. Ma ona swoją konkretną przyczynę: teologia i nauki ścisłe znalazły się nagle w tym samym obozie. Zarówno na Zachodzie, gdzie szerzą się ideologie New Age, jak i w Rosji, w której upadek i kompromitacja „światopoglądu naukowego” – marksizmu uderzyły rykoszetem w autorytet prawdziwej nauki. I tu i tam fizycy, matematycy, teologowie szukają wzajemnie wsparcia przeciwko wspólnemu zagrożeniu, jakim jest wzrost irracjonalizmu, bardzo groźnego dla każdej nauki, również i dla teologii.

Ks. Michał Heller – ur. 1936, polski duchowny katolicki, teolog, profesor nauk teologicznych specjalizujący się w filozofii przyrody, fizyce, kosmologii relatywistycznej oraz relacji nauka–wiara. Pierwszy i jedyny polski laureat Nagrody Templetona. Dyrektor, fundator i pomysłodawca Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych w Krakowie. Kawaler Orderu Orła Białego.

Rozmowa ukazała się w miesięczniku „Więź” nr 12/2000

Przeczytaj także: Ks. Heller: Bóg jest większy od wszelkich pytań