6 grudnia w Instytucie Fizyku UŚ im. Augusta Chełkowskiego odbyła się IX Dyskusja Panelowa z cyklu „Oblicza fizyki – między fascynacją a niepokojem” pt. „Wszechświat – prosty czy złożony?”

Drzwi do nowych zagadek Wszechświata

Od Światowego Roku Fizyki, który obchodzono w 2005 roku, corocznie na początku grudnia Instytut Fizyki UŚ organizuje Dyskusję Panelową. Ma ona charakter interdyscyplinarny – naukowcy, w tym: fizycy, matematycy, biolodzy, lekarze, filozofowie i filologowie, zastanawiają się nad wieloma ciekawymi i intrygującymi zagadnieniami otaczającego nas świata, a także Wszechświata. Każdego roku debata odbywa się pod innym hasłem przewodnim, w tym roku brzmiało ono: „Wszechświat – prosty czy złożony?”.

Celem organizatorów było podjęcie dyskusji nad różnorodnymi zagadnieniami związanymi ze złożonością Wszechświata. Zaproszeni do rozmowy naukowcy próbowali odpowiedzieć m.in. na pytanie, czy używając stosunkowo prostych praw fizyki, można wytłumaczyć powstawanie złożonych form. Świat, który nas otacza, wykazuje zaskakującą złożoność, począwszy od wielkoskalowej struktury Wszechświata, a skończywszy na układach w skali subatomowej, ale złożoność nie jest ograniczona do materii, znajdziemy ją także w zachowaniu rynków finansowych czy w procesach społecznych.

– Czasami wydaje nam się, że już bardzo dużo wiemy – powiedział na rozpoczęcie debaty prof. zw. dr hab. Andrzej Ślebarski, dyrektor Instytutu Fizyki UŚ. – Ale wystarczy przypomnieć choćby okres pozytywizmu, gdy myślano, że ludzkość poznała wszystkie prawa rządzące światem, lub pogląd filozoficzny zwany mechanicyzmem, według którego wszelkie zjawiska i procesy można wyjaśniać na drodze pojęć i praw mechaniki. I nagle okazało się, że to nieprawda. Pojawiła się fizyka kwantowa, która poprzez uzmysłowienie człowiekowi istnienia zjawisk na ogół niepodlegających jego bezpośredniej percepcji, wprowadziła duży ferment. Okazało się, że musimy spojrzeć na świat inaczej, od nowa go poznawać. Tak więc dobrych naukowców, którzy chcą poznawać naturę, powinna cechować duża pokora.

Pierwszy referat, zatytułowany „Fizyczne podstawy rewolucji informatycznej”, wygłosił prof. dr hab. Tomasz Dietl (Instytut Fizyki PAN w Warszawie oraz Instytut Fizyki Teoretycznej, Uniwersytet Warszawski). – Rewolucja informatyczna to pojęcie bardzo szerokie i nie ogranicza się tylko do informatyki i fizyki, ale dotyczy również innych dziedzin nauki, np. ekonomii – zauważył prof. Dietl. – Rewolucję informatyczną można porównać do tej związane z wynalezieniem druku przez Gutenberga. Jeśli porównać cenę produkcji jednego tranzystora, który jest przecież elementem dość skomplikowanym, to jest ona niższa niż cena druku… jednej litery w książce.

Prof. Dietl zwrócił uwagę na fakt, że rozwój informatyczny ma stronę nie tylko pozytywną, ale i budzi niepokój. W porównaniu np. z energetyką jądrową czy zmodyfikowaną genetycznie żywnością opór przeciwko nanotechnologii jest społecznie mniejszy, ale też istnieje. Ilość informacji wytworzonej w 2012 roku odpowiada zawartości cyfrowej 1016 książek lub 1011 filmów trójwymiarowych i oczekuje się, że będzie się podwajała co dwa lata. I tak w 2015 roku będzie to ok. 7910 eksabajtów (1 EB = 1 000 000 000 000 000 000 bajtów), podczas gdy w 2010 było 1227 eksabajtów, a w 2006 roku – 130 eksabajtów. Równocześnie zużycie energii związanej z wytwarzaniem, przetwarzaniem, przesyłaniem i przechowywaniem informacji odpowiada obecnie produkcji 50 elektrowni jądrowych i jest wyższe niż energia zużywana przez przemysł papierniczy. Sytuacja ta, związana z nienasyconymi oczekiwaniami przemysłu rozrywkowego, z eksplozją ilości danych naukowych, technicznych, biznesowych, z wszechogarniającą automatyzacją oraz potrzebami ochrony zdrowia i bezpieczeństwa, wymaga radykalnych ulepszeń technologii informacyjno-komunikacyjnych.

Kolejny prelegent, prof. dr hab. Henryk Czyż, wygłosił referat pt. „Fizyka cząstek na rozdrożu: pejzaż po odkryciu ostatniej brakującej cząstki z Modelu Standardowego”. – 4 lipca 2012 roku w ośrodku naukowym CERN pod Genewą ogłoszono odkrycie cząstki Higgsa. Dyrektor CERN-u razem z osobami reprezentującymi dwa największe eksperymenty, które tam przeprowadzono, CMS i ATLAS, pokazali, że to, czego szukaliśmy przez kilkadziesiąt lat, w końcu zostało znalezione – powiedział fizyk. Po odkryciu cząstki Higgsa w zderzaczu LHC mamy komplet cząstek elementarnych przewidywanych przez Model Standardowy, a co najważniejsze odkryta została cząstka odpowiedzialna za nadawanie masy innym cząstkom w tym modelu. Czy zatem możemy zgasić światło i pójść do domu? Czy faktycznie jesteśmy w stanie opisać wszystkie eksperymenty, które wykonano w laboratoriach? A co najważniejsze: czy mamy potrzebę, by zrobić coś więcej? – pytał naukowiec. W swoim wykładzie prof. Czyż starał się udowodnić, że fizycy nie są jeszcze usatysfakcjonowani. Z ich punktu widzenia – rozumienia zjawisk przyrody na poziomie oddziaływań fundamentalnych – można wciąż pokazać, jak wiele zostało jeszcze do zrobienia.

Wiemy, jakie są podstawowe składniki materii – że jest ich znacznie więcej, niż potrafimy zaobserwować w otaczającej nas materii, znamy też odziaływania między cząstkami. Fizycy w Modelu Standardowym, będącym matematycznym opisem rzeczywistości, w pewnym sensie poukładali wszystkie składniki i są w stanie opisać wszystkie oddziaływania między nimi za wyjątkiem jednego – oddziaływania grawitacyjnego (nie opracowano jeszcze szeroko akceptowanej kwantowej teorii oddziaływań grawitacyjnych). Znamy jednak cząstki, które pośredniczą w oddziaływaniach silnych (gluon), słabych (cząstka Z, cząstka W) i elektromagnetycznych (foton). A od roku wiemy, że jest jeszcze jedna cząstka, której istnienie przewidziano, bo ewidentnie była potrzebna fizykom w ich modelu.

– Przyroda mogła nie wiedzieć, że mamy straszny kłopot w budowaniu modelu bez tej cząstki, więc niekoniecznie musiała ten wariant zrealizować, ale tak się stało – zażartował prof. Czyż.

Odkrycie bozonu Higgsa było możliwe dzięki najnowszym technologiom: akceleratorom, detektorom, komputerom… Więc to technologia na wszystkich etapach badań grała pierwsze skrzypce. – Moim zdaniem to odkrycie dopiero otwiera nową drogę – stwierdził fizyk. – My obecnie musimy wybrać kierunek tej drogi. Można powiedzieć, że przed nami otwiera się wiele drzwi, ale wejść możemy tylko przez jedne.

Kolejnym prelegentem był prof. dr hab. Stanisław Kistryn (Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński w Krakowie), który wygłosił wykład pt. „Gdy proste staje się skomplikowane – o oddziaływaniach w układach kilku ciał”.

– W fizyce istnieją cztery oddziaływania elementarne – rozpoczął prorektor Uniwersytetu Jagiellońskiego. – Dwa z tych oddziaływań znamy bardzo dobrze – grawitację i oddziaływania elektromagnetyczne. Mamy z nimi do czynienia w codziennym życiu. Natomiast dwa pozostałe oddziaływania – silne i słabe – są istotne w skali jądrowej.

Naukowiec przypomniał, że siła to wektor, który pokazuje nie tylko, jak duża jest ta siła, ale też jaki jest jej kierunek. W przypadku siły centralnej jej kierunek jest zadany poprzez odcinek łączący dwa oddziałujące ciała, jej wartość zależy tylko od odległości tych ciał, nie zależy natomiast od względnego usytuowania w przestrzeni. Pary ciał obdarzonych masami lub ładunkami opisane są w postaci prostych praw (Newtona i Coulomba). Trajektorię ruchu możemy wtedy (często) wyliczyć w sposób analityczny. Gdy układ składa się z więcej niż dwóch ciał, siłę działającą na każde z nich wyliczamy jako sumę (wektorową) sił działających w każdej parze, w której jednym z uczestników oddziaływania jest wybrany obiekt. Trajektoria wyliczalna jest zazwyczaj tylko numerycznie, ale pozornie komplikacja nie jest znacząca. Podobne „parowe” oddziaływanie przyjęto do opisu w mikroświecie: podstawowe z punktu widzenia fizyki jądrowej obiekty, nukleony (protony i neutrony), także oddziałują między sobą w parach i takie oddziaływania sumujemy, gdy układ jest bardziej złożony. Oczywiście różnice występują – postać oddziaływania jest znacznie bardziej skomplikowana, jest ono krótkozasięgowe, a więc w dużych konglomeratach nie wszystkie pary należy uwzględniać. Jednakże zasadnicze założenie o sumowaniu sił pozostawało w mocy. W badaniach okazało się, że taki opis nie wystarcza do odtworzenia wyników otrzymywanych w systemach złożonych z więcej niż dwóch nukleonów. Aby obserwowane wielkości opisać poprawnie, konieczne okazało się wprowadzenie dodatkowego typu oddziaływania – siły trójciałowej, która zaczyna odgrywać rolę, gdy w zasięgu oddziaływań nukleon – nukleon znajdą się co najmniej trzy takie obiekty.

Następnym prelegentem był dr Stanisław Bajtlik (Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika w Warszawie), który wygłosił wykład pt. „Czy Wszechświat jest rurą?”.

– Co to znaczy, że przestrzeń może się zakrzywiać? – rozpoczął od pytania dr Bajtlik. – Jesteśmy przyzwyczajeni, że żyjemy w przestrzeni opisanej przez geometrię Euklidesa. W tej geometrii suma kątów w trójkącie zawsze wynosi 180 stopni, a obwód okręgu 2πr. Ale tak być nie musi, geometria Euklidesa jest wywiedziona z aksjomatów, z których jeden stwierdza, że przez punkt nieleżący na danej prostej można przeprowadzić jedną i tylko jedną prostą równoległą do danej prostej. Ten aksjomat niepokoił ponoć już samego Euklidesa – zauważył naukowiec. Dr Bajtlik stwierdził, że jeśli z tego aksjomatu zrezygnujemy, to możemy rozważać przestrzenie dwuwymiarowe, które są zakrzywione. Dla przykładu powierzchnia sfery jest zakrzywioną dwuwymiarową przestrzenią. Jeżeli z bieguna wyprowadzimy dwa południki, tworzące na biegunie kąt 90 stopni, doprowadzimy je do równika i ćwiartka równika będzie stanowiła trzeci bok trójkąta, to łatwo zauważyć, że w tym trójkącie wszystkie kąty będą proste. Suma kątów będzie wynosiła 270 stopni. W takich przestrzeniach, gdy mówimy o dodatniej krzywiźnie, suma kątów w trójkącie jest zawsze większa od 180 stopni. O ile jest większa? To zależy od tego, jak duży jest trójkąt w porównaniu z promieniem krzywizny przestrzeni. Jeżeli trójkącik jest bardzo mały, to odstępstwo od 180 stopni jest małe. Dlatego przez tysiąclecia ludzie myśleli, że Ziemia jest płaska. Możemy też rozważać przestrzenie innego typu – o powierzchni siodła czy górskiej przełęczy. W takich przestrzeniach suma kątów w trójkącie będzie zawsze mniejsza niż 180 stopni. Powstaje więc pytanie: jaka jest przestrzeń realna: ta, w której żyjemy?

Równania Einsteina wiążą geometrię przestrzeni czy czasoprzestrzeni z materią. Jeśli we Wszechświecie materii jest dużo, to ma on dodatnią krzywiznę, jest skończony na podobieństwo powierzchni globusa. Jeżeli materii we Wszechświecie jest mało, to ma on geometrię siodłową. Jest też przypadek pośredni: taka szczególna ilość materii, przy której Wszechświat w wielkiej skali ma charakter euklidesowy. Z równań Einsteina wynika, że Wszechświat się rozszerza. Od 14 miliardów lat, od momentu wielkiego wybuchu, przestrzeń „puchnie”, unosząc ze sobą wszystko, co się w niej znajduje. Jeżeli materii we Wszechświecie jest dużo, a tego się spodziewamy, to impet wielkiego wybuchu wskutek samoprzyciągania wszelkiej materii będzie hamowany, ekspansja będzie się odbywała coraz wolniej, materia wyhamuje ją, a następnie odwróci i Wszechświat zacznie się kurczyć. Jeżeli materii jest mało, to Wszechświat będzie się rozszerzał zawsze.

Rosyjski fizyk Aleksander Friedman zauważył, że odpowiedź na pytanie o skończoność Wszechświata nie wynika z odpowiedzi o krzywiznę. Wszechświat zwinięty w rurę czy torus też ma powierzchnię euklidesową. Jakie są tego konsekwencje? Gdyby Ziemia była zwinięta w rurę czy torus, to w dalszym ciągu miałaby skończone rozmiary, skończoną powierzchnię, a Magellan, wyruszywszy w swoją podróż dookoła świata, powróciłby do punktu wyjścia. Podróż Magellana nie dowodzi zatem, że Ziemia jest kulą. Dowodzi, że rozmiary Ziemi w kierunku wschód – zachód są skończone. Podobnie może być z Wszechświatem. Wszystkie jego obserwacje dowodzą, że ma geometrię euklidesową. We Wszechświecie zwiniętym w rurę albo w torus promień światła mógłby połączyć dwa punkty wzdłuż różnych dróg. Wówczas pojawiłyby się na niebie wielokrotne obrazy tego samego obiektu. W takim Wszechświecie astronauci mogliby widzieć nieskończenie wiele kopii naszej Ziemi, jak swoje odbicie w łazience wyłożonej lustrami, a poczekawszy odpowiednio długo, zobaczyliby tył własnej głowy.

Ostatnim prelegentem podczas IX Dyskusji Panelowej był prof. dr hab. Andrzej Noras, kierownik Zakładu Historii Filozofii Nowożytnej i Współczesnej UŚ, który pytał: „Czy można odpowiedzieć na zadane pytanie o Wszechświat?”.

– Dla filozofa rozważany problem jest w pierwszym rzędzie problemem epistemologicznym, podejmującym kwestię prawdziwości sformułowanych sądów, a więc również problem granic poznania. Z jednej strony, na co zwraca uwagę Immanuel Kant, nie można uchylić pewnych pytań, gdyż narzucają się nam one nieodparcie. Z drugiej natomiast stawiamy pytania, nie mając pewności, czy jesteśmy w stanie udzielić na nie odpowiedzi, która byłaby satysfakcjonująca, a zarazem spełniałaby warunki naukowości. W rezultacie tego pojawia się pytanie o wartość nauki, które zaowocowało pozytywizmem – stanowiskiem teoriopoznawczym domagającym się bezwzględnej empirycznej weryfikacji naszej wiedzy.