Wszechświat nie jest zegarem

O tym, że nawet najszybsze superkomputery nie potrafią prognozować pogody dalej, niż na kilka dni, wszyscy wiedzą. To, że nawet najlepsi jasnowidze nie potrafią trafnie przewidzieć wyników losowania totolotka, jest często obiektem żartów. A wszystko to dzieje się za sprawą do niedawna nieznanego zjawiska przyrody - chaosu deterministycznego.

Chaos pozostał niezauważony przez kilka wieków, ponieważ jest on wynikiem procesów zwanych nieliniowymi. Rozwiązywanie równań opisujących takie zjawiska jest trudne: wiele z nich nie zostało rozwiązanych do dziś. Fizycy nauczyli sie sprytnie omijać te trudności: jeśli wprowadzić dodatkowe założenia - na przykład rozważać tylko niewielkie ruchy wahadła - można pominąć nieliniowe czynniki, które staja sie wtedy niewielkie i otrzymać w ten sposób, co prawda przybliżone, ale nadające sie do zastosowania w praktyce rozwiązanie. Doszło do tego, ze linearyzacja stała sie działaniem rutynowym; w szkolnych podręcznikach fizyki opisywane są wyłącznie wahadła, wychylające sie o niewielki kąt i planety, krążące po idealnych elipsach. Rzeczywiste ciała zastępowane są bezwymiarowymi punktami, a jeśli juz maja to być kule, są one zawsze idealne i zderzają sie zawsze centralnie.

Czterysta lat takiego podejścia do zjawisk fizyki spowodowało powstanie w umysłach Europejczyków wyobrażenia świata, który jak zegar porusza sie ściśle według określonych praw i jest zawsze i ściśle przewidywalny. Kosmos stał sie w oczach naszej cywilizacji zimną, zdeterminowaną maszyną, realizującą z zegarową dokładnością swoje przeznaczenie. Wyobrażano sobie, ze istota, która zna położenia i prędkości cząstek, z których składa sie Wszechświat, może przewidzieć precyzyjnie jego przyszłe losy. Wszystko w takim świecie jest ściśle zdeterminowane; nie da sie uniknąć przeznaczenia, a nawet, jeśli coś wydaje sie pozornie bezładne, to tylko dlatego, ze ludzki umysł nie jest w stanie ogarnąć złożoności układów miliardów atomów, z których każdy co prawda porusza sie ściśle zgodnie z prawami przyrody - ale ich wielka ilość tworzy wrażenie nieprzewidywalnego bałaganu.

Pierwszy wyłom w tym obrazie świata został dokonany w 1927 roku przez Wernera Heisenberga. Jego słynna zasada nieoznaczoności mówi, ze jeśli poznamy dokładnie położenie cząstki, to jej prędkość (a dokładnie: pęd) możemy znać tylko z pewną określoną dokładnością. Jeśli zaś dokładnie zmierzymy pęd, nie poznamy dokładnego położenia badanej cząstki. Skoro zaś nie możemy znać dokładnych parametrów podstawowych składników naszego świata, nikt nie może przewidzieć jego dalszych losów.

W ten sposób obraz zegarowej maszyny napędzającej Wszechświat zaczął sie psuć. Uczonym mimo to wciąż trudno było pożegnać sie z idea doskonale przewidywalnego świata; zasadę nieoznaczoności bezskutecznie próbował obalić nawet Albert Einstein. Stare poglądy próbowano ratować, argumentując, ze i owszem, nie możemy wykonać dokładnych pomiarów mikrocząstek, ale starych, dobrych, makroskopowych ciał, takich jak wahadła czy planety, ograniczenie to nie dotyczy. Meteorologowie zaś jeszcze w latach czterdziestych XX wieku mieli nadzieję, że gdy będziemy znali choć przybliżone rozwiązania równań opisujących stan atmosfery, a gęsta siec stacji meteorologicznych dostarczy dokładnych danych pomiarowych, można będzie przewidywać pogodę na miesiące i lata naprzód.

Przekonanie takie wzięło sie stad, ze w układach liniowych - a tylko takimi zajmowali sie dotąd fizycy - zjawisko chaosu nie występuje. To, co małe, zawsze pozostanie w nich małe; jeśli wprowadzimy małą zmianę w danych wejściowych, otrzymamy równie mały błąd w wyniku. Tymczasem w rzeczywistym - nieliniowym - świecie okazało sie to nieprawdą.

Przełom przyszedł wraz z wynalezieniem komputerów. Nie potrafią one co prawda rozwiązywać równań, których nie umieją rozwiązać ludzie, mogą jednak - odpowiednio zaprogramowane - modelować opisywane nimi obiekty. To właśnie zrobił w 1963 roku Edward Lorenz: był on meteorologiem - wprowadził do komputera uproszczony model zjawisk pogodowych i uruchomił obliczenia. Ku swemu wielkiemu zdziwieniu odkrył, ze nawet niewielkie zmiany początkowych danych dają w rezultacie zupełnie inne wyniki. Tak, jakby motyl, który gdzieś w Indiach zatrzepotał skrzydełkami, powodował kilka dni później huragan na drugim końcu świata. Odkryty został „efekt motyla”.

Prace Lorenza opublikowane w czasopiśmie dotyczącym meteorologii zostały przez dłuższy czas niezauważone, jednak wkrótce okazało sie, że podobne zjawiska zachodzą prawie wszędzie. Najprostsze układy, o doskonale określonych regułach działania zachowywały sie w nieprzewidywalny sposób, proste rozwiązania uproszczonych równań okazały sie nie do końca prawdziwe - chaos okazał sie wszechobecny. Jego prawa rządza nie tylko zjawiskami pogodowymi, ale także biciem ludzkiego serca, przebiegiem epidemii, zmianami liczebności zwierząt, a nawet ruchem ciał niebieskich. Hyperion, księżyc Saturna, nie krąży wokół swej osi - wykonuje zamiast tego nieregularne, nieprzewidywalne, chaotyczne ruchy. Stabilne, eliptyczne orbity planet okazały sie tylko szczególnymi przypadkami chaotycznych rozwiązań ruchu wielu ciał w ich wspólnym polu grawitacyjnym.

Czy wobec wszechobecności chaosu jesteśmy bezsilni i w miejsce odwiecznego porządku i „harmonii sfer” dostaliśmy do zamieszkania wszechświat bezładny i nieprzewidywalny? Otóż nie: deterministyczny chaos także podlega swoim prawom. Badane są one przez matematyków i fizyków od kilkudziesięciu lat. Istnieje nadzieja, ze znajomość praw, rządzących chaosem, umożliwi skuteczne sterowanie podlegającym mu obiektom. Takim jak atmosfera - wystarczy tylko wiedzieć gdzie, kiedy i z jaką energią wpłynąć na jej stan, aby w określonym czasie i miejscu otrzymać z góry założony stan pogody. Przy tym energia taka może być o wiele rzędów wielkości niższa, niż ta, która napędza wszystkie procesy w ziemskiej atmosferze. Internetowa plotka głosi, ze tak właśnie działa HAARP.

Wszechobecność chaosu i „efektu motyla” w naszym świecie może w przyszłości pomóc wyjaśnić wiele niewyjaśnionych dotąd zjawisk. Choćby i wspomniana na początku niemożność prognozowania przez jasnowidza liczb w totolotku: sam fakt zajrzenia przez niego w przyszłość powoduje, że od tej chwili staje się ona inna: myśl o odnalezionych liczbach w postaci fali elektromagnetycznej biegnie w świat i zmienia go, a zmiany te narastają z upływem czasu. Tymczasem losowanie totolotka to proces podlegający prawom chaosu: nawet najmniejsze zakłócenia w otoczeniu spowodują wylosowanie zupełnie innych kul.

To oczywiście tylko hipoteza - ale wspomnę o jeszcze jednej: kto czytał popularne ostatnio książki o prawach przyciągania wie, że aby przyciągnąć do siebie określone zdarzenia, wystarczy o nich przez pewien czas intensywnie myśleć - po czym „puścić” je w świat i czekać na efekty. W świetle zasad rządzących chaosem nasza myśl to pewna niewielka zmiana wpływająca na świat: procesy nieliniowe będą ją odtąd wzmacniać, aż po określonym czasie stanie sie ona widoczna w postaci konkretnych zjawisk i zdarzeń, które przyciągaliśmy.

Odkrycie chaosu na zawsze zmieniło pogląd ludzkości na świat, a poznawanie praw rządzących zjawiskami, których ten pozorny bezład dotyczy, pozwala na ich głębsze rozumienie i wykorzystanie. Zegarowy bezduszny wszechświat odchodzi właśnie na zawsze w zapomnienie - w nowym obrazie świata pojawiło sie miejsce na nowe cuda, które kiedyś, być może, odkryjemy i zbadamy.

Artykuł ukazał się w czasopiśmie „Adremida” nr 1 (1) z grudnia 2011 roku