Tytuł oryginału

PHYSICS OF THE IMPOSSIBLE.

A SCIENTIFIC EXPLORATION INTO THE WORLD OF PHASERS,

FORCE FIELDS, TELEPORTATION, AND TIME TRAVEL

Copyright © 2008 by Michio Kaku

All rights reserved

Projekt okładki

Prószyński Media

Zdjęcie na okładce

Corbis/Sven Geier

Korekta

Anna Kaniewska

ISBN 978-83-7839-832-5

Warszawa 2011

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Mojej kochającej żonie Shizue oraz Michelle i Alyson

Wstęp i podziękowania

Jeżeli na samym początku idea nie wydaje się absurdalna, nie ma dla niej żadnej nadziei.

– Albert Einstein

Czy będziemy kiedyś potrafili przechodzić przez ściany? Budować statki kosmiczne poruszające się szybciej od światła? Odczytywać myśli innych osób? Stać się niewidzialnymi? Przesuwać przedmioty siłą samych myśli? Przesyłać nasze ciała w mgnieniu oka w inny zakątek przestrzeni kosmicznej?

Pytania te fascynują mnie od dzieciństwa. Gdy dorastałem, pociągała mnie, jak wielu innych fizyków, możliwość podróży w czasie, istnienia broni strzelającej wiązkami energii, pól siłowych, wszechświatów równoległych i tym podobnych. Magia, fantazja i fantastyka naukowa razem tworzyły olbrzymi plac zabaw dla mojej wyobraźni. Zapoczątkowały trwające przez całe życie zauroczenie tym, co niemożliwe.

Pamiętam, jak oglądałem w telewizji powtórki serialu Flash Gordon. W każdą sobotę wpatrywałem się w telewizor, podziwiając przygody Flasha, dr. Zarkova i Dale Arden, zachwycając się otaczającym ich przepychem futurystycznej techniki: statkami kosmicznymi, tarczami niewidzialności, działami wystrzeliwującymi wiązki energii i unoszącymi się na niebie miastami. Nie przegapiłem ani jednego odcinka. Film ten otworzył przede mną całkowicie nowy świat. Uwielbiałem wyobrażać sobie, że kiedyś polecę rakietą na jakąś obcą planetę, żeby badać jej niezwykłą powierzchnię. Zostałem wciągnięty na orbitę tych fantastycznych wynalazków i wiedziałem, że moje przeznaczenie musi być w jakiś sposób związane z wszystkimi obiecywanymi w serialu cudami nauki.

Jak się okazuje, nie byłem w tym przeświadczeniu odosobniony. Wielu spełnionych naukowców zainteresowało się nauką dzięki fantastyce naukowej. Wielkiego astronoma Edwina Hubble’a zainspirowały dzieła Juliusza Verne’a. Właśnie pod wpływem lektury książek tego pisarza Hubble postanowił porzucić obiecującą karierę prawniczą i zająć się nauką. W efekcie został największym astronomem XX wieku. Wyobraźnia Carla Sagana, uznanego astronoma i autora wielu bestsellerów, rozbudziła się po przeczytaniu serii książek Edgara Rice’a Burroughsa o Johnie Carterze z Marsa. Sagan marzył, że któregoś dnia, tak jak John Carter, będzie badał piaski Marsa.

W dniu, w którym zmarł Albert Einstein, byłem jeszcze dzieckiem, ale pamiętam, jak ludzie mówili ściszonym głosem o jego życiu i śmierci. Następnego dnia zobaczyłem w gazecie zdjęcie jego biurka, a na nim rękopis największego, nieukończonego dzieła Einsteina. Zastanowiło mnie, co mogło być tak doniosłe, że największy umysł naszych czasów nie potrafił tego dokończyć. W artykule przeczytałem, że Einstein zajmował się niemożliwym do spełnienia marzeniem, problemem tak trudnym, iż żadna śmiertelna istota nie może sobie z nim poradzić. Potrzebowałem wielu lat, by odkryć, czego dotyczył ten rękopis: był on poświęcony wielkiej, jednoczącej teorii wszystkiego. Marzenie uczonego – któremu poświęcił ostatnie trzy dziesięciolecia życia – pomogło mi lepiej spożytkować własną wyobraźnię. Zapragnąłem, choć w niewielkim stopniu, być częścią tego wysiłku mającego na celu dokończenie pracy Einsteina i zjednoczenie praw fizyki w jednej teorii.

Gdy dorastałem, powoli zaczęło do mnie docierać, że chociaż to Flash Gordon był bohaterem i zawsze podbijał serce pięknej dziewczyny, ciężar całego serialu spoczywał na uczonym. Bez dr. Zarkova nie byłoby statków kosmicznych, wypraw na Mongo ani ratowania Ziemi. Nie ujmując nic bohaterom, bez nauki nie ma fantastyki naukowej.

Uświadomiłem też sobie, że wszystkie te opowieści z naukowego punktu widzenia są niemożliwe, stanowią jedynie wytwór wyobraźni. Dorastanie wymaga porzucenia takich fantazji. W prawdziwym życiu, mówiono mi, trzeba pozbyć się mrzonek i zająć czymś praktycznym.

Ja jednak doszedłem do wniosku, że jeżeli dalej chcę się zajmować tym, co niemożliwe, muszę to robić na gruncie fizyki. Bez solidnego przygotowania z zaawansowanej fizyki do końca życia będę jedynie spekulował na temat futurystycznych rozwiązań technicznych, nie rozumiejąc, czy są one w ogóle możliwe. Zrozumiałem, że muszę się zagłębić w zaawansowaną matematykę i nauczyć fizyki teoretycznej. I tak też zrobiłem.

Kiedy w szkole średniej zorganizowano festiwal nauki, zbudowałem z tej okazji w garażu mamy rozbijacz atomów. Udałem się do zakładów Westinghouse’a i zebrałem 200 kilogramów ścinków stali transformatorowej. W czasie Bożego Narodzenia na szkolnym boisku do futbolu rozwinąłem 35 kilometrów miedzianego drutu. W efekcie zbudowałem akcelerator cząstek, betatron, o mocy 2,3 miliona elektronowoltów, który zużył 6 kilowatów mocy (całą moc dostępną w naszym domu) i wygenerował pole magnetyczne 20 tysięcy razy silniejsze od pola magnetycznego Ziemi. Moim celem było uzyskanie wiązki promieni gamma wystarczająco silnej do wytworzenia antymaterii.

Dzięki temu projektowi wziąłem udział w Narodowym Festiwalu Nauki i w końcu spełniłem swoje marzenie, zdobywając stypendium na studia w Uniwersytecie Harvarda, gdzie mogłem, tak jak sobie planowałem, zostać fizykiem teoretykiem i podążać śladami człowieka będącego dla mnie przykładem – Alberta Einsteina.

Teraz dostaję e-maile od autorów literatury fantastycznonaukowej i scenarzystów, w których proszą mnie, abym pomógł uatrakcyjnić ich opowieści, opisując granice praw fizyki.

„Niemożliwe” jest pojęciem względnym

Jako fizyk nauczyłem się, że określenie „niemożliwe” jest często względne. Przypominam sobie, jak kiedyś nauczycielka podeszła do mapy Ziemi i wskazała linie brzegowe Ameryki Południowej i Afryki. Czy to nie dziwny przypadek – powiedziała – że linie te pasują do siebie, niemal jak dwa kawałki układanki? Niektórzy uczeni – ciągnęła – wysuwają hipotezę, że być może były one kiedyś częścią jednego, olbrzymiego kontynentu. To jednak głupie. Żadna siła nie mogłaby rozsunąć dwóch wielkich kontynentów. Takie myślenie jest absurdalne – dodała na zakończenie.

Tego samego roku uczyliśmy się o dinozaurach. Czy to nie dziwne – mówiła nasza nauczycielka – że dinozaury panowały niepodzielnie na Ziemi przez miliony lat, a potem jednego dnia wszystkie zniknęły? Nikt nie wie, dlaczego wyginęły. Niektórzy paleontolodzy przypuszczają, że może ich śmierć spowodował meteor z kosmosu, ale to niemożliwe, taki pomysł bardziej pasuje do fantastyki naukowej.

Dzisiaj wiemy, że na skutek tektoniki płyt kontynenty jednak się przemieszczają oraz że 65 milionów lat temu olbrzymi meteoryt o średnicy 10 kilometrów najprawdopodobniej spowodował wyginięcie dinozaurów i większej części istot żywych na Ziemi. W czasie mojego krótkiego życia wielokrotnie byłem świadkiem, jak coś, zdawałoby się niemożliwego, staje się uznanym faktem naukowym. Czy nie możemy więc przypuszczać, że kiedyś będziemy potrafili teleportować się z jednego miejsca w inne lub budować statki kosmiczne, którymi polecimy do gwiazd odległych o lata świetlne?

Dzisiejsi fizycy zwykle uważają takie wyczyny za coś niemożliwego. Ale czy mogą one stać się realne za kilkaset lat? Albo za dziesięć tysięcy lat, gdy nasza technika będzie jeszcze bardziej zaawansowana? A może za milion lat? Ujmijmy to jeszcze inaczej – gdybyśmy mogli w jakiś sposób spotkać cywilizację wyprzedzającą nas o milion lat, czy używana przez nich na co dzień technika byłaby dla nas magią? Pytanie to, jego sens, jest jedną z kluczowych kwestii przewijających się w tej książce: czy jedynie dlatego, że coś jest dzisiaj „niemożliwe”, pozostanie niemożliwe przez kolejne wieki czy miliony lat?

Biorąc pod uwagę niezwykłe postępy nauki w ostatnim stuleciu, w szczególności powstanie teorii kwantowej i ogólnej teorii względności, możemy oszacować w przybliżeniu, kiedy, jeżeli w ogóle, niektóre z tych fantastycznych rozwiązań technicznych mogą się ziścić. Wraz z pojawieniem się jeszcze bardziej zaawansowanych teorii, takich jak teoria strun, nawet pojęcia ocierające się o fantastykę naukową, jak podróże w czasie i wszechświaty równoległe, są obecnie na nowo analizowane przez fizyków. Pomyślmy o tych postępach techniki, które 150 lat temu uczeni określali jako „niemożliwe”, a które teraz stały się częścią naszej codzienności. W 1863 roku Juliusz Verne napisał powieść Paryż w XX wieku. Książka ta, ukryta, leżała w zapomnieniu przez ponad wiek, aż do jej przypadkowego odkrycia przez prawnuka autora i wydania w 1994 roku. W powieści tej Verne wyobrażał sobie, jak mógłby wyglądać Paryż w roku 1960. Książka pełna jest opisów cudów techniki, które w XIX wieku bez wątpienia uważano za niemożliwe, między innymi faks, ogólnoświatową sieć komunikacyjną, szklane drapacze chmur, napędzane benzyną pojazdy i pociągi szybkobieżne, poruszające się po położonych nad ziemią torach.

Nie powinno nas dziwić, że Verne potrafił przewidzieć to wszystko z niezwykłą dokładnością, ponieważ zewsząd otaczał go świat nauki i ciągle wypytywał uczonych o informacje. Głęboki szacunek dla podstaw nauki pozwolił mu dojść do tak zadziwiających przewidywań.

Niestety, niektórzy z największych uczonych XIX wieku przyjęli przeciwną postawę i oznajmili, że pewne rozwiązania techniczne są całkowicie niemożliwe. Lord Kelvin, prawdopodobnie najznamienitszy fizyk epoki wiktoriańskiej (pochowany w Opactwie Westminsterskim obok Isaaca Newtona), stwierdził, że niemożliwością jest istnienie urządzeń latających „cięższych od powietrza”, takich jak samoloty. Uważał, że promienie Röntgena są oszustwem, a radio nie ma przyszłości. Lord Rutherford, który odkrył jądro atomowe, odrzucił możliwość zbudowania bomby atomowej, nazywając takie rozważania „bredniami”. Chemicy w XIX wieku stwierdzili, że poszukiwanie kamienia filozoficznego, fantastycznej substancji zamieniającej ołów w złoto, to naukowa ślepa uliczka. Dziewiętnastowieczna chemia opierała się na założeniu niezmienności pierwiastków, takich jak ołów. A jednak posługując się dzisiejszymi rozbijaczami atomów, możemy, w zasadzie, zmienić atomy ołowiu w złoto. Wyobraźmy sobie, jak fantastyczne wydawałyby się na początku XX wieku używane przez nas obecnie telewizory, komputery i Internet.

Przechodząc do trochę bliższych nam czasów, zauważmy, że również czarne dziury uważane kiedyś były za fantastykę naukową. Sam Einstein napisał w 1939 roku artykuł, w którym „dowodził”, że czarne dziury nie mogą powstawać. A jednak Kosmiczny Teleskop Hubble’a i rentgenowski teleskop Chandra odkryły już w przestrzeni kosmicznej tysiące czarnych dziur.

Powodem, dla którego te rozwiązania techniczne uznano za „niemożliwe”, jest to, że w XIX i na początku XX wieku nie znano podstawowych praw fizyki i nauki w ogóle. Jeżeli uświadomimy sobie, jak wielkie w tamtych czasach były luki w rozumieniu nauki, szczególnie na poziomie atomowym, nie powinno nas dziwić, że takie postępy uznawano za niemożliwe.

Badanie rzeczy niemożliwych

Na ironię zakrawa fakt, że poważne badania rzeczy niemożliwych często pozwalały odkryć bogate i całkowicie nieoczekiwane obszary nauki. Na przykład prowadzone przez całe stulecia bezowocne poszukiwania perpetuum mobile doprowadziły fizyków do wniosku, że takiego urządzenia nie można skonstruować, co z kolei zaowocowało sformułowaniem zasady zachowania energii i trzech praw termodynamiki. W ten sposób bezskuteczne próby zbudowania perpetuum mobile pozwoliły rozwinąć całkowicie nową gałąź termodynamiki, która przyczyniła się do powstania silnika parowego, narodzin epoki maszyn i nowoczesnego społeczeństwa przemysłowego.

Pod koniec XIX wieku uczeni zdecydowali, że to „niemożliwe”, by Ziemia liczyła sobie miliardy lat. Lord Kelvin stwierdził stanowczo, że roztopiona Ziemia ochłodziłaby się w ciągu 20–40 milionów lat, co stoi w sprzeczności z twierdzeniami geologów i darwinistów, utrzymujących, iż Ziemia może mieć miliardy lat. Ostatecznie jednak udowodniono, że to możliwe, dzięki odkryciu przez Marię Skłodowską-Curie i innych uczonych siły jądrowej i wykazaniu, że jądro Ziemi, ogrzewane przez rozpad radioaktywny, rzeczywiście mogłoby utrzymywać się w stanie ciekłym przez miliardy lat.

Ignorując rzeczy niemożliwe, robimy to na własne ryzyko. W latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku Robert Goddard, twórca współczesnej techniki rakietowej, spotkał się ze zdecydowaną krytyką ze strony ludzi, którzy twierdzili, że rakiety nigdy nie będą mogły latać w przestrzeni kosmicznej. Prześmiewczo nazywali jego poszukiwania „wariactwem Goddarda”. W roku 1921 redaktorzy „New York Timesa” tak wyśmiewali pracę dr. Goddarda: „Profesor Goddard nie rozumie związku pomiędzy akcją i reakcją, nie uświadamia sobie konieczności dysponowania czymś lepszym niż próżnia, co mogłoby spowodować reakcję. Wydaje się, że brakuje mu podstawowej wiedzy, którą codziennie wbija się do głowy uczniom szkół średnich”. Rakiety nie mogą latać w przestrzeni kosmicznej, twierdzili oburzeni redaktorzy, ponieważ nie ma tam powietrza, od którego można się odpychać. Niestety, przywódca pewnego kraju poważnie potraktował wnioski wypływające z „niemożliwych” rakiet Goddarda – był nim Adolf Hitler. W czasie II wojny światowej niemiecki ostrzał niezwykle zaawansowanymi technicznie rakietami V-2 siał w Londynie śmierć i zniszczenie, niemal doprowadzając do jego kapitulacji.

Badając rzeczy niemożliwe, możemy również zmienić bieg historii świata. W latach trzydziestych XX wieku powszechnie uważano, a pogląd ten podzielał nawet Einstein, że bomba atomowa jest „niemożliwa”. Fizycy wiedzieli, że głęboko we wnętrzu jądra atomowego, zgodnie z równaniem Einsteina E = mc2, uwięziona jest olbrzymia ilość energii, ale uważali, iż energia wyzwolona z jednego jądra atomowego jest tak mała, że nie warto jej nawet rozważać. Jednak fizyk atomowy Leó Szilárd przypomniał sobie powieść H.G. Wellsa z 1914 roku, The World Set Free (Uwolniony świat), w której autor przewiduje powstanie bomby atomowej. W książce znajduje się stwierdzenie, że tajemnica bomby atomowej zostanie rozwiązana przez pewnego fizyka w 1933 roku. Szilárd natknął się przypadkiem na tę książkę w roku 1932. Zainspirowany powieścią, w 1933 roku, dokładnie tak jak przepowiedział Wells kilkadziesiąt lat wcześniej, wpadł na pomysł wzmocnienia siły pojedynczego atomu poprzez wywołanie reakcji łańcuchowej, w wyniku której energia rozszczepienia pojedynczego jądra uranu może ulec wzmocnieniu o czynnik wielu bilionów. Szilárd doprowadził wtedy do wykonania serii kluczowych eksperymentów i przeprowadzenia potajemnych negocjacji między Einsteinem a prezydentem Franklinem Rooseveltem, które w ostatecznym rozrachunku przyczyniły się do uruchomienia „Projektu Manhattan” i zbudowania bomby atomowej.

Ciągle na nowo przekonujemy się, że badanie rzeczy niemożliwych otwiera przed nami zupełnie nowe perspektywy, przesuwa granice fizyki i chemii i zmusza uczonych do zastanowienia się na nowo, co rozumieją przez słowo niemożliwe. Sir William Osler powiedział kiedyś: „Filozofie jednej epoki stają się absurdami kolejnej, a niedorzeczności dnia wczorajszego stają się mądrościami jutra”.

Wielu fizyków podziela słynne powiedzenie T.H. White’a, który w Był sobie raz na zawsze król napisał: „Wszystko, co nie jest zabronione, jest obowiązkowe!”1. W fizyce ciągle znajdujemy dowody na potwierdzenie tej tezy. Jeżeli nie istnieje prawo fizyki wyraźnie zakazujące istnienia jakiegoś nowego zjawiska, w końcu odkrywamy, że ono występuje. (Zachodziło to kilkakrotnie w trakcie poszukiwań nowych cząstek subatomowych. Badając granice tego, co zakazane, fizycy, często nieoczekiwanie, odkrywali nowe prawa fizyki)2. Wnioskiem wypływającym ze stwierdzenia T.H. White’a może być: „Wszystko, co nie jest niemożliwe, jest obowiązkowe!”.

Kosmolog Stephen Hawking próbował na przykład udowodnić, że podróże w czasie są niemożliwe, starając się odkryć nowe prawo fizyki, nazwane przez niego „założeniem o ochronie chronologii”, które by ich zakazywało. Niestety, mimo wielu lat ciężkiej pracy nie udało mu się udowodnić tej zasady. W rzeczywistości stało się coś przeciwnego, fizycy dowiedli, że prawo zabraniające podróży w czasie jest poza zasięgiem naszej obecnej matematyki. Ponieważ nie istnieje aktualnie prawo fizyki zabraniające istnienia wehikułów czasu, fizycy muszą traktować taką możliwość bardzo poważnie.

Celem tej książki jest zastanowienie się, które rozwiązania techniczne uważane obecnie za „niemożliwe” mają szansę stać się za kilkadziesiąt, kilkaset lat częścią naszej codzienności.

Już teraz jedno z „niemożliwych” rozwiązań technicznych okazuje się możliwe: chodzi o zjawisko teleportacji (przynajmniej na poziomie atomowym). Jeszcze zaledwie kilka lat temu fizycy stwierdziliby, że przesyłanie obiektu z jednego miejsca w inne stanowi pogwałcenie praw fizyki kwantowej. Scenarzyści serialu telewizyjnego Star Trek byli tak nękani krytycznymi uwagami fizyków, że do swoich urządzeń teleportujących dodali „kompensatory Heisenberga”, aby poradzić sobie z tym problemem. Dzisiaj, dzięki niedawno osiągniętemu przełomowi, fizycy mogą teleportować atomy na drugi koniec pomieszczenia lub fotony na drugi brzeg pięknego modrego Dunaju.

Przewidywanie przyszłości

Wysuwanie hipotez na temat przyszłości jest zawsze trochę ryzykowne, szczególnie jeżeli dotyczą one czasów odległych o setki czy tysiące lat. Fizyk Niels Bohr lubił powtarzać: „Formułowanie przewidywań jest bardzo trudne. Zwłaszcza tych dotyczących przyszłości”. Istnieje jednak pewna zasadnicza różnica między czasami Juliusza Verne’a a współczesnymi. Dzisiaj w zasadzie rozumiemy podstawowe prawa fizyki. Obecnie fizycy rozumieją podstawowe prawa w imponującym zakresie 43 rzędów wielkości, od wnętrza protonu po rozszerzający się Wszechświat. W efekcie mogą określić z dużą pewnością, jak w ogólnych zarysach może wyglądać technika przyszłości, a także lepiej odróżnić te pomysły, które są jedynie nieprawdopodobne, od tych, które są zupełnie niemożliwe.

W tej książce dzielę zatem rzeczy „niemożliwe” na trzy kategorie.

Pierwszą grupę nazywam Niemożliwościami typu I. Są to rozwiązania techniczne obecnie niemożliwe do osiągnięcia, ale niebędące w sprzeczności z żadnymi znanymi prawami fizyki. Być może więc uda się je zrealizować w jakiejś zmodyfikowanej postaci jeszcze w tym wieku albo w następnym. W kategorii tej mieszczą się: teleportacja, silniki na antymaterię, pewne odmiany telepatii, psychokineza i niewidzialność.

Druga grupa nosi nazwę Niemożliwości typu II. Są to rozwiązania techniczne leżące na granicy naszego rozumienia świata fizycznego. Jeżeli w ogóle są możliwe, może uda się je zrealizować za tysiące albo miliony lat. Zaliczają się do nich wehikuły czasu, możliwość podróży hiperprzestrzennych i przemieszczanie się przez tunele czasoprzestrzenne.

Ostatnia grupa to Niemożliwości typu III. Są to rozwiązania techniczne będące w sprzeczności ze znanymi prawami fizyki. To zadziwiające, ale bardzo niewiele rozwiązań można zaliczyć do tej kategorii. Jeżeli jednak okaże się, że ich realizacja jest możliwa, będzie to wymagało dokonania głębokich zmian w naszym rozumieniu fizyki.

W moim odczuciu taki podział jest ważny, ponieważ uczeni odrzucają tak wiele rozwiązań technicznych pojawiających się w fantastyce naukowej, twierdząc, że są zupełnie niemożliwe, podczas gdy w rzeczywistości chodzi im o to, że są one niemożliwe do zrealizowania przez prymitywne cywilizacje, takie jak nasza. Na przykład zwykło się uważać, że odwiedziny obcych istot nie są możliwe z powodu olbrzymich odległości dzielących od siebie gwiazdy. Chociaż jednak podróże międzygwiezdne bez wątpienia są poza zasięgiem możliwości technicznych naszej cywilizacji, w przypadku cywilizacji wyprzedzających nas w rozwoju o tysiące lub miliony lat mogą one być realne. Ważna jest więc odpowiednia klasyfikacja takich „niemożliwości”. Rozwiązania techniczne niemożliwe do osiągnięcia przez naszą obecną cywilizację niekoniecznie muszą być niemożliwe dla wszelkich innych rodzajów cywilizacji. Wypowiadając się na temat tego, co jest możliwe, a co nie, musimy brać pod uwagę poziom techniki, jaki osiągniemy za tysiące, a nawet miliony lat.

Carl Sagan napisał kiedyś: „Co dla cywilizacji oznacza osiągnięcie wieku miliona lat? My od kilkudziesięciu lat dysponujemy radioteleskopami i statkami kosmicznymi; nasza cywilizacja techniczna liczy sobie kilkaset lat […] zaawansowana cywilizacja rozwijająca się przez miliony lat wyprzedza nas tak, jak my wyprzedzamy małpiatki czy makaki”.

We własnych pracach badawczych skupiam się na próbie dokończenia realizacji marzenia Einsteina o „teorii wszystkiego”. Praca nad teorią ostateczną jest dla mnie niezwykle ekscytująca – teoria ta może jednoznacznie rozwiązać niektóre z najtrudniejszych, kwestii współczesnej nauki dotyczących „niemożliwego”, takich jak pytania o to, czy możliwe są podróże w czasie, co znajduje się w środku czarnej dziury lub co się wydarzyło przed Wielkim Wybuchem. Wciąż oddaję się marzeniom, rozmyślam o moim trwającym całe życie zauroczeniu tym, co niemożliwe i zastanawiam się, czy któreś z tych niemożliwych rzeczy pewnego dnia staną się częścią naszej codzienności.

Podziękowania

Informacje zawarte w tej książce dotyczą wielu gałęzi i dziedzin nauki, a także prac wielu wybitnych uczonych. Następujące osoby poświęciły swój czas na długie wywiady, konsultacje i ciekawe, inspirujące rozmowy – jestem im za to niewymownie wdzięczny:

Leon Lederman, laureat Nagrody Nobla, Illinois Institute of Technology

Murray Gell-Mann, laureat Nagrody Nobla, Santa Fe Institute i Cal Tech

Henry Kendall, laureat Nagrody Nobla, MIT

Steven Weinberg, laureat Nagrody Nobla, University of Texas w Austin

David Gross, laureat Nagrody Nobla, Kavli Institute for Theoretical Physics

Frank Wilczek, laureat Nagrody Nobla, MIT

Joseph Rotblat, laureat Nagrody Nobla, St. Bartholomew’s Hospital

Walter Gilbert, laureat Nagrody Nobla, Harvard University

Gerald Edelman, laureat Nagrody Nobla, Scripps Research Institute

Peter Doherty, laureat Nagrody Nobla, St. Jude Children’s Research Hospital

Jared Diamond, zdobywca Nagrody Pulitzera, UCLA

Stan Lee, założyciel wydawnictwa Marvel Comics i twórca Spidermana

Brian Greene, Columbia University, autor książki Piękno Wszechświata

Lisa Randall, Harvard University, autorka książki Warped Passages

Lawrence Krauss, Case Western University, autor książki Fizyka podróży międzygwiezdnych

J. Richard Gott III, Princeton University, autor książki Time Travel in Einstein’s Universe

Alan Guth, fizyk, MIT, autor książki Wszechświat inflacyjny

John Barrow, fizyk, Cambridge University, autor książki Kres możliwości?

Paul Davies, fizyk, autor książki Superforce

Leonard Susskind, fizyk, Stanford University

Joseph Lykken, fizyk, Fermi National Laboratory

Marvin Minsky, MIT, autor książki The Society of Minds

Ray Kurzweil, wynalazca, autor książki The Age of Spiritual Machines

Rodney Brooks, dyrektor Artificial Intelligence Laboratory w MIT

Hans Moravec, autor książki Robot

Ken Croswell, astronom, autor książki Magnificent Universe

Don Goldsmith, astronom, autor książki Runaway Universe

Neil de Grasse Tyson, dyrektor Hayden Planetarium, Nowy Jork

Robert Kirshner, astronom, Harvard University

Fulvia Melia, astronom, University of Arizona

Sir Martin Rees, Cambridge University, autor książki Przed początkiem

Michael Brown, astronom, Cal Tech

Paul Gilster, autor książki Centauri Dreams

Michael Memonick, redaktor artykułów naukowych w czasopiśmie „Time”

Timothy Ferris, University of California, autor książki Coming of Age in the Milky Way

Ted Taylor, projektant amerykańskich głowic jądrowych

Freeman Dyson, Institute for Advanced Study, Princeton

John Horgan, Stevens Institute of Technology, autor książki Koniec nauki

Carl Sagan, Cornell University, autor książki Kosmos

Ann Druyan, wdowa po Carlu Saganie, Cosmos Studios

Peter Schwarz, futurolog, założyciel Global Business Network

Alvin Toffler, futurolog, autor książki The Third Wave

David Goodstein, zastępca rektora Cal Tech

Seth Lloyd, MIT, autor książki Programming the Universe

Fred Watson, astronom, autor książki Star Gazer

Simon Singh, autor książki Wielki Wybuch

Seth Shostak, SETI Institute

George Johnson, dziennikarz zajmujący się nauką w „New York Timesie”

Jeffrey Hoffman, MIT, astronauta NASA

Tom Jones, astronauta NASA

Alan Lightman, MIT, autor książki Sny Einsteina

Robert Zubrin, założyciel Mars Society

Donna Shirley, członek programu NASA Mars

John Pike, GlobalSecurity.org

Paul Saffo, futurolog, Institute of the Future

Daniel Werthheimer, SETI@home, University of California w Berkeley

Robert Zimmerman, autor książki Leaving Earth

Marcia Bartusiak, autorka książki Einstein’s Unfinished Symphony

Michael H. Salamon, członek programu NASA Beyond Einstein

Geoff Andersen, U.S. Air Force Academy, autor książki The Telescope

Chciałbym również podziękować mojemu agentowi Stuartowi Krichewsky’emu, który był u mego boku przez wszystkie te lata, doglądając moich książek, a także wydawcy Rogerowi Schollowi, którego pewna dłoń, zdrowy rozsądek i doświadczenie wydawnicze ukształtowało tak wiele książek. Pragnę również podziękować moim kolegom w City College w Nowym Jorku i w Graduate Center of City University w Nowym Jorku, szczególnie V.P. Nairowi i Danowi Greenbergowi, którzy wspaniałomyślnie poświęcili swój czas na dyskusje.

1 T.H. White, Był sobie raz na zawsze król: Miecz dla króla, przeł. J. Kozak, Świat Książki, Warszawa 1999, s. 155 (przyp. tłum.).

2  Dzieje się tak za sprawą teorii kwantowej. Gdy do jakiejś teorii dodaje się wszystkie możliwe poprawki kwantowe (w żmudnym procesie zwanym renormalizacją), okazuje się, że zjawiska, które wcześniej w klasycznym ujęciu były niemożliwe, ponownie pojawiają się w obliczeniach. Oznacza to, że jeżeli tylko coś nie jest jednoznacznie zabronione (na przykład przez prawo zachowania), pojawia się w teorii po uwzględnieniu poprawek kwantowych.

CZĘŚĆ I

NIEMOŻLIWOŚCI TYPU I

ROZDZIAŁ 1

Pola sił

I. Gdy wybitny, ale starszy już uczony stwierdza, że coś jest możliwe, niemal na pewno ma rację. Gdy mówi, że coś jest niemożliwe, najprawdopodobniej się myli.

II. Jedyny sposób, by odkryć granice możliwości, to przekroczyć je i sięgnąć po niemożliwe.

III. Każde wystarczająco zaawansowane rozwiązanie techniczne jest nieodróżnialne od magii.

Trzy prawa Arthura C. Clarke’a

Dostępne w pełnej wersji

Michael Faraday

Pojęcie pola sił wywodzi się z prac wielkiego dziewiętnastowiecznego brytyjskiego uczonego Michaela Faradaya.

Faraday urodził się w rodzinie robotniczej (jego ojciec był kowalem) i wiódł na początku XIX wieku skromne życie ucznia introligatora. Młodego Faradaya fascynowały olbrzymie postępy w odkrywaniu tajemniczych właściwości dwóch nowych sił: elektryczności i magnetyzmu. Czytał wszystko, co napisano na te tematy i uczęszczał na wykłady profesora Humphry’ego Davy’ego w Royal Institution w Londynie.

Pewnego dnia profesor Davy dotkliwie poranił sobie oczy w wypadku z substancjami chemicznymi i zatrudnił Faradaya jako swojego sekretarza. Faraday powoli zdobywał zaufanie uczonych w Royal Institution i w końcu pozwolono mu przeprowadzać własne poważne eksperymenty, chociaż często go lekceważono. Z upływem lat profesor Davy coraz bardziej zazdrościł inteligencji młodemu asystentowi, którego sława tak rosła w kręgach eksperymentatorów, że w końcu przyćmiła jego własne dokonania. Po śmierci Davy’ego w 1829 roku Faraday mógł już bez przeszkód kontynuować prace, dokonując wielu zadziwiających przełomów, dzięki którym powstały generatory zdolne zasilać całe miasta i zmienił się bieg rozwoju światowej cywilizacji.

Kluczem do największych odkryć Faradaya były jego pola sił. Jeżeli w pobliżu magnesu umieścimy żelazne opiłki, zobaczymy, że ułożą się one w przypominający pajęczynę wzór wypełniający całą przestrzeń. To są właśnie linie sił Faradaya, stanowiące graficzny obraz tego, jak pola elektryczności i magnetyzmu wypełniają przestrzeń. Jeżeli na przykład narysujemy pole magnetyczne Ziemi, przekonamy się, że linie wyłaniają się z obszaru bieguna północnego, zakrzywiają się wokół Ziemi i kończą w okolicach bieguna południowego. Podobnie, gdybyśmy narysowali linie pola elektrycznego powstającej w trakcie burzy błyskawicy, zobaczylibyśmy, że linie sił koncentrują się wokół jej końca. Dla Faradaya pusta przestrzeń wcale nie była pusta, lecz wypełniona liniami sił mogącymi wprawić w ruch odległe obiekty. (Z powodu biedy w młodości Faraday był matematycznym analfabetą i dlatego jego notatniki nie są wypełnione równaniami, lecz odręcznymi diagramami takich linii sił. Może się to wydać absurdalne, ale właśnie dzięki brakowi wykształcenia matematycznego Faraday zaczął tworzyć te piękne diagramy linii sił, które teraz można odnaleźć w każdym podręczniku fizyki. W nauce obraz oddający fizyczną naturę zjawiska jest często ważniejszy niż matematyka użyta do jego opisu).

Historycy snują domysły, co naprowadziło Faradaya na trop pól sił, jednego z najważniejszych pojęciowych odkryć w całej nauce. Tak naprawdę całą współczesną fizykę zapisuje się w języku pól Faradaya. Kluczowy przełom związany z polami sił, który na zawsze zmienił naszą cywilizację, nastąpił w 1831 roku. Pewnego dnia, przesuwając zwykły magnes nad zwojem drutu, Faraday zauważył, że w ten sposób, bez dotykania przewodu, udało mu się wytworzyć w nim prąd elektryczny. Oznaczało to, że niewidzialne pole magnesu potrafiło przepychać elektrony przez puste obszary w przewodzie, wywołując w nim przepływ prądu.

Okazało się, że pola sił Faradaya, które dotychczas uważano za bezużyteczne, bezsensowne bazgroły, są rzeczywistymi, istniejącymi naprawdę siłami, zdolnymi przesuwać obiekty i wytwarzać moc. Obecnie światło, przy którym czytasz tę stronę, prawdopodobnie powstaje dzięki temu, związanemu z elektromagnetyzmem, odkryciu Faradaya. Wirujący magnes wytwarza pole sił, które popycha elektrony w przewodzie, zmuszając je do poruszania się w postaci prądu elektrycznego. Ten prąd elektryczny w przewodzie można następnie wykorzystać do zapalenia żarówki. Tę samą zasadę stosuje się do wytworzenia elektryczności zasilającej wszystkie miasta świata. Na przykład przepływająca przez zaporę woda obraca wielki magnes w turbinie, co powoduje popychanie elektronów w przewodzie i powstanie prądu elektrycznego, który następnie jest przesyłany liniami wysokiego napięcia do naszych mieszkań.

Innymi słowy, pola sił Michaela Faradaya są siłami napędzającymi współczesną cywilizację, od elektrycznych buldożerów po dzisiejsze komputery, Internet i iPody.

Pola sił Faradaya inspirują fizyków już od półtora wieku. Einstein tak uległ ich wpływowi, że zapisał swoją teorię grawitacji, posługując się właśnie polami sił. Również dla mnie prace Faradaya były inspiracją. Wiele lat temu udało mi się zapisać teorię strun w postaci pól sił Faradaya i zapoczątkować tym samym strunową teorię pola. W fizyce, gdy ktoś mówi: „jego myśli są niczym linie sił”, jest to wielki komplement.

Cztery siły

Jednym z największych osiągnięć fizyki ostatnich dwóch stuleci jest wyodrębnienie i opisanie czterech sił rządzących Wszechświatem. Wszystkie je można opisać, posługując się wprowadzonym przez Faradaya językiem pól. Niestety, żadne z nich nie ma własności nawet zbliżonych do spotykanych w fantastyce naukowej opisów pól siłowych. Oto te siły:

1. Grawitacja, nierzucająca się w oczy siła utrzymująca nasze stopy pewnie na ziemi, zapobiegająca rozpadowi naszej planety i gwiazd, utrzymująca w całości układy planetarne i galaktyki. Bez grawitacji, pod wpływem ruchu obrotowego Ziemi, zostalibyśmy wyrzuceni z jej powierzchni w przestrzeń kosmiczną z prędkością 1600 kilometrów na godzinę. Problem w tym, że grawitacja ma własności dokładnie przeciwne do pól siłowych z fantastyki naukowej. Grawitacja przyciąga, a nie odpycha, jest niezwykle słaba w porównaniu z innymi siłami i działa na olbrzymie, astronomiczne odległości. Innymi słowy, jest niemal przeciwieństwem płaskiej, cienkiej, nieprzenikalnej bariery, o której czytamy w książkach fantastycznonaukowych i którą oglądamy w filmach. Na przykład, aby przyciągnąć piórko do podłogi, potrzeba całej olbrzymiej Ziemi, a my możemy przeciwdziałać jej grawitacji, podnosząc to piórko jednym palcem. Nie wysilając się zbytnio, możemy przezwyciężyć grawitację całej planety ważącej około sześciu bilionów bilionów kilogramów.

2. Elektromagnetyzm, siła rozświetlająca nasze miasta. Lasery, radio, telewizja, najnowsze urządzenia elektroniczne, komputery, Internet, elektryczność, magnetyzm – wszystko to są konsekwencje istnienia siły elektromagnetycznej. Jest to chyba najbardziej użyteczna siła, jaka kiedykolwiek została zaprzęgnięta w służbę człowieka. W przeciwieństwie do grawitacji może ona zarówno przyciągać, jak i odpychać. Istnieje jednak kilka powodów, dla których nie nadaje się do wytwarzania pól siłowych. Po pierwsze, łatwo ją zneutralizować. Plastik i inne izolatory mogą na przykład z łatwością przechodzić przez potężne pola elektryczne czy magnetyczne. Kawałek plastiku rzucony w pole magnetyczne przeleci przez nie na wylot. Po drugie, elektromagnetyzm działa na duże odległości i nie można w żaden prosty sposób ograniczyć jego działania do płaszczyzny. Prawa siły elektromagnetycznej opisują równania Jamesa Clerka Maxwella i nie wydaje się, by pola siłowe mogły być jednym z ich rozwiązań.

3. i 4. Słabe i silne oddziaływania jądrowe. Oddziaływanie słabe jest siłą rozpadu radioaktywnego. Jest to siła ogrzewająca radioaktywne wnętrze Ziemi. Jest to również siła odpowiedzialna za wybuchy wulkanów, trzęsienia ziemi i dryf kontynentów. Oddziaływanie silne utrzymuje w całości jądro atomu. Energia Słońca i gwiazd ma swoje źródło w oddziaływaniu jądrowym, odpowiedzialnym za rozświetlenie Wszechświata. Problem w tym, że oddziaływanie jądrowe ma krótki zasięg, działa głównie na odległość jądra atomowego. Ponieważ jest ono tak bardzo związane z własnościami jąder atomowych, niezwykle trudno się nim posługiwać. Obecnie jedyny sposób, w jaki potrafimy użyć tej siły, sprowadza się do rozbicia na kawałki cząstek subatomowych w rozbijaczach atomów lub do zdetonowania bomby atomowej.

Chociaż pola siłowe wykorzystywane w fantastyce naukowej nie są być może zgodne ze znanymi prawami fizyki, istnieją wciąż pewne luki, które mogą umożliwić ich wytworzenie. Po pierwsze, może istnieć jakaś piąta siła, wciąż niewykryta w żadnym laboratorium. Siła taka mogłaby na przykład działać tylko na odległościach od kilku centymetrów do metrów, a nie w olbrzymich skalach astronomicznych. (Jednak pierwsze próby wykrycia takiej piątej siły zakończyły się niepowodzeniem).

Po drugie, być może uda się wykorzystać plazmę do uzyskania niektórych z właściwości pól siłowych. Plazma jest czwartym stanem materii. Ciała stałe, ciecze i gazy stanowią trzy znane nam stany materii, ale najpowszechniej występującą postacią materii we Wszechświecie jest plazma, gaz zjonizowanych atomów. Ponieważ atomy tworzące plazmę są rozbite na części, czyli elektrony są oderwane od jąder atomowych, atomy takie mają ładunek elektryczny i można nimi łatwo manipulować za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych.

Plazma to najobficiej występująca widzialna postać materii we Wszechświecie, tworząca Słońce, gwiazdy i gaz międzygwiazdowy. Ten stan materii nie jest nam bliski, gdyż bardzo rzadko można go spotkać na Ziemi, choć obserwujemy go, patrząc na błyskawice, Słońce i telewizory plazmowe.

Reszta w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 2

Niewidzialność

Nie można dowierzać oczom, gdy wyobraźnia jest nieostra.

– Mark Twain

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 3

Fazery i gwiazdy śmierci

Radio nie ma przyszłości. Cięższe od powietrza maszyny latające są niemożliwe. Promienie rentgenowskie okażą się oszustwem.

– fizyk lord Kelvin, 1899

Taka bomba [atomowa] nigdy nie wybuchnie.
Mówię to jako ekspert w dziedzinie materiałów wybuchowych.

– admirał William Leahy

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 4

Teleportacja

To cudownie, że natrafiliśmy na paradoks.
W końcu pojawiła się nadzieja, że dokonamy jakichś postępów.

– Niels Bohr

Nie mogę zmienić praw fizyki, Kapitanie!

– Scotty, główny mechanik w serialu Star Trek

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 5

Telepatia

Jeżeli nic cię dzisiaj nie zdziwiło, nie był to specjalnie udany dzień.

– John Wheeler

Jedynie ci, którzy nie obawiają się zmierzyć z absurdem,
osiągną coś niemożliwego.

– M.C. Escher

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 6

Psychokineza

Nowa prawda naukowa nie zwycięża dlatego, że udaje się przekonać do niej
jej przeciwników i spowodować, żeby doznali oświecenia,
ale raczej dlatego, że ci przeciwnicy w końcu wymierają
i do głosu dochodzi nowe pokolenie, które jest już z nią obeznane.

– Max Planck

Przywilejem głupca jest wypowiadanie prawd,
których nikt inny nie głosi.

– Neil Gaiman

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 7

Roboty

W ciągu kolejnych trzydziestu lat nadejdzie taki dzień, kiedy po cichu, bez żadnego rozgłosu przestaniemy być najinteligentniejszymi istotami na Ziemi.

– James McAlear

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 8

Istoty pozaziemskie i UFO

Albo jesteśmy sami we Wszechświecie, albo nie. Obie te możliwości są równie przerażające.

– Arthur C. Clarke

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 9

Statki kosmiczne

Idiotyczny pomysł strzelania w Księżyc jest przykładem tego, do jakich absurdów może doprowadzić uczonych niezdrowa specjalizacja […] ta koncepcja wydaje się z gruntu niemożliwa.

– A.W. Bickerton, 1926

Według wszelkiego prawdopodobieństwa najlepsza część ludzkości nigdy nie zginie – będzie się przenosiła ze słońca na słońce, w miarę jak będą one gasły. Zatem nigdy nie nastąpi koniec życia, intelektu i geniuszu ludzkości. Jej postęp będzie trwał wiecznie.

– Konstantin Ciołkowski, ojciec techniki rakietowej

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 10

Antymateria i antywszechświaty

Najbardziej ekscytującym zwrotem oznajmiającym nowe odkrycia, z jakim można się zetknąć w nauce, jest nie „Eureka!” (Znalazłem!), ale „To zabawne…”

– Isaac Asimov

Jeżeli ktoś nie wierzy w to, co my, mówimy, że to jakiś pomyleniec i to załatwia sprawę. To znaczy, w dzisiejszych czasach załatwia sprawę, bo teraz nie możemy go już spalić na stosie.

– Mark Twain

Łatwo rozpoznać pioniera po strzałach sterczących z jego pleców.

– Beverly Rubik

Dostępne w pełnej wersji

CZĘŚĆ II

NIEMOŻLIWOŚCI TYPU II

ROZDZIAŁ 11

Szybciej od światła

Można sobie wyobrazić, że [życie] rozprzestrzeni się w końcu w całej Galaktyce i poza nią. Wcale nie jest więc skazane na pozostanie na zawsze nieistotnym śladowym zanieczyszczeniem Wszechświata, jak to jest obecnie. Taki obraz jest dla mnie dosyć pociągający.

– sir Marin Rees, astronom królewski

Podróżowanie z prędkością większą od światła jest niemożliwe, a już na pewno nie jest przyjemne, bo człowiekowi ciągle zwiewa kapelusz z głowy.

– Woody Allen

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 12

Podróże w czasie

Jeżeli podróże w czasie są możliwe, to gdzie się podziewają ci wszyscy turyści z przyszłości?

– Stephen Hawking

„[Podróże w czasie] stoją w sprzeczności ze zdrowym rozsądkiem”

– powiedział Filby.

„Z jakim zdrowym rozsądkiem?” – zapytał Podróżnik w Czasie.

– H.G. Wells

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 13

Wszechświaty równoległe

– Ale czy pan naprawdę uważa – powiedział Piotr – że mogą być jakieś inne światy, w tym miejscu, tuż koło nas, takie jak ten?

– Nie ma nic bardziej prawdopodobnego – odpowiedział Profesor, zdejmując okulary. Zabrał się do ich czyszczenia, mrucząc do siebie: – Jestem ciekaw, czego oni ich uczą w tych szkołach 3.

– C.S. Lewis, Lew, czarownica i stara szafa

[…] lecz słuchaj; jest śliczny, piekielnie dobry wszechświat tuż obok; chodź z nami 4.

– e.e. cummings

Dostępne w pełnej wersji

3 C.S. Lewis, Opowieści z Narnii: Lew, Czarownica i stara szafa, przeł. A. Polkowski, Media Rodzina, Poznań 2008, s. 33 (przyp. tłum.).

4 e.e. cummings, Litość to ruchliwe monstrum, przeł. S. Barańczak, w: Wybór wierszy, PIW, Warszawa 1985 (przyp. tłum.).

CZĘŚĆ III

NIEMOŻLIWOŚCI TYPU III

ROZDZIAŁ 14

Perpetuum mobile

Teorie przechodzą przez cztery stadia akceptacji:

i. to całkowicie bezwartościowa bzdura;

ii. to ciekawe, ale dziwaczne;

iii. to prawda, ale to zupełnie nieistotne;

iv. zawsze tak twierdziłem.

– J.B.S. Haldane, 1965

Dostępne w pełnej wersji

ROZDZIAŁ 15

Prekognicja

Paradoks to prawda, która stanęła na głowie,

żeby zwrócić na siebie uwagę.

– Nicholas Falletta

Dostępne w pełnej wersji

EPILOG

Przyszłość rzeczy niemożliwych

Nie ma nic tak wielkiego ani tak szalonego, aby jedno pośród miliona rozwiniętych technicznie społeczeństw nie poczuło potrzeby realizacji takiego działania, jeżeli jest ono tylko fizycznie możliwe.

– Freeman Dyson

Przeznaczenie nie jest kwestią przypadku – jest kwestią wyboru. Nie jest czymś, na co należy czekać – to coś, co trzeba osiągnąć.

– William Jennings Bryan

Dostępne w pełnej wersji

Bibliografia

Dostępne w pełnej wersji