Teoria względności Mikołaja Kopernika ebook

Wpro­wa­dze­nie:Mię­dzy dwiema rocz­ni­cami

Każdy wie, że Ko­per­nik „za­trzy­mał Słońce, a po­ru­szył Zie­mię”, lecz tylko le­piej po­in­for­mo­wani wie­dzą, że był to w grun­cie rze­czy znacz­nie bar­dziej pro­za­iczny za­bieg – za­miana układu od­nie­sie­nia zwią­za­nego z Zie­mią na układ od­nie­sie­nia zwią­zany ze Słoń­cem. Duże osią­gnię­cie, ale żeby aż ko­ja­rzyć je z teo­rią względ­no­ści i przy­pi­sy­wać Ko­per­ni­kowi to, co jest wy­łączną za­sługą Ein­ste­ina? Je­żeli spoj­rzeć na tę sprawę lo­kal­nie, to zna­czy z per­spek­tywy tego, co działo się „w cza­sach Ko­per­nika”, to, istot­nie, nie ma pod­staw, by wią­zać re­wo­lu­cję Ko­per­nika z re­wo­lu­cją Ein­ste­ina. W tam­tych cza­sach, je­żeli w ogóle uży­wano po­ję­cia układ od­nie­sie­nia, to czy­niono to nie wprost i w spo­sób in­tu­icyjny. Ale rzecz w tym, że wiel­kie re­wo­lu­cje na­ukowe z lo­kal­nej per­spek­tywy ni­gdy nie wy­glą­dają jak wiel­kie re­wo­lu­cje na­ukowe. Trzeba do­piero czasu – nie­kiedy wię­cej, nie­kiedy mniej – by do­strzec ich praw­dziwe zna­cze­nie. Każda na­ukowa prze­miana, a tym bar­dziej prze­miana re­wo­lu­cyjna, wy­maga przy­sto­so­wa­nia i prze­ta­so­wa­nia wielu po­jęć. A to nie do­ko­nuje się ła­two. Po­ję­cia mają dużą in­er­cję, są wza­jem­nie po­wią­zane, two­rzą hie­rar­chiczne kon­glo­me­raty. Na­wet nie­wielka zmiana w za­war­to­ści jed­nego po­ję­cia do­maga się ad­ap­ta­cji nie­kiedy wielu po­jęć. Bywa, że cała siatka po­ję­ciowa musi zo­stać prze­or­ga­ni­zo­wana – wów­czas mó­wimy o re­wo­lu­cji na­uko­wej. Hi­sto­ria na­uki po­ka­zuje, że pro­cesy, ja­kie re­wo­lu­cja na­ukowa za­po­cząt­ko­wuje, są żmudne i po­wolne.

Praw­nicy twier­dzą, że „prawo nie działa wstecz”, ale z pra­wami, które rzą­dzą hi­sto­rią na­uki, tak nie jest. Od­kry­cie, które zmie­nia spoj­rze­nie na świat, nie po­wstaje z ni­czego, lecz ma ko­rze­nie w tym, co je po­prze­dzało. Py­ta­nie wy­ła­nia się z sy­tu­acji pro­ble­mo­wej, którą stwo­rzyły do­tych­cza­sowe po­glądy. Bywa i tak, że sy­tu­acja pro­ble­mowa ro­dzi się po ci­chu, nie­zau­wa­żona, lub tylko mgli­ście prze­czu­wana przez współ­cze­snych i do­piero błysk ja­kie­goś ge­niu­szu wy­łu­ska ją spo­śród splotu in­nych za­gad­nień i do­pro­wa­dzi do roz­wią­za­nia. A gdy roz­wią­za­nie uj­rzy już świa­tło dzienne, jest w sta­nie zmie­nić spoj­rze­nie na prze­szłość. Py­ta­nie na­ukowe, które doj­rze­wało w prze­szło­ści, w pełni można zro­zu­mieć do­piero, gdy zna się na nie od­po­wiedź. Z tego wła­śnie po­wodu każde po­ko­le­nie pi­sze od nowa swoją hi­sto­rię. Je­żeli jest to słuszne w hi­sto­rii wo­jen i na­ro­dów, to tym bar­dziej w hi­sto­rii na­uki.

Dla­czego tym bar­dziej? Cho­ciaż hi­sto­ria na­uki bie­rze udział w ogól­nej hi­sto­rii, jest z nią splą­tana od po­czątku do końca (co rzadko do­strze­gają za­wo­dowi hi­sto­rycy), po­siada jed­nak ce­chę, któ­rej ogólna hi­sto­ria jest po­zba­wiona, od­zna­cza się mia­no­wi­cie pewną we­wnętrzną lo­giką, która na­kłada dość ry­go­ry­styczne ogra­ni­cze­nia na to, co może się zda­rzyć. Teo­rie na­ukowe są ze sobą po­wią­zane róż­nymi związ­kami wy­ni­ka­nia, jedne wa­run­kują dru­gie, lub jedne blo­kują drogę ku in­nym, są przede wszyst­kim ogra­ni­czone do­stęp­nymi na­rzę­dziami za­równo ma­te­ma­tycz­nymi, jak i tech­no­lo­gicz­nymi. Ro­do­wody obu tych ro­dza­jów na­rzę­dzi także są wple­cione w hi­sto­rie na­uko­wych teo­rii. Na przy­kład ra­chu­nek róż­nicz­kowy nie mógł być wy­na­le­ziony przed ele­men­tarną ma­te­ma­tyką, a ogólna teo­ria względ­no­ści przed geo­me­trią róż­nicz­kową. We­wnętrzna lo­gika na­uki jest uwi­kłana w przy­god­no­ści ludz­kich hi­sto­rii: wojny, cho­roby, za­wi­ści, kry­zysy eko­no­miczne... Wszystko to spra­wia, że łań­cu­chy wy­ni­kań, lub in­nych za­leż­no­ści po­mię­dzy od­kry­ciami, mogą zo­stać prze­rwane i długo cze­kać na oko­licz­no­ści, które po­zwolą oży­wić je na nowo. Nie zna­czy to, że w hi­sto­rii na­uki nie po­ja­wiają się cał­kiem nowe idee, ale każda nowa idea, na­wet naj­bar­dziej nie­spo­dzie­wana, ro­dzi się z ja­kiejś sy­tu­acji pro­ble­mo­wej, która za­wią­zała się, po­nie­waż coś za­iskrzyło w do­tych­cza­so­wych teo­riach[1].

Wpraw­dzie czujne oko uczo­nego-od­krywcy po­trafi do­strzec sy­tu­ację pro­ble­mową, która ucho­dzi uwagi mniej prze­ni­kli­wym spoj­rze­niom in­nych, ale pełną lo­gikę ciągu od­kryć można po­dzi­wiać do­piero wtedy, gdy nowe od­kry­cie do­brze wpa­suje się w śro­do­wi­sko in­nych na­uko­wych od­kryć. W tej książce sta­ram się spoj­rzeć na dzieło Ka­no­nika z From­borka wła­śnie w ten spo­sób – ko­rzy­sta­jąc z po­ję­cio­wego wy­po­sa­że­nia, ja­kiego do­star­cza współ­cze­sna fi­zyka[2], sta­ram się umie­ścić do­ko­na­nie Ko­per­nika w ciągu Wiel­kich Od­kryć, w któ­rym jest jego wła­ściwe miej­sce. Ciąg ten roz­po­ściera się od Era­to­ste­nesa, który zmie­rzył ob­wód Ziemi i do­sko­nale wie­dział, że lu­dzie na an­ty­po­dach nie cho­dzą do góry no­gami, aż do dzi­siej­szych po­szu­ki­wań kwan­to­wej teo­rii gra­wi­ta­cji. W tym dłu­gim ciągu-pro­ce­sie idea względ­no­ści była jedną z wio­dą­cych idei, a może na­wet po pro­stu ideą wio­dącą, cho­ciaż można to do­strzec do­piero z dzi­siej­szej per­spek­tywy, gdy wy­po­sa­żeni w od­po­wied­nią wie­dzę i na­rzę­dzia je­ste­śmy w sta­nie zre­kon­stru­ować we­wnętrzną lo­gikę ca­łego tego ciągu do­ko­nań. Ko­per­nik nie stwo­rzył teo­rii względ­no­ści, do­ko­nał tylko prze­kształ­ce­nia układu od­nie­sie­nia zwią­za­nego z Zie­mią do układu od­nie­sie­nia zwią­za­nego ze Słoń­cem, i to nie do­ko­nał go w pełni, po­nie­waż nie zdo­łał się jesz­cze uwol­nić od de­fe­ren­tów i epi­cy­kli. Nie­mniej jed­nak był to krok za­sad­ni­czy. Po­wie­dze­nie, że „za­trzy­mał Słońce, a po­ru­szył Zie­mię” jest me­ta­forą, ale me­ta­forą, która do­brze ob­ra­zuje trud­ność dzieła, ja­kiego do­ko­nał: wy­obraźmy so­bie czło­wieka, który go­łymi rę­kami za­trzy­muje Słońce... Do­piero z tej per­spek­tywy wy­raź­nie ry­suje się lo­gika na­stęp­nego kroku: Ke­pler mu­siał już tylko lekko trą­cić Zie­mię, żeby z or­bity ko­ło­wej prze­sko­czyła na elip­tyczną. Do­piero wów­czas wszystko zna­la­zło się na swoim miej­scu. Po­zo­stało już „tylko” do wy­ja­śnie­nia, jaka siła jest za to od­po­wie­dzialna. Zro­bił to New­ton, gdy na­pi­sał: . A opis drogi od New­tona do Ein­ste­ina znaj­duje się w każ­dym pod­ręcz­niku fi­zyki.

Nie chcę przez to po­wie­dzieć, że Ke­pler, i wszy­scy inni po nim, wy­ko­nali mniej­szą pracę niż Ko­per­nik. Wszak Ein­stein i jego na­stępcy po­ru­szyli nie tylko Zie­mię, lecz wszyst­kie ga­lak­tyki, ka­żąc im od­da­lać się od sie­bie z pręd­ko­ściami ro­sną­cymi pro­por­cjo­nal­nie do od­le­gło­ści. Chcę tylko po­wie­dzieć, że Ko­per­nik był nie­zbęd­nym ogni­wem lo­gicz­nym w tym ciągu do­ko­nań, a po­nie­waż ideą spa­ja­jącą wszystko była idea względ­no­ści, mam prawo ciąg ten na­zwać „teo­rią względ­no­ści Mi­ko­łaja Ko­per­nika”.

Książka ta spina dwie Ko­per­ni­kow­skie rocz­nice. W 1973 roku świat na­uki ob­cho­dził pięć­setną rocz­nicę uro­dzin Mi­ko­łaja Ko­per­nika. To wy­da­rze­nie skło­niło mnie wów­czas, by się bli­żej za­jąć jego dzie­łem. Tym bar­dziej, że w tam­tym okre­sie żywo in­te­re­so­wa­łem się fi­lo­zo­fią na­uki i już wtedy zda­wa­łem so­bie sprawę z tego, że fi­lo­zo­fia na­uki upra­wiana w ode­rwa­niu od hi­sto­rii na­uki jest tro­chę sztuką dla sztuki. Dziś, po pięć­dzie­się­ciu la­tach, świat znowu ob­cho­dzi, tym ra­zem pięć­set pięć­dzie­siątą rocz­nicę uro­dzin Ko­per­nika, trudno by­łoby więc nie zaj­rzeć do mo­ich ela­bo­ra­tów z daw­nych lat. Wła­ści­wie przez cały okres mię­dzy tymi rocz­ni­cami Ko­per­nik był obecny w mo­ich za­in­te­re­so­wa­niach. W tam­tych la­tach wielką dys­ku­sję w fi­lo­zo­fii na­uki wy­wo­łał Tho­mas Kuhn swoją książką Struk­tura re­wo­lu­cji na­uko­wych, a dla Kuhna ko­ron­nym przy­kła­dem był prze­wrót ko­per­ni­kow­ski. Przez do­brych kilka de­kad wszystko w fi­lo­zo­fii na­uki krę­ciło się wo­kół Kuhna. Po­świę­ca­łem temu wiele uwagi, ale głów­nym przed­mio­tem mo­ich za­in­te­re­so­wań przez cały ten czas była teo­ria względ­no­ści i ko­smo­lo­gia re­la­ty­wi­styczna, a to pro­wa­dziło mnie do dzie­jów idei względ­no­ści. Tu także Ko­per­nik był obecny. Od za­wsze uwa­ża­łem, a w miarę upły­wa­nia czasu co­raz bar­dziej utwier­dza­łem się w tym prze­ko­na­niu, że łą­cze­nie na­uki i jej hi­sto­rii bar­dzo wzbo­gaca obie te dys­cy­pliny. Owo­cem tego prze­ko­na­nia stała się książka Fi­zyka ru­chu i cza­so­prze­strzeni[3], w któ­rej spró­bo­wa­łem spoj­rzeć okiem wy­po­sa­żo­nym w dzi­siej­sze na­rzę­dzia ma­te­ma­tyczne na dawne teo­rie ru­chu, czasu i prze­strzeni (od Ary­sto­te­lesa do dziś). Gdy tylko prze­tłu­ma­czy­łem je na dzi­siej­szy ję­zyk (było to oczy­wi­ście dość da­leko idącą sty­li­za­cją hi­sto­rii), na­tych­miast w ca­łej oka­za­ło­ści uka­zała się „we­wnętrzna lo­gika” ewo­lu­cji na­uki, o któ­rej pi­sa­łem wy­żej. Ko­lejne teo­rie wy­ni­kały z po­przed­nich nie­mal z ma­te­ma­tyczną ko­niecz­no­ścią. Oczy­wi­ście ideą prze­wod­nią, łą­czącą wszystko w jedną, roz­wi­ja­jącą się w cza­sie, struk­turę, była idea względ­no­ści. To wła­śnie tę struk­turę na­zwa­łem obec­nie „teo­rią względ­no­ści Mi­ko­łaja Ko­per­nika”. Aby ją opi­sać, wy­star­czyło ze­brać swoje daw­niej­sze ar­ty­kuły, od­świe­żyć prze­my­śle­nia, po­pra­wić błędy i nie­do­cią­gnię­cia oraz do­pi­sać to, czego bra­ko­wało, lub co w mię­dzy­cza­sie na­ro­sło[4]. W ten spo­sób po­wstała ta książka.

W tej książce prze­wi­jają się dwa wątki: je­den na­ukowy, drugi fi­lo­zo­ficzno-ide­olo­giczny. Oczy­wi­ście oba zwią­zane są z Ko­per­ni­kiem i z ewo­lu­cją, jaką wy­wo­łał swoim dzie­łem w na­uce i w fi­lo­zo­fii, ale w fi­lo­zo­fii mocno ocie­ra­ją­cej się o ide­olo­gię. Wą­tek na­ukowy to cały ten pro­ces, który na­zwa­łem „teo­rią względ­no­ści Mi­ko­łaja Ko­per­nika”: ewo­lu­cja po­ję­cia względ­no­ści, od pierw­szych, dość pro­stych spo­strze­żeń, po­przez za­trzy­ma­nie Słońca i po­ru­sze­nie Ziemi, aż do za­sady względ­no­ści, jako cen­tral­nej za­sady współ­cze­snej fi­zyki. Wą­tek fi­lo­zo­ficzno-ide­olo­giczny do­ty­czy „miej­sca czło­wieka we wszech­świe­cie”, a ści­ślej tego, jak czło­wiek okre­śla sie­bie w sto­sunku do wszyst­kiego, co go ota­cza, i to w naj­więk­szej skali, czyli w sto­sunku do wszech­świata. W książce sta­ra­łem się te dwa wątki wy­raź­nie od­róż­niać od sie­bie, wła­śnie dla­tego, że w ży­ciu gra­nica mię­dzy nimi jest nie­ostra, a – świa­dome lub nie­świa­dome – wy­ko­rzy­sty­wa­nie tej nie­ostro­ści jest szko­dliwe za­równo dla na­uki, jak i dla zdro­wej fi­lo­zo­fii czło­wieka.

Pierw­sze cztery roz­działy do­ty­czą wątku na­uko­wego. Nie zna­czy to, że nie ma w nich fi­lo­zo­fii. Jest, i to dużo. Prze­cież przez więk­szą część hi­sto­rii na­uki w ogóle nie było róż­nicy po­mię­dzy fi­zyką a fi­lo­zo­fią przy­rody. Ale w tych pierw­szych czte­rech roz­dzia­łach, w imię przej­rzy­sto­ści roz­wa­żań, sta­ram się trzy­mać „ide­olo­gię czło­wieka” na wo­dzy.

Roz­działy pierw­szy i trzeci przed­sta­wiają, tro­chę z róż­nych punk­tów wi­dze­nia, ewo­lu­cję po­ję­cia względ­no­ści od sta­ro­żyt­no­ści do dziś. Do­piero w kon­tek­ście tej ewo­lu­cji dzieło Ko­per­nika na­biera wła­ści­wego zna­cze­nia. Roz­dział drugi nie prze­rywa cią­gło­ści tej hi­sto­rii, lecz ją uzu­peł­nia. To, że Ko­per­nik zaj­muje po­cze­sne miej­sce w dzie­jach po­ję­cia względ­no­ści nie ulega wąt­pli­wo­ści, ale czy sam, w swo­ich po­glą­dach, był re­la­ty­wi­stą, czy nie? A może tylko re­la­ty­wi­stą w pew­nym sen­sie?

Roz­dział czwarty prze­cho­dzi do bar­dziej szcze­gó­ło­wego za­gad­nie­nia, ale na­dal miesz­czą­cego się w ewo­lu­cyj­nym ciągu po­ję­cia względ­no­ści. Po­ję­cie to z na­tury rze­czy wy­maga układu od­nie­sie­nia, wzglę­dem któ­rego coś się okre­śla. W przy­padku Ko­per­nika cho­dzi o to, czy ruch na­leży okre­ślać wzglę­dem Ziemi, czy wzglę­dem Słońca. A może wzglę­dem jesz­cze cze­goś in­nego, na przy­kład środka ga­lak­tyki, uśred­nio­nego roz­kładu ga­lak­tyk...? Czy więc wszystko za­leży od tego, jaki wy­bie­rzemy układ od­nie­sie­nia? Nikt przed­tem nie po­dej­rze­wał, że na­sze spe­ku­la­cje na ten te­mat roz­strzy­gnie po­miar – po­miar ani­zo­tro­pii mi­kro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wa­nia tła.

Roz­dział piąty po­zo­staje jesz­cze w wątku na­uko­wym, ale już pro­wo­kuje do snu­cia re­flek­sji na te­mat „miej­sca czło­wieka”. Za­sada ko­smo­lo­giczna jest w grun­cie rze­czy za­ło­że­niem geo­me­trycz­nym, do­ty­czą­cym sy­me­trii prze­strzeni, ale je­żeli ro­zu­mie się ją jako stwier­dze­nie, iż w prze­strzeni nie ma wy­róż­nio­nych miejsc (i kie­run­ków), to nie­uchron­nie na­suwa py­ta­nie o na­szą prze­cięt­ność we wszech­świe­cie.

Ostat­nie dwa roz­działy to już w pełni wą­tek fi­lo­zo­ficzno-ide­olo­giczny. Czy rze­czy­wi­ście re­wo­lu­cja Ko­per­nika po­zba­wiła czło­wieka jego cen­tral­nego miej­sca we wszech­świe­cie? Czy on je kie­dy­kol­wiek zaj­mo­wał? Czy śre­dnio­wieczny świat był an­tro­po­cen­tryczny, czy teo­cen­tryczny? Do „alie­na­cji czło­wieka” w cza­sach no­wo­żyt­nych przy­czy­niła się nie­wąt­pli­wie me­toda na­uki kla­sycz­nej. „Pod­miot po­zna­jący” zo­stał wy­eli­mi­no­wany z me­tody na­uko­wej, lub le­piej – zo­stał przez nią zre­du­ko­wany do wy­ni­ków po­miaru. Wszyst­kie te pro­cesy znaj­dują od­bi­cie w li­te­ra­tu­rze da­nego okresu. Czy jest szansa na ko­smiczną re­ha­bi­li­ta­cję czło­wieka?

Aż tu na­gle w na­uce dwu­dzie­stego wieku, i to w jej jak naj­bar­dziej zma­te­ma­ty­zo­wa­nej dys­cy­pli­nie – na­uce o wszech­świe­cie, po­ja­wia się miej­sce dla czło­wieka. Wpraw­dzie nie w cen­trum, ale – to może na­wet jesz­cze więk­sze uprzy­wi­le­jo­wa­nie – wśród wa­run­ków po­cząt­ko­wych wszech­świata: mu­siały być one bar­dzo sub­tel­nie ze­stro­jone, żeby przy­naj­mniej na jed­nej pla­ne­cie mo­gła po­ja­wić się istota my­śląca, lub ameba... Nie bądźmy jed­nak aż tak za­ro­zu­miali. Bo je­żeli, na przy­kład, ist­nieje nie­skoń­cze­nie wiele wszech­świa­tów, w któ­rych re­ali­zują się wszyst­kie moż­liwe ze­stawy wa­run­ków po­cząt­ko­wych...? Przy­naj­mniej na jed­nej pla­ne­cie? A je­żeli za­miesz­ka­łych pla­net jest „do­wol­nie wiele”? Gdy ide­olo­gia prze­waża nad me­todą na­ukową, py­tań, na które nie ma od­po­wie­dzi, można sta­wiać do­wol­nie wiele. Jed­nakże na­uka nie stoi w miej­scu, cza­sem na­wet wy­prze­dza na­sze py­ta­nia, a na nie­które z tych, ja­kie już po­sta­wi­li­śmy, znaj­duje za­ska­ku­jące od­po­wie­dzi. Dla­tego przy­goda ludz­ko­ści z na­uką jest tak fa­scy­nu­jąca.

Tar­nów, 14 marca 2023 r.

Przy­pisy