Magiczna materia. Sekrety fizyki, chaos i kryształy ebook

I. Brudna fizyka

Wspinając się w zimnej i ciemnej jaskini, czarodziejka Veryan wyszeptała do swojego kryształu dobrze znane jej zaklęcie. Wykonując jednocześnie głęboki wydech, jak gdyby chciała sprawić, by nasionka dmuchawca uniosły się w powietrze, wyzwoliła z niego oślepiające czerwone światło, które ukazało porośnięte mchem skały wokół niej.

Po pewnym czasie dotarła do wejścia zagrodzonego ogromnymi drewnianymi odrzwiami, wzmocnionymi szerokimi żelaznymi sztabami. W jaskrawym świetle kryształu odszukała uchwyt, gruby pierścień z czarnego żelaza. Pociągnęła za niego, lecz drzwi ani drgnęły. Znalazłszy krawędź drewnianego obramowania, wcisnęła palce w wąską szczelinę między drzwiami a framugą i natrafiła na zasuwę wykonaną z takiego samego żelaza co uchwyt.

Ponownie przemówiła wyćwiczonym, cichym tonem do kryształu, który stopniowo przygasł. Po kilku sekundach znów zapanowała zupełna ciemność. Stanąwszy przed zasuwą, położyła kryształ płasko na dłoni i podsunęła go drzwiom niczym trawę koniowi. Po wypowiedzeniu kilku sylab pradawnego języka, tym razem wyraźnie wyartykułowanych, światło rozbłysło ponownie jako intensywny czerwony żar tworzący skupioną, wąską wiązkę. Wniknąwszy w szczelinę, strumień światła przeciął zasuwę, pozostawiając po sobie czerwonopomarańczową poświatę roztopionego żelaza, a w powietrzu rozeszła się zjadliwa woń kuźni. Światło zgasło równie szybko, jak się pojawiło. Raz jeszcze pociągnęła z wysiłkiem za pierścień i drzwi się otworzyły. Gdy to się stało, przez poszerzającą się szczelinę z suchych kamiennych schodów po drugiej stronie zaczęły przenikać światło i życie. Teraz mogła przystąpić do wykonania swojego zadania.

•

W tej książce ujawnię wam tajniki sztuki czarodziejskiej oraz powiem, jak i wy możecie się nauczyć je wykorzystywać. Jest to również historia magii traktująca o tym, jak poprzez obserwację świata czarodzieje wynajdowali rzucane przez siebie zaklęcia — i jak współcześni czarodzieje wciąż opracowują nowe magiczne sposoby, przeobrażając świat na naszych oczach. Współczesna magia to fizyka, a tajemna wiedza czarodziejów to fizyka materii skondensowanej. Zanim omówimy, co oznaczają te nazwy, musicie zrozumieć zawarte w tej książce ostrzeżenie. Gdy już nauczycie się rzucać zaklęcie, jego efekt przestanie wydawać wam się magiczny. Stanie się czymś przyziemnym. Codziennym. Nudnym. Taki jest koszt opanowania wiedzy magicznej. Potrzeba wiele praktyki, a także cierpliwości, aby odzyskać poczucie zdumienia, które mieliście, gdy magię pokazywał wam ktoś inny. Przez większość dziejów — a nawet za żywej pamięci — historyjka, którą właśnie przeczytaliście, bez wątpienia byłaby wytworem fantazji. Jeśli możecie wyjąć z kieszeni kryształ zdolny rozświetlić jaskinię na wasze żądanie, to w grę musi wchodzić magia, a wy z pewnością jesteście czarodziejami. Tymczasem w dzisiejszych czasach takie działanie da się wyjaśnić zgoła prozaicznie — LED, dioda elektroluminescencyjna, jest kryształem i przepuszczając przez nią prąd, można spowodować, że zacznie świecić za jednym naciśnięciem przełącznika. Dioda laserowa, również kryształ, wytwarza wiązkę intensywnego światła, która po skupieniu jest w stanie przeciąć lity metal. Teraz prawdopodobnie czujecie się oszukani. Latarka LED nie ma w sobie żadnej magii. Jej świecenie jest czymś banalnym! Magia wymaga pewnej dozy niezrozumiałości i tajemniczości. Latarki LED uważamy za banalne, ponieważ są nam dobrze znane i na takim czy innym poziomie rozumiemy, na jakiej zasadzie działają. Natomiast gdybyśmy pokazali taką latarkę człowiekowi żyjącemu w średniowieczu, z pewnością pomyślałby, że ma do czynienia z przedmiotem magicznym, bo nie miałby bladego pojęcia o zastosowanej technologii. Dysponując odpowiednią ilością czasu, można by mu było ją objaśnić. Gdybyśmy to zrobili i posiadłby on dostateczną wiedzę na jej temat, przestałaby mu się wydawać magiczna. Ale czy faktycznie utraciłaby swoją aurę magiczności? A może to tylko wrażenie?

Dostrzeżenie magii w tym, co jest dobrze znane, wymaga wysiłku, lecz ona bez wątpienia tam jest. Fizyka to program racjonalizacji i zrozumienia świata. Wiele rzeczy, które kiedyś uchodziły za magiczne, teraz jest rutyną. Jednak nasze zrozumienie rozwija się stopniowo dzięki istniejącej wiedzy. Dowcip może nas śmieszyć zawsze, ale można go „załapać” tylko raz. Zrozumienie dowcipu pozwala jednak zaprezentować go w szerszym gronie. Jeśli mamy umiejętność opowiadania i odrobinę szczęścia, żart wywrze na innych taki sam efekt, jak kiedyś na nas. Podobnie jest z magią. Sekretem uczenia się magii świata — uczenia się fizyki — jest nieustanne śmianie się z kosmicznego żartu. Jest to różnica między oglądaniem magika wykonującego sztuczkę a poznaniem wyjaśnienia tej sztuczki. Sądzę, że kiedy pierwszy raz spotkacie się z niektórymi ideami zawartymi w tej książce, mogą one wywołać w was wrażenie magii. Mam jednak nadzieję, że po jej przeczytaniu zrozumiecie, skąd się one wzięły, i zaczną się wam wydawać bardziej naturalne. Być może wówczas będziecie musieli się nieco wysilić, aby zachować początkowe poczucie magii, lecz nauczywszy się zaklęcia, możecie je wykorzystać z korzyścią dla innych.

Reguły czarodziejskiego rzemiosła

Teraz, gdy już was przestrzegłem, porozmawiajmy o czarodziejach. Mówiąc o czarodziejach, mam na myśli czarodziejów w klasycznym sensie. Ludzi, którzy uprawiają magięi. Powiedziałbym, że cechy definiujące czarodzieja są mniej więcej takie jak poniżej. Możemy je nazwać regułami czarodziejskiego rzemiosła:

1. Czarodziej bada świat.

2. Czarodziej ma świadomość, że jest częścią świata, który bada.

3. Ta świadomość pozwala mu dostrzegać ukryte prawidłowości i powiązania, których inni nie widzą.

4. Wiedza czarodzieja ma charakter praktyczny i bezpośredni.

5. Jeśli czarodziej zmienia świat, dba o to, by były to zmiany na lepsze (patrz reguła 2).

Niekiedy dociekania czarodzieja mają charakter akademicki, tak jak robili to Harry i Hermiona w Hogwarcie. Innym razem są cichą kontemplacją, jak w przypadku Reya lub Yody w Gwiezdnych wojnach, mędrców w klasycznych tekstach taoistycznych, takich jak Zhuangzi, bądź mistrzów sztuk walki, jak Katara i Aang w epickim serialu telewizyjnym Awatar: legenda Aanga. Często przybierają one formę odkrywania i doświadczania świata, jak w przypadku Gandalfa we Władcy pierścieni, Morgany i Merlina w legendach arturiańskich oraz Tenara i Geda w klasycznym cyklu powieściowym Ursuli K. LeGuin o Ziemiomorzu. W wielu współczesnych wcieleniach czarodziej jest nadnaturalnie uzdolnionym naukowcem. Osiągnięcia Doca Browna w Powrocie do przyszłości, Ricka w Ricku i Mortym czy Doktora Who są przedstawiane jako naukowe, lecz ich technologia tak dalece wykracza poza doświadczenia innych postaci i widzów, że bardziej przypomina magię. Oczywiste jest, że reguły czarodziejskiego rzemiosła niejawnie zakładają inną ważną regułę — regułę kontestacji:

Czarodziej rozumie, że zasady są po to, by je łamać.

Spójrzcie jeszcze raz na powyższe pięć i pół reguły czarodziejskiego rzemiosła i zastąpcie słowo „czarodziej” słowem „naukowiec”. Doskonale to pasuje, prawda? James George Frazer w swoim dziele traktującym o praktykach magicznych Złota gałąź ujął to poetycko:

Magia, podobnie jak nauka, postuluje porządek i jednolitość przyrody; stąd bierze się atrakcyjność zarówno magii, jak i nauki, które otwierają bezgraniczną perspektywę dla tych, którzy potrafią przeniknąć do tajemnych źródeł przyrody.

Te słowa Frazera łączą magię i naukę. Ale czarodziejstwo jest szczególnym rodzajem magii; szczególnym rodzajem nauki. Nauka ta nosi nazwę fizyki materii skondensowanej.

Magia adekwatnych nazw

Zoologia to nauka o zwierzętach. Botanika to nauka o roślinach. A czym zajmuje się fizyka? Jej wywodząca się ze starożytnej greki nazwa, τὰ φυσικά, oznacza „rzeczy naturalne” i została zaczerpnięta z tytułu dzieł zebranych Arystotelesa dotyczących świata fizycznego. To nie określa jej zbyt precyzyjnie. Być może najlepiej powiedzieć, że fizyka jest definiowana nie tyle przez zakres badanych zjawisk, ile raczej przez charakterystyczne podejście i zestaw używanych narzędzi. Generalnie rzecz biorąc, narzędzia te dzielą się na trzy kategorie. Fizyk zwykle specjalizuje się tylko w jednej z nich, jakkolwiek dopiero zastosowanie wszystkich trzech razem pozwala uzyskać pożądaną wiedzę o rzeczach naturalnych.

Wspomniane trzy kategorie narzędzi to eksperyment, metody numeryczne i teoria. Fizycy doświadczalni — eksperymentatorzy — przeprowadzają praktyczne testy, aby się dowiedzieć, jak zachowuje się świat. Niezależnie od tego, jak egzotyczne i nieoczywiste są nasze teorie naukowe, zawsze muszą prowadzić do możliwych do weryfikacji przewidywań. Można je potwierdzić lub sfalsyfikować poprzez obserwację — czarodzieje nie wymyślają zaklęć, lecz się ich uczą. I gdy nasze fikcyjne opisy czarodziejów dają nam wgląd w ten proces uczenia się, okazuje się, że niezmiennie odbywa się to poprzez obserwację świata jako takiego. Na przykład w Avatarze niektóre jednostki mają wrodzony magiczny wpływ na wodę, którego ich przodkowie nauczyli się, obserwując wpływ księżyca na pływy.

Z kolei fizycy numeryczni — numerycy — tworzą i testują komputerowe symulacje świata. Symulacje mogą być przeprowadzane w bardziej kontrolowanych warunkach i powtarzane częściej aniżeli eksperymenty dokonywane w rzeczywistości. Warunkiem jest, by numerycy wiedzieli, że ich symulacja ma wszystkie istotne właściwości prawdziwego eksperymentu.

Fizycy teoretyczni — teoretycy — również pracują z modelami rzeczywistości. Jednak podczas gdy numerycy na ogół preferują jak najdokładniejsze symulacje, teoretycy zazwyczaj szukają najprostszego modelu, który oddawałby istotę zjawiska. Teoretyk musi się nauczyć docierać do samego sedna rzeczy; ten właśnie proces niewątpliwie leży u podstaw całej magii.

Ja jestem teoretykiem, choć ściśle współpracuję również z eksperymentatorami i numerykami. Ten przewodnik po nowoczesnej sztuce czarodziejskiej będzie prezentował perspektywę fizyka teoretycznego — częściowo dlatego, że jest to moja własna perspektywa, a po części dlatego, że naturą książki takiej jak ta jest sprowadzanie złożonych wizji do tego, co w nich najważniejsze. Teoretycy konstruują analogie; coś na kształt narracji. Ale jak powiedział mi kiedyś zaprzyjaźniony teoretyk, dr Jans Henke, modele matematyczne są najpotężniejszym rodzajem analogii, ponieważ nie tylko odnoszą się do znanych przypadków, lecz pozwalają nam również szczegółowo określić, co będzie się działo w nowych, nierozpoznanych jeszcze sytuacjach. Eksperymentatorzy mogą następnie przetestować te zjawiska, aby ocenić, czy przebiegają one zgodnie z przewidywaniami modelu. Często obserwacja eksperymentalna pojawia się pierwsza, a narracja jest osnuwana wokół niej. Przypuśćmy, że przewidywania modelu są weryfikowane eksperymentalnie w powtarzalny, kontrolowany sposób, co daje podstawy do przypuszczenia, że proste elementy, które weszły w skład modelu, uchwyciły istotę zjawiska. Fizyka często zbliża się do matematyki; różnica tkwi w luce pomiędzy modelem matematycznym — odznaczającym się doskonałością i w pełni przewidywalnym — a rzeczywistością, nieuporządkowanym światem, który nas otacza. Fizyka teoretyczna to tworzenie opowieści, które sprawiają, że model matematyczny staje się bardziej intuicyjny.

Praca teoretyka zawsze kojarzyła mi się z magią imion. Od starożytnego Egiptu po współczesną kulturę hakerską utrzymuje się przekonanie, że poznanie prawdziwego imienia czegoś daje nam nad tym władzę. Cykl książek o Ziemiomorzu Ursuli K. LeGuin, o których mówi się, że są pierwszymi powieściami, w których czarodziej jest głównym bohaterem, a nie postacią drugoplanową, stanowi świetny przykład z gatunku fantasy. W świecie Ziemiomorza czarodzieje uzyskują swoje magiczne moce, wsłuchując się w świat i poznając prawdziwe imiona rzeczy. Nazwy, których używamy na co dzień w odniesieniu do rzeczy, to po prostu etykiety, którymi je opatrujemy, aby móc o nich rozmawiać z innymi ludźmi. W Ziemiomorzu noszą one miano nazw użytkowych, niemniej wszystko ma również swoją prawdziwą nazwę, która należy do języka tworzenia. Powiedziano nam na przykład, że prawdziwa nazwa kamyka to „tolk”. Gdy mówimy komuś nazwę użytkową czegoś, tracimy część znaczenia. Gdy mówię „kamyk”, wyczarowuję w głowie pewne skojarzenia, których inni ludzie nie mają. Moja narzeczona, Dominique, wyjaśniła mi to w następujący sposób. Gdybyśmy użyli prawdziwej nazwy czegoś, to z definicji nic nie mogłoby zagubić się w tłumaczeniu; każdy równie doskonale zrozumiałby, o co chodzi. Naturalne jest zatem skojarzenie prawdziwych nazw ze sztuką czarodziejską. Jak można zagwarantować idealne zrozumienie, skoro danej rzeczy nie mamy przed sobą? Gdy mówię „kamyk”, mogę się odnosić do jakiejś bardziej ogólnej właściwości wspólnej dla wszystkich kamyków. Aby jednak wypowiedzieć nazwę „tolk”, muszę najpierw pojąć samą istotę kamyka.

Ludzie również mogą mieć prawdziwe imiona. W serii komiksowej Niewidzialni ten, kto zostaje czarodziejem, musi obrać sobie magiczne imię. Poważnie przestrzega się przed lekkomyślnym wyborem imienia, ponieważ imię kształtuje ich osobowość. Mam przyjaciela wyznającego religię, w której przy nadawaniu imion dzieciom należy się skonsultować z kapłanem. Uważa się, że ma on mistyczny dar wniknięcia w istotę dziecka i nada mu odpowiednie imię. Ów kapłan następnie nadaje kolejne imiona, w miarę jak dana osoba zmienia się na przestrzeni swojego życia. To prawda, że imiona mogą wyznaczać elementy czyjegoś życia. Moje imię, Felix Flicker, jest absurdalne i wymaga uwagi; nie mogę przestać się zastanawiać, czy zinternalizowałem te cechy. Efekt może być jednak poważniejszy. Przeprowadzone w 2012 roku badanie wykazało, że przy rozpatrywaniu identycznych podań o posadę naukową gorzej oceniano podanie, gdy występowało w nim imię żeńskie, niż wtedy, gdy było to imię męskie, ponadto proponowano znacznie niższe wynagrodzenie1. Nawet w naszym świecie imię jest czymś więcej niż arbitralną etykietą.

Teoretycy badają modele rzeczy, a nie rzeczy same w sobie. Powiedzmy, że pewnego dnia jakaś teoretyczka upuszcza kryształową kulę na schodach swojej wieży z kości słoniowej. Chroniona przez potężną magię kula nie ulegnie rozbiciu. Teoretyczka musi jednak wiedzieć, kiedy kula stoczy się na sam dół, żeby wezwać orła, który podniesie ją we właściwym momencieii. W mgnieniu oka postanawia wykorzystać prawa dynamiki Newtona do skonstruowania równania matematycznego modelującego staczanie się kuli. Nie będzie jednak próbowała uchwycić wszystkich szczegółów fizycznej sytuacji. Prawdopodobnie przyjmie, że schody są pozbawione tarcia; prawdopodobnie pominie opór powietrza; prawdopodobnie nie uwzględni delikatnych podmuchów wiatru, które mogą wystąpić, lecz nie da się ich żadną miarą przewidzieć. Nasza teoretyczka ma nadzieję, że wynik — który jest w stanie precyzyjnie obliczyć w ramach swojego modelu — odnosi się do rzeczywistości, w której się znalazła, upuszczając kulę. Kryształowa kula to nazwa użytkowa — oznaczająca tę konkretną kulę — podczas gdy model matematyczny to nazwa prawdziwa, doskonała i nieskażona rzeczywistością. Kiedy już pojmiemy jakiś fragment matematyki, rozumiemy go dokładnie w taki sam sposób jak każdy inny, kto go rozumie, niezależnie od tego, jakim językiem mówi. Dwa plus dwa równa się cztery, niezależnie od tego, jak to zapiszemy słowami. Nie ma żadnego przybliżenia w modelu jako takim; przybliżenie pojawia się przy przejściu od modelu do rzeczywistości. Rodzi to wiele filozoficznych debat dotyczących kwestii, czy model „istnieje”. Jeśli odpowiedź jest pozytywna, to przypuszczenie, że poprzez zrozumienie modelu wyczarowujemy jego istnienie, nie jest bynajmniej przesadą. Aby postrzegać świat jako fizyk teoretyczny, musisz się nauczyć wsłuchiwać w prawdziwe nazwy rzeczy — nauczyć się wyczarowywać doskonałe modele matematyczne. Cała sztuka polega na wyborze najprostszych modeli, które uchwycą istotę badanej rzeczy. Ta prostota jest ważna; odwzorowanie w skali 1:1 byłoby całkowicie wierne, a zarazem zupełnie bezużyteczne, ponieważ niczego by nie upraszczało.

Fizyka to zestaw narzędzi, które można zastosować do wszystkiego, od niewidzialnie małego do niezmierzenie dużego. Jednakże czarodziej koncentruje się na tym, co bardziej konkretne, z czym mamy do czynienia tu i teraz. Pomiędzy skrajnościami znajduje się sfera pośrednia — znajomy świat, który zamieszkujemy.

Sfera pośrednia rządzi się własnymi prawami

Wszystkie dyscypliny fizyki zajmują się dość magicznymi rzeczami. Kosmolodzy badają powstanie i ewolucję wszechświata, jak również przewidują jego przyszłość. Astrofizycy próbują zarejestrować fale grawitacyjne, by usłyszeć zderzające się czarne dziury. Fizycy wysokich energii pobudzają pola kwantowe do wykreowania cząstek elementarnych, których dotąd nie wykryto. W obu przypadkach jest to fascynująca magia, której poświęcono wiele znakomitych książek. Wszakże pomiędzy mikrokosmosem kwantowym a makrokosmosem wszechświata znajduje się sfera pośrednia. Jest ona nie mniej magiczna, lecz jej magia przybiera inną — dobrze nam na co dzień znaną — formę i jako taka nie staje się na ogół przedmiotem popularnych książek. Tymczasem jest to najobszerniejszy dział fizyki, uprawiany przez mniej więcej jedną trzecią fizyków.

Badaniem sfery pośredniej zajmuje się fizyka materii skondensowanej. Jest to fizyka rzeczy, które widzimy wokół siebie — materii, której kawałki możemy trzymać w dłoni — i ich opisu, aż do poziomu kwantowego, z którego się wyłaniają. Wolfgang Pauli, jeden z twórców mechaniki kwantowej, słynął z lekceważącego określania fizyki materii skondensowanej mianem Schmutzphysik (brudna fizyka). To adekwatna nazwa do sztuki czarodziejskiej.

Myślę, że prawdą jest stwierdzenie, iż fizyka materii skondensowanej jest najbliżej spokrewniona z fizyką wysokich energii. Ważne jest, aby zrozumieć podobieństwa i różnice między tymi dyscyplinami. Fizyka wysokich energii zajmuje się badaniem cząstek elementarnych — elektronów, protonów i tak dalej; rozsądna definicja może brzmieć mniej więcej tak:

Cząstka elementarna może istnieć samodzielnie w próżni kosmicznej i nie może być zredukowana do innych rzeczy o tej właściwości.

Elektron spełnia te kryteria. Atom jednak nie, bo choć może istnieć samodzielnie, składa się z innych rzeczy (elektronów, protonów i neutronów), które posiadają tę właściwość. Protony jako takie składają się z trzech kwarków; lecz kwarki nie mogą istnieć jako odrębne cząstki, a zatem w myśl powyższej definicji również nie są elementarne.

Otóż fizyka materii skondensowanej zajmuje się badaniem tego, co powstaje w wyniku interakcji wielu cząstek elementarnych. Skoro tak jest, to czy w gruncie rzeczy nie sprowadza się ona do fizyki wysokich energii? W tej książce postaram się was przekonać, że odpowiedź brzmi „nie”. Gdyby fizyka materii skondensowanej miała własny slogan, to brzmiałby on następująco:

Całość to coś więcej niż prosta suma części.

Bodaj najważniejszym potwierdzeniem tego jest zachowanie się cząstek wewnątrz materii — moim zdaniem to główny aspekt aspekt magicznego spektaklu rzeczywistości. Gdy elektron mknie w próżni kosmicznej, ma określoną masę, ładunek i pole magnetyczne (zwane spinem). Te parametry jednoznacznie definiują go jako elektron, a wszystkie elektrony są do siebie podobne. Jeśli elektron znajdzie się w obrębie materii, wchodzi w interakcję z innymi składającymi się na nią cząstkami zgodnie z prawami mechaniki kwantowej. Sprawia to, że zmieniają się jego właściwości; a ponieważ wszystkie elektrony mają taką samą masę, nie może już być elektronem. W rzeczy samej nie jest już nawet cząstką elementarną, przekształciwszy się w „emergentną kwazicząstkę” — całość, która jest czymś więcej niż sumą jej części.

Aby unaocznić, jak to się dzieje, przeformułuję elegancką analogię wymyśloną przez profesora Davida J. Millera w celu wyjaśnienia zachowania szczególnej cząstki elementarnej — bozonu Higgsa. Miller przyznał, że zapożyczył główny pomysł z fizyki materii skondensowanej, więc sądzę, że nie będzie miał nic przeciwko krótkotrwałej pożyczce zwrotnej. Wyobraźmy sobie, że liczna grupa zagorzałych łowców duchów zgromadziła się w zdewastowanej sali balowej nawiedzonej rezydencji, nie zdając sobie sprawy z obecności ubranej w kryzę zjawy, która ochoczo sunie korytarzem, trzymając swą uciętą głowę pod pachą. Duch pojawia się w sali balowej i nagle wszystkie oczy (i prymitywne urządzenia pomiarowe) skupiają się na nim. Tłum, wcześniej rozproszony, tłoczy się wokół niego. Na nieszczęście dla ducha należy on do gatunku duchów znanych z Północy w tajemniczym ogrodzie Philippy Pearce, niepotrafiących bez wysiłku przenikać przez ludzi. Tempo jego przemieszczania się radykalnie spada, gdy musi przepychać się przez tłum łowców duchów zawiedzionych tym, że nie udaje się im go uchwycić na fotografii. Masa ducha wzrosła w tym sensie, że potrzeba większej siły, aby go przyspieszyć, niż wtedy, gdy przechadzał się sam po korytarzach — teraz otacza go tłum, który również musi zostać przesunięty. Aby nieco przybliżyć analogię do realiów osobliwego świata kwantów, możemy sobie wyobrazić, że mamy do czynienia z typem ducha z filmu Szalona wyprawa Billa i Teda — zamiast przepychać się przez tłum, przeskakuje między ludźmi, opętując kolejno ich ciała. I w tym przypadku traci prędkość, efektywnie zyskując masę, lecz teraz w sali balowej nie ma nic, co przypominałoby pierwotnego ducha; dopiero po wydostaniu się na werandę pojawia się ponownie w swojej oryginalnej postaci. Kiedy elektron znajduje się wewnątrz materii, ulega przeobrażeniu, ale po jej opuszczeniu powraca do bycia cząstką elementarną.

Inne powstające na krótko kwazicząstki nie mają precedensu w świecie cząstek elementarnych. Na przykład, podczas gdy światło jest przenoszone przez cząstki elementarne zwane fotonami, dźwięk nie może być opisany w kategoriach cząstek elementarnych, ponieważ nie może istnieć w próżni kosmicznej. Będąc wibracją, wymaga ośrodka, w którym może się propagować. Może jednak przemieszczać się przez materię — a kiedy to robi, może być również opisany przez emergentne kwazicząstki, znane jako fononyiii. Ponownie odwołując się do analogii Millera, tym razem łowca duchów po prostu wyobraża sobie, że „poczuł czyjąś obecność”, i mówi o tym osobie stojącej obok. Jej sąsiad podsłuchuje i nachyla się ku niej, a wkrótce wieść o tym rozchodzi się po sali. Tam, gdzie dotrze, ludzie tłoczą się, jak gdyby był tam duch, choć go nie ma. To skupisko zachowuje się jak obiekt z masą, przeciwstawiając się wszelkiej zmianie swojego ruchu, tak jak czyni to fonon. Materia, która nie zawiera żadnych cząstek elementarnych, może być traktowana jako wersja próżni kosmicznej, będąca odpowiednikiem ciała stałego — w końcu próżnia to po prostu brak cząstek elementarnych. Fonony są tego najlepszym przykładem. Można je pojmować jako drgania atomów w krysztale; gdy kryształ zostanie schłodzony, atomy drgają mniej i fonony znikają. Gdy nie ma już żadnych fononów, kryształ znajduje się w najniższym stanie energetycznym, zwanym „stanem podstawowym”. Gdybyście przemówili do kryształu cichym, wystudiowanym głosem, nadalibyście mu energię, powodując wibracje jego atomów i wyczarowując fonony. Uzasadnia to następującą definicję:

Emergentna kwazicząstka może istnieć samodzielnie ponad stanem podstawowym materiału i nie może być zredukowana do niczego innego mającego tę właściwość.

Emergentne kwazicząstki nie mogą być zredukowane do cząstek elementarnych bez utraty istotnej części opisu — pomyślcie o ludziach tłoczących się, aby usłyszeć wieść o duchu. To prawda, że wszystko można opisać w kategoriach poszczególnych łowców duchów, lecz tym samym nie widzielibyśmy szerszego obrazu. To jest sedno „emergencji” — koncepcji, zgodnie z którą całość może być czymś więcej niż sumą jej części: tłum ma właściwości, takie jak przemieszczające się miejsca ścisku, niebędące właściwościami jednostek wchodzących w jego skład. W fizyce materii skondensowanej jednostkami będą zazwyczaj atomy i cząstki elementarne, a emergentnymi właściwościami — zachowanie się materii w dużej skali, rozumiane w kategoriach powstających kwazicząstek.

Kwazicząstki są unikatowe dla fizyki materii skondensowanej. Wiele osób ma oniryczne wrażenie nierealnego cudu: fonony można zmierzyć w eksperymentach — lecz jeśli będziemy szukać ich na poziomie cząstek elementarnych, niczego tam nie znajdziemy. Są to po prostu kolektywne wibracje atomów.

Z tego względu można ulec pokusie odrzucenia kwazicząstek jako mniej „realnych” niż cząstki elementarne, z których się wyłoniły. Ale spójrzmy na to w ten sposób, że uważamy otaczający nas świat — sferę środkową — za realny, natomiast świat kwantowy, z którego się on wyłania, za pełen mistycznych czarów-marów. Jednak nasz znajomy świat unika kwantowego wariactwa tylko dlatego, że jest emergentny. Odrzucenie realności kwazicząstek jest równoznaczne z odrzuceniem realności codziennej egzystencji. Nie ma cząstki elementarnej, która przenosiłaby dźwięk, a jednak jesteśmy w stanie usłyszeć z oddali pohukiwanie sów w pobliskim lesie.

Sowy nie są tym, czym się wydają

Fizyków teoretycznych można znaleźć we wszystkich gałęziach fizyki, a ich zadanie polega na sprowadzaniu rzeczywistości do jej głębszej istoty. Ale to sprowadzanie może przybierać różne formy. Fizycy wysokich energii próbują zidentyfikować poszczególne elementy składowe wszechświata — najmniejsze ruchome części rzeczywistości. Program ten odniósł fenomenalny sukces, którego kulminacją jest model standardowy, wyjaśniający wszystkie znane cząstki elementarne. Być może ostatecznym celem tych poszukiwań jest teoria wszystkiego, która dodałaby ostatni brakujący element do modelu standardowego — grawitację. Gdyby teoria ta została znaleziona, uwzględniałaby wszystkie oddziaływania występujące w przyrodzie. Wyjaśniałaby ciemną materię i ciemną energię, a także zawierałaby klucz do zrozumienia losów wszechświata. Zapewne jednak dostrzegacie, że w gruncie rzeczy nie byłaby to teoria wszystkiego. W istocie nie opisywałaby niczego, czego doświadczamy na co dzień. Byłaby to teoria wszystkich cząstek elementarnych i ich wzajemnych oddziaływań, lecz nie byłaby to teoria, powiedzmy, sów.

Nie ma elementarnej cząstki sowy, ale jesteśmy przekonani, że sowy istnieją. Składają się one z wielu typów atomów. Każdy atom składa się z protonów, neutronów i elektronów. Nie są one zatem elementarne, lecz emergentne. Sowy są złożonymi, nieuporządkowanymi zestawami cech, czymś więcej niż suma części, z których się wyłaniają. Te opisy niższego poziomu nie wykluczają się wzajemnie i żaden z nich nie jest błędny jako taki. Nie wyjaśniają one jednak szponów sowy, jej pohukiwania, dzioba czy też powszechnego skojarzenia z magią.

Fizyka materii skondensowanej nie zajmuje się badaniem sów (przynajmniej na razie). Bada jednak to, co wyłania się, gdy wiele rzeczy wchodzi w interakcje, i to właśnie odróżnia sferę środkową od świata mikroskopowego. Znane powiedzenie mówi, że co dwie głowy to nie jedna. Rzadziej obserwuje się, że dwie głowy są więcej niż dwukrotnie lepsze niż jedna — dodatkowy bonus to emergencja. A kiedy bardzo wiele cząstek skupi się razem, tworząc bryłę materii, mogą się wyłonić całe nowe światy.

W tej książce zadaję pytanie, jaką formę mogą przybrać te nowe światy. Gdybyśmy sprowadzili to zagadnienie do jego istoty, uzyskana esencja dostarczyłaby odpowiedzi na pytanie, czym jest materia.

Istnieje wiele sposobów na zrozumienie tej odpowiedzi i w każdym rozdziale zaprezentuję odmienne, lecz komplementarne podejście. Odbędziemy podróż odkrywczą podzieloną na trzy etapy.

 Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

i Celowo nie używam określeń „czarownik/czarownica” ze względu na ich historyczne skojarzenia z prześladowaniami. Termin „czarodziej” ma obejmować adeptów magii wszelkiego autoramentu i pochodzenia.

ii Orły, jak wiemy z Tolkiena, chętnie przychodzą z pomocą w odpowiednim momencie.

iii Niektórzy fizycy wolą nazywać fonony kolektywnymi stanami wzbudzonymi niż kwazicząstkami. Nie będę tu wprowadzał tego rozróżnienia.

Spis treści

Okładka

Strona tytułowa

Strona redakcyjna

I. Brudna fizyka

 Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki