ich orbity.
Obecnie naukowcy opisują wszechświat za pomocą dwóch podstawowych teorii cząstkowych – ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Obie stanowią olbrzymie osiągnięcia intelektualne pierwszej połowy naszego stulecia. Ogólna teoria względności opisuje siłę ciążenia i wielkoskalową strukturę wszechświata, to znaczy struktury o charakterystycznych wymiarach od paru kilometrów do miliona milionów milionów milionów (1 i dwadzieścia cztery zera) kilometrów, gdyż taki jest rozmiar wszechświata. Mechanika kwantowa dotyczy natomiast zjawisk w niesłychanie małych skalach, takich jak milionowa część milionowej części centymetra. Niestety, wiadomo, że te dwie teorie są niezgodne ze sobą – obie jednocześnie nie mogą być poprawne. Jednym z głównych zadań współczesnej fizyki – i najważniejszym wątkiem tej książki – jest poszukiwanie teorii, która połączyłaby obie te teorie cząstkowe – to znaczy kwantowej teorii grawitacji. Nie znamy jeszcze takiej teorii i być może długo jeszcze będziemy czekać na jej sformułowanie, ale znamy już liczne jej cechy charakterystyczne. Jak zobaczymy w następnych rozdziałach, już dziś rozumiemy pewne konieczne konsekwencje kwantowej teorii grawitacji.
Jeśli wierzymy, że wszechświat nie zachowuje się w sposób arbitralny, lecz że rządzą nim określone prawa, to w końcu musimy połączyć teorie cząstkowe w jedną, ogólną teorię, która opisze wszystko, co zdarza się we wszechświecie. W poszukiwaniu takiej teorii dostrzec można jednak pewien paradoks. Koncepcja teorii naukowych, jaką naszkicowałem powyżej, zakłada, iż jesteśmy istotami racjonalnymi i możemy swobodnie obserwować wszechświat oraz wyciągać logiczne wnioski z tych obserwacji. Przyjąwszy takie założenie, mamy prawo przypuszczać, że prowadząc nasze badania, coraz lepiej poznajemy prawa rządzące wszechświatem. Jeśli jednak rzeczywiście istnieje pełna i jednolita teoria, to powinna ona określać również nasze działania. A zatem teoria ta powinna wyznaczyć wynik naszych jej poszukiwań! Dlaczegóż to jednak miałaby ona gwarantować poprawność naszych wniosków dedukowanych z danych doświadczalnych? Czyż równie dobrze nie mogłaby ona powodować, że wnioski te byłyby błędne lub że nie bylibyśmy w stanie dojść do żadnych wniosków?
Jedyne rozwiązanie tego problemu, jakie mogę zaproponować, oparte jest na darwinowskiej zasadzie doboru naturalnego. W dowolnej populacji samoreprodukujących się organizmów istnieją różnice w materiale genetycznym i w wychowaniu poszczególnych osobników. Różnice te powodują, że pewne osobniki potrafią lepiej niż inne wyciągać wnioski o otaczającym je świecie i działać zgodnie z nimi. Te osobniki mają większe szanse na przeżycie i rozmnożenie się, a zatem ich wzorzec zachowania i myślenia powinien stać się dominujący. Z całą pewnością prawdą jest, że w przeszłości to, co nazywamy inteligencją oraz odkryciami naukowymi, dawało przewagę w walce o przetrwanie. Nie jest to tak oczywiste obecnie: konsekwencje naszych odkryć naukowych mogą nas zniszczyć, a jeśli nawet tak się nie stanie, poznanie kompletnej, jednolitej teorii może w minimalnym stopniu tylko zwiększyć nasze szanse na przetrwanie. Jeśli jednak wszechświat rozwija się w sposób regularny, to możemy oczekiwać, że zdolności myślenia, jakie nabyliśmy dzięki doborowi naturalnemu, okażą się przydatne również w poszukiwaniu pełnej teorii, nie wywiodą nas zatem na manowce fałszywych wniosków.
Skoro teorie cząstkowe, którymi już dysponujemy, są wystarczające, by móc dokładnie przewidywać, co nastąpi we wszystkich sytuacjach, z wyjątkiem zupełnie ekstremalnych, trudno jest uzasadniać poszukiwanie kompletnej teorii względami praktycznymi. (Warto jednak zauważyć, że podobnych argumentów można było użyć przeciwko teorii względności i mechanice kwantowej, a jednak zawdzięczamy im energetykę jądrową i mikroelektronikę!) Poznanie kompletnej, jednolitej teorii zapewne nie zwiększy naszej szansy na przetrwanie, może nawet nie zmieni naszego stylu życia. Ale od zarania cywilizacji ludzie nie zadowalali się nigdy obserwowaniem oddzielnych i niewyjaśnionych zjawisk, zawsze chcieli poznać kryjący się za nimi porządek panujący we wszechświecie. Dziś wciąż jeszcze pragniemy zrozumieć, kim jesteśmy i skąd się wzięliśmy. Głębokie pragnienie wiedzy ożywiające ludzkość stanowi dostateczne uzasadnienie naszych poszukiwań. A naszym celem jest kompletny opis świata, w którym żyjemy, nic skromniejszego nas nie zadowoli.
Rozdział 2
Czas i przestrzeń
NASZA OBECNA WIEDZA O RUCHU CIAŁ wywodzi się od koncepcji Galileusza i Newtona. Przedtem ludzie wierzyli Arystotelesowi, który twierdził, że naturalnym stanem ciała jest spoczynek i że porusza się ono tylko pod wpływem siły lub pchnięcia. Wynikało stąd, że ciężkie ciała powinny spadać szybciej niż lekkie, ponieważ są mocniej przyciągane w kierunku Ziemi.
Zgodnie z arystotelesowską tradycją uważano, że prawa rządzące wszechświatem można odkryć apriorycznie: doświadczalnego sprawdzenia teorii nie uważano za rzecz konieczną. Wobec tego nikt przed Galileuszem nie zadał sobie trudu, by sprawdzić, czy ciała o różnym ciężarze rzeczywiście spadają z różnymi prędkościami. Tradycja głosi, iż Galileusz wykazał fałszywość poglądów Arystotelesa, zrzucając ciężarki z pochyłej wieży w Pizie. Opowieść ta raczej na pewno nie odpowiada prawdzie, ale Galileusz wykonał doświadczenie równoważne; badał toczenie się kulek po pochyłej, gładkiej powierzchni. Takie doświadczenie jest podobne do badania pionowego spadku, ale obserwacje są łatwiejsze ze względu na mniejsze prędkości ciał. Pomiary Galileusza wykazały, że prędkość wszystkich ciał wzrasta w identyczny sposób, niezależnie od ich ciężaru. Na przykład, klocek zsuwający się bez tarcia po płaszczyźnie opadającej o jeden metr na każde 10 metrów ma prędkość jednego metra na sekundę po pierwszej sekundzie, dwóch metrów na sekundę po drugiej i tak dalej, zupełnie niezależnie od swego ciężaru. Oczywiście, ołowiany ciężarek spada szybciej niż piórko, ale tylko dlatego, że piórko jest hamowane przez opór powietrza. Dwa ciała, na których ruch opór powietrza nie ma w zasadzie wpływu, jak na przykład dwa różne ciężarki ołowiane, spadają w tym samym tempie.
Pomiary Galileusza posłużyły Newtonowi za podstawę jego praw ruchu. W doświadczeniu Galileusza na kulkę staczającą się po równi pochyłej działała stale ta sama siła (jej ciężar), a rezultatem był jednostajny wzrost jej prędkości. Wynikało stąd, że rzeczywistym efektem działania siły jest zawsze zmiana prędkości, a nie po prostu wprawienie ciała w ruch, jak uważano przedtem. Można było z tego również wywnioskować, że ciało, na które nie działa żadna siła, porusza się po prostej ze stałą szybkością. Tę regułę po raz pierwszy sformułował explicite Newton w dziele Principia mathematica, opublikowanym w 1687 roku; jest ona znana jako pierwsze prawo Newtona. Co dzieje się z ciałem, gdy działa na nie jakaś siła, określa drugie prawo Newtona. Zgodnie z nim ciało zmienia swoją prędkość, czyli przyśpiesza, w tempie proporcjonalnym do działającej siły. (Na przykład, przyśpieszenie jest dwukrotnie większe, jeśli działa dwukrotnie większa siła). Przyśpieszenie jest również tym mniejsze, im większa jest masa ciała, czyli ilość materii. (Ta sama siła, działając na ciało o dwukrotnie większej masie, powoduje o połowę mniejsze przyśpieszenie). Znany przykład stanowi tu ruch samochodu: im mocniejszy jest silnik, tym większe przyśpieszenie, ale im cięższy samochód, tym przyśpieszenie jest mniejsze, jeżeli motor jest ten sam.
Oprócz praw ruchu Newton odkrył również prawo opisujące siłę ciążenia. Według niego każde ciało przyciąga każde inne ciało z siłą proporcjonalną do mas obu ciał. Tak więc siła działająca między dwoma ciałami powiększy się dwukrotnie, jeśli podwoimy masę jednego z nich (nazwijmy je A). Tego należało oczekiwać, ponieważ nowe ciało A można uważać za utworzone z dwóch ciał o masach równych początkowej masie ciała A. Każde z nich przyciąga ciało B z taką siłą
