Arno A. Penzias: Moj pogled na vesolje

    Arno A. Penzias je ameriški astronom, ki je skupaj z Robertom Wilsonom leta 1965 odkril prasevanje, za kar sta leta 1978 skupaj prejela Nobelovo nagrado za fiziko. Članek je povzet po govoru, ki ga je imel A. Penzias v Barberinijevi palači ob zaključku tretjega Rimskega astrofizikalnega kongresa.

    Veliko stvari se je zgodilo po tistem posebnem letu 1964. Čudovito zaporedje dogodkov je povzročilo, da se je kozmologija skoraj v hipu spremenila v opazovalno znanost. Nenadoma je bilo z opazovanji in logičnim sklepanjem mogoče preizkusiti hipoteze, ki so bile do tistega trenutka nepreverjene.

    Arno Penzias in Robert Wilson pred svojo mikrovalovno anteno s katero sta odkrila mikrovalovno sevanje kozmičnega ozadja.

    Tisti med nami, ki so doživeli razburjenja teh dni, so začutili, da so na pravi poti, ki bo pripeljala do “čistih” in dokončnih odgovorov na vprašanja, ki si jih je človeštvo zastavilo že na začetku svojega zavedanja. To je bila očarljiva perspektiva, le da smo bili mogoče preveč zaposleni z občudovanjem njenih posledic; takrat smo le stežka prenašali vprašanja o “smislu”, ki smo si jih zastavljali v neobveznih pogovorih.

    Na tej točki bi nas čas vsekakor moral narediti preudarnejše. Vsaj meni je teh zadnjih dvajset let zameglilo tisto čisto razmejitev med tem, kar sem imel za objektivni empirizem astrofizike, in subjektivnimi zaznavami človekovega duha. Namesto da bi govoril o “priznanih” ali “nepriznanih” teorijah, sem se naučil uporabljati primernejše izraze kot “sprejete” ali “zavrnjene”, saj je videti, kot da smo se znanstveniki osredotočili na neko vrsto umetnostne kritike: “Moja teorija je lepša od tvoje.” Posebnost znanstvenih kongresov je uporaba jezika estetike: “Ta rešitev je lepša,” ali pa: “To je grd način obravnavanja podatkov.” Mislim, da se nam ni treba sramovati takega pristopa.

    Estetski občutek je po moje edino vodilo, na katero se lahko zanesemo. Radi bi verjeli, in včasih bi tudi nam ustrezalo verjeti, da znanstveniki pridejo od opazovanj do zaključkov samo z objektivno logiko. Ne verjamem, da se to pogosto dogaja. Po pravici povedano nisem niti povsem prepričan, da je to mogoče. Postopek, ki nas pelje od nenatančnih meritev do teorij, ki jih trenutno zagovarjamo, je zelo zapleten.

    Bolj je zapleten od “kriminalk”, ki jih ponuja popularna literatura: poiščemo dejstva, začrtamo zaključke po katerih izdelamo teorije in na koncu se gradi znanje. Ne trdim, da ta enostavni proces ne deluje, pač pa, da to ni proces, ki ga uporabljamo.

    Arthur Koestler je imel zanimivo mnenje o znanstvenikih in njihovem delu: imenoval nas je mesečniki. Napisal je lepo knjigo o prvih astronomih z naslovom Mesečniki, v kateri je orisal Kopernikovo, Keplerjevo in Galilejevo življenje in delo. (Op. prev.: Knjigo A. Koestlerja The Sleepwalkers lahko najdete v knjižnici Fakultete za fiziko.) Spraševal se je, kako je mogoče, da znanstveniki kar tako na slepo napredujemo, dokler nekega dne ne trčimo v dokaze. Pisal je o vsem neizmernem času, ki ga je Kepler zapravil, ali porabil (kakor vam je pač ljubše) za preračunavanje svojega horoskopa. V življenju je Kepler svoje ime zapisal na okrog dvajset različnih načinov; očitno mu je bilo vseeno. Čas rojstva pa je poznal s sekundno natančnostjo, saj je bilo to zelo pomembno za preračunavanje horoskopa. Brez prestanka je obdeloval Marsovo orbito, da bi jo na nek način spravil v krožnico, čeprav je tu pa tam ob rob lista zapisal besedo elipsa. Koestler je bil zelo ponosen na Keplerja, ker se je skladal z njegovim stereotipom “mesečnika” oziroma nekoga, ki izbira dejstva z verno objektivnostjo.

    Po drugi strani pa se Galileo ni skladal s Koestlerjevim modelom. Po Koestlerju se je Galileo trudil manipulirati z resnico, da bi jo prilagodil svojim kozmološkim teorijam. Ne preostane mi drugega, kot da simpatiziram s Koestlerjevim načinom gledanja, čeprav ne verjamem, da je bil Galileo taka baraba, kot ga on opisuje.

    Po drugi strani mi ni povšeči najbolj vsakdanji znanstveni pogled, ki mi ga je pred kratkim nekdo povedal: “Če je bila Cerkev proti njemu, je imel on prav.” Na nek način se počutim razcepljenega.

    Galileo je zabredel v težave, ker se je zoperstavil nasvetom kardinala Barberinija, katerega portret ste lahko videli v vhodni dvorani. (Op. prev.: Avtor govori o preddverju dvorane v Barberinijevi palači, kjer je govoril sodelujočim na kongresu.) To je nekakšna ironija, da me je portret tega teologa gledal, ko sem vstopal v to prekrasno dvorano. Vedno mi je bil dovolj simpatičen, on in njegovi kolegi, ki so v tako negativni luči nastopali v večini zgodovinskih učbenikov. Nasprotno, Galileo, znanstvenik, je obče priznan kot povsem logična, racionalna in objektivna oseba. V resnici ni mogoče pripisati teh pridevnikov njegovemu znamenitemu pamfletu, ki je tedaj dvignil toliko prahu. Rad bi razložil stališče, ki ga je zavzemal Galileo, pa ne zato, da bi ga branil ali napadal, rad bi prikazal le presek znanstvenega dela.

    Galileo je v pamfletu iz leta 1632 dal Kopernikovi teoriji velik polet. Govoril je v prid te teorije, po kateri naj bi se Zemlja gibala po vesolju. Vsak današnji povprečen človek vidi v tej teoriji nekaj tako samoumevnega, da pogumni znanstvenik in svobodomislec preteklih dni, ki je kaj dal na objektivnost, ni mogel priti do drugačnega zaključka. V bistvu pa je teorija, ki jo je bralcem Galileo ponujal kot dobro, imela cel kup napak. Zapisal je, da se Zemlja giblje po epiciklu, majhni krožnici, katere središče kroži po drugi krožnici. Uporabnost tega je, da so nekateri računi enostavnejši. Lahko oprostim tistim med vami, ki niste astronomi in se ne spomnite, da je Zemljina orbita elipsa. Če komu rečete, naj vam nariše elipso, bo najverjetneje vzel vrvico in dve buciki. Buciki bo verjetno zapičil v list papirja, s svinčnikom pa bo šel vzdolž vrvice tako, da bo ta napeta. Nastal bo lik v obliki jajca. Točki, v katerih sta zapičeni buciki, se imenujeta gorišči elipse. Nobena od obeh točk pa ne leži v središču lika. Keplerjeva nebesna mehanika nas je naučila, da je Zemljina orbita elipsa in da je Sonce v enem od gorišč.

    Kopernik pa je središče Sončevega sistema postavil v središče Zemljine orbite (ne v Sonce, pač pa v točko med goriščema), v točko prostora, kjer ni prav ničesar. Seveda, z vidika matematičnih orodji, ki so bila na razpolago v Ptolemejevih časih, ko je bilo vse, kar so počeli, samo premikanje lučk po nebesnem svodu, je to povsem razumna predpostavka. Svetloba pa lahko zadosti prav zapletenim zakonom gibanja. Naši predniki so seveda opazovali odboj svetlobe na nemirni vodi in so to prav dobro vedeli. Vsekakor pa je težko verjeti, da lahko tako telo, kot je Zemlja, kroži okoli imaginarne točke, ki poleg tega sama kroži okoli druge, prav tako imaginarne točke. Galilejev pamflet zamolči ta problem. Kaže, da je imel Kopernik več epiciklov kot Ptolemej; sam jih nisem nikoli preštel. (Op. prev.: Kopernik je ohranil 34 epiciklov, kar je vseeno manj kot pri večini geocentričnih verzij: od 56 pri Aristotelu do 79 epiciklov pri srednjeveških različicah Ptolemejevega sistema.)

    Galileo je izdelal teorijo o nastanku plime in oseke. Zaradi vrtenja okoli svoje osi in kroženja okoli središča Osončja naj bi se neosvetljena stran Zemlje (tista, ki je torej najdlje od središča kroženja) gibala hitreje od osvetljene. Za trenutek je pozabil svoje delo na področju mehanike in argumentiral, da bi to povzročilo nabiranje vode na temni strani. Največja šibka točka tega scenarija je, da bi morala biti plima le vsakih 24 ur. Toda kaj je hudega, če se teoretični astrofizik zmoti samo za faktor dva? To, kar je počel Galileo, in kar Koestlerju ni bilo všeč, je bilo ponujanje “pravega”. Odločil se je, da je Kopernikova teorija prava in jo je silil v ospredje, kljub dejstvu, da so bile Keplerjeve ideje tedaj že znane. Znameniti Galilejev poskus je namreč izšel tri leta po Keplerjevi smrti. Tako lahko vidimo, da je Galileo ponujal teorijo, ki je že bila zastarela glede na konkurenčno delo znanstvenika, ki je znal bolje delati s podatki. Za znanost srečna okoliščina je bila, da so dogodki iz leta 1633 preusmerili Galilea v plodnejše področje znanosti. Dela v mehaniki so mu prinesla resnično nesmrtnost. Kljub vsemu verjamem, da bi se kot kozmolog dobro vključil v ta simpozij. Njegovo vedenje ga označuje kot prototip znanstvenika, človeško bitje z močno izraženim egom in intuicijo, da nekaj zveni prav, pa čeprav se v resnici moti.

    To zgodbo sem povedal na tak način zato, ker čutim, da gremo zdaj skozi novo dobo epiciklov v kozmologiji in da za rešitev potrebujemo nekaj več, kot je hladna logika. Videti je, da znamo podatke ujeti samo v enačbe z nezaželeno obliko. Danes je nekdo vprašal Davida Schrama: “Ali ga dobiš noter?” Mislim, da se je odgovor glasil: “Noter stoji, pa še nekaj prostora je ostalo.” Skupaj smo zlepili različne dele našega pogleda na svet, da bi “noter dobili” podatke. Na razpolago imamo neko zadevo, ki ji pravimo “inflacija”. (Op. prev.: Tu je mišljena inflacijska teorija, s katero kozmologi poskušajo razrešiti problem horizonta ob nastanku vesolja.) Z njeno pomočjo preskočimo posebno zoprna vprašanja, ki nam povzročajo težave, a jo moramo kasneje elegantno umakniti s “scene”, da nam ne povzroči novih nevšečnosti. Inflacija mora zapustiti vesolje na tak način, da ne bi nastale številne galaksije, ki jih danes ne vidimo. Videti je, kakor bi bili čarovniki, ki iz klobuka potegnemo zajca. Kasneje pa bi radi po odru sprehodili našo lepo asistentko, da se ne bi nihče zavedel, kako se hočemo znebiti še klobuka.

    Za svoj trik z zajcem hočemo klobuk, potem pa nočemo, da bi se ga opazilo. Kako lahko v našem času napredujemo? Kako lahko napredujemo kot znanstveniki? Vsekakor ne verjamem, glede na naravo smisla našega dela, da imamo kakšno možnost, če sta naše vodilo samo opazovanje in logika. Če bi hoteli upoštevati samo logiko, bi morali na enak način obravnavati vse teorije. Resnično je preveč teorij; preveč je načinov, na katere lahko iznajdljiv človeški duh združi podatke. Zato sem na začetku trdil, da sta v našem delu izjavi “potrjeno” in “zavrnjeno” manj pomembni kot “sprejeto” in “opuščeno”. Enostavno se pričnemo zanimati za določeno stvar, za drugo pa izgubimo zanimanje, saj lahko navsezadnje naredimo vsako teorijo tako zapleteno, da vsebuje opazovane podatke. Sposobni pa moramo biti njihovega elegantnega povezovanja.

    Sam imam svojo najljubšo teorijo, ki se je ne da dokazati, pa še zanimiva ni, za ilustracijo mojega stališča. To je teorija, ki skuša odgovoriti na pogosto opažen pojav, da se sloni zbirajo v živalskih vrtovih. Mojo neizpodbitno teorijo začnem z opazko, da v vseh živalskih vrtovih prodajajo sladoled. Iz tega sklepam, da sloni nadvse radi bivajo tam, kjer je mogoče dobiti sladoled, saj ga imajo zelo radi. Kdor bi hotel nasprotovati teji teoriji, bi to najbolje naredil tako, da bi pripeljal slona sem v dvorano. Tedaj bi jaz moral reči: “Teorija ne deluje, če so tla prekrita s parketom.” Teorijo pa lahko po vsakem opazovanju naredimo bolj zapleteno. Lahko bi torej tekal od konference do konference okoli ljudi (verjetno bi to ne bile kozmološke konference; ne vem, kdo se ukvarja z živalskimi vrtovi in sloni, vsekakor pa tako področje obstaja) in jim pripovedoval, da moja teorija o zbiranju slonov ni bila nikoli ovržena.

    Ko izbiramo med različnimi teorijami, se naslanjamo na subjektivne kriterije, kot sta enostavnost in sprejemljivost. Nekateri poskušajo utemeljiti znanost na spoznanju, ki naj bi bilo apriori človeško (če naj uporabim Kantove besede). Danes smo pri tisti mizi imeli zelo zanimiv pogovor o umetni inteligenci. Predpostavljam, da se od umetne inteligence pričakuje racionalizacija procesov odločanja. Zanimiva perspektiva za tiste, ki bi radi racionalizirali znanost in jo zreducirali na opazovanja in čisto logiko. Za nekatere znanstvenike bi prav prišel stroj, ki bi se šel znanost brez naših emotivnih problemov. Če bi lahko naredili stroj za znanost, bi ta postala na nek način bolj čista.

    Ideja o znanosti brez bremen civilizacije obstaja vsaj od časov zmagoslavja Newtonove mehanike, torej okrog tristo let. Od takrat dalje je obstajalo upanje, da bomo z izpopolnjevanjem naših inštrumentov opravili z intuicijo in “zdravo” pametjo. Kot znanstveniki smo se počutili krive, da ne obstaja možnost absolutne presoje. Ljudje, kot Russell, Whithead in drugi veliki matematiki izpred nekaj generacij, so čutili, da bi lahko relativno enostavno in čisto teorijo števil očistili intuicije in drugih nezaželenih “pravil”. Na začetku se je njihovo delo zdelo uspešno. Nekega dne pa se je pojavil mladi matematik Goedel in kot bi se opravičeval, podrl njihovo iluzijo.

    Naj orišem Goedlovo idejo. Za naš namen si lahko zamislimo “popolno” teorijo števil, katere aksiomi lahko potrdijo ali ovržejo katerokoli “slovnično” (seveda zapisano z operacijami, ki so definirane znotraj teorije) pravilno zapisano enačbo. Teorija mora biti dovolj bogata, da lahko opiše vse lastnosti števil. To pa, kar je Goedel trdil, bi se v slovenščini glasilo: “Aksiomi teorije števil ne morejo dokazati, da je ta trditev pravilna.” Lahko opazite, da bi bila resničnost te trditve zadosten dokaz nepopolnosti teorije števil. Po drugi strani pa lahko dokažemo nepravilnost trditve samo, če dokažemo njeno pravilnost! Z drugimi besedami: teorija števil je nepopolna ali pa je oslabljena s protislovjem. Goedel je tako pokazal, kako prazno je verjeti v absolutnost “resnice”, pa čeprav je to matematična resnica. Tudi opisovanje najbolj abstraktnih stvari zahteva neka zunanja pravila, ki v končni fazi temeljijo na “zdravi pameti”. Tako se je zdrava pamet izkazala za nepogrešljivi del logičnega procesa. Matematiki so nam povedali, da noben formalni logični sistem ne more vsebovati vse resnice.

    Lahko bi rekli, da nikoli ne bomo sposobni pokazati, da naša znanost deluje; deluje samo navidezno. Nimamo dokazov, da bo najlepša teorija tudi prava. Nimamo pa boljšega inštrumenta za razpoznavanje lepote, kot je “oko opazovalca”. Vse, kar lahko o znanosti rečemo, je, da vse do danes deluje, in predlagamo njeno uporabo tudi v bodoče. Ne moremo pa trditi, da je naša kolektivna vera v znanost na kak način dokazljiva. Znanstveniki smo pogosto imeli več zaupanja v intuicijo kot v opazovanja. Če dobro premislimo, to niti ni tako slabo. Mnogo opazovanj je sicer dobrih, nekaj pa jih je povsem napačnih. Ker vnaprej ne moremo vedeti, katera opazovanja niso dobra, se moramo znotraj tega labirinta orientirati s skoraj magično intuicijo. Zanemarjanje opazovanih podatkov je stalna praksa. To je včeraj naredil Joe Silk, ko je nonšalantno ovrgel vso opazovalno astronomijo rekoč: “Astronomi izgubljajo čas.” Z drugimi besedami: vesolje, o katerem danes govorimo, bo moralo človeštvo šele opazovati. To je zelo velika tradicija. V sklopu iste tradicije omenimo Lorda Kelvina. Ko je v roki držal kamen, ki ga je voda razjedala dlje časa, kot je bila Kelvinova ocena za starost Sonca, se je tega podatka znebil z besedami: “Obstajata dve vrsti znanstvenikov, fiziki in zbiralci znamk.” Duh te tradicije nam narekuje, da smo svobodni pri izločanju opazovanih podatkov, ki se ne skladajo z našimi teorijami. Toda danes poznamo nekaj takih podatkov, mimo katerih ni mogoče. Verjamem, da je mogoče zaupati Hubblovemu zakonu, čeprav razpravljamo danes o njegovi nelinearnosti. Bolje rečeno, ali je tisto, kar opazujemo odmik od linearnosti Hubblovega zakona, ali pa opazujemo razvoj galaksij? Dejstvo, da je prasevanje porazdeljeno kot sevanje črnega telesa, je druga stvar, na katero se lahko zanesemo. In tretjič, do neke mere se lahko zanesemo na meje izotropnosti vesolja, čeprav je prav to zadnje najmanj zanesljivo. V tem pogledu se obnašamo nekako zmedeno, ker so nam kolegi “eksperimentalci” potrdili, da v prasevanju ni mogoče opaziti fluktuacij. (Ko sem obiskoval srednjo šolo, so hitrost svetlobe popravili na šesti decimalki. Čeprav so nekaj desetletji merili na sedem decimalk natančno, ni nihče preverjal šeste, ki je bila napačna zaradi napačne Michelsonove meritve.) Kdo bi lahko rekel?

    Daleč od tega, da bi hotel obsojati pretirano boječnost sodobnih teoretikov, predvsem zaradi tega, ker problem “temne snovi” odslikuje samo naše meje opazovalnih zmožnosti. Ko pogledamo v bližino Sonca, zvezde nihajo v gravitacijskem potencialu, katerega celoten izvor moramo šele odkriti. Tudi na večjih razdaljah (galaksije in jate galaksij) je vidne mase mnogo premalo glede na opažene gravitacijske učinke. Trditi, da je toliko nevidne mase tudi v največjem merilu (vesolju), in iz tega sklepati, da je vesolje zaprto, je zame težko sprejemljivo. Toda kdo sem jaz, da bi razpravljal o tujem okusu. Razložili so mi, toda jaz tega resnično ne razumem, zakaj fizikom niso všeč odprta vesolja. Ni jim všeč, da se nekaj razteza v neskončnost, ko pa so vsi njihovi merjenci tako majhni napram neskončnosti. Po drugi strani niso fiziki imeli nikakršnih težav s stacionarnim vesoljem, ki je bilo neskončno staro, čeprav so vsi tipični časi na Zemlji tudi majhni v primerjavi z neskončnostjo. Mislim, da je na nek način vendarle bolj nerodna neskončna starost kot neskončna razsežnost vesolja.

    Zaradi različnih vzrokov je večina med nami prišla do sklepa, da se standardna big-bang (prapok) teorija ne sklada z našimi opazovanji. Inflacijska teorija pa vključuje vse znane podatke. Ne morem vedeti vnaprej, če bo ta ideja sprejeta ali zavrnjena. Prepričan sem, da bo odločilni faktor odvisen od tega, koliko bo ta teorija vzpodbudila našo skupno domišljijo, ali od naše sposobnosti, da jo naredimo graciozno.

    Skratka, naša znanost je odvisna od subjektivnih doprinosov, ki jih ni mogoče natančno opredeliti. Naša prtljaga znanja bi bila brez “zdrave pameti” neverjetno manjša, kot je danes. Na ta način smo dosegli veliko in še več bomo v prihodnje. Glede na našo radovednost bi si lahko želeli večjo samozavest, da bi se lahko naučili več o intuiciji in o tem, kako deluje. Medtem ko nas kardinal Barberini opazuje zbrane v teji čudoviti dvorani, ki je bila njegovo bivališče, si ne morem misliti drugega, kot da razprave pogosto privedejo do resnice. Še vedno nas obdajajo grde teorije, ki zadostujejo večini opazovanj, in lepe teorije, ki se malo manj ujemajo z opazovanji. Dovolite mi, da se ob koncu vrnem v čase, ko je bila estetika edini kažipot v kozmologiji.

    Ob zarji naše zgodovine je človekova intuicija zgradila predstavo o vesolju, ki se je nekoč rodilo in v katerem je človek na nek način v središču. Ta starodavna vizija o vesolju, narejenem po meri, ima lahko tudi v sodobnem svetu nek pomen. Prisluhnimo besedam, napisanim pred osemsto leti v Kairu od Mojzesa ben Maimona: “V zvezi s temi vprašanji ne prisluhnite vsakomur. Govoril sem vam, da je temelj naše vere prepričanje, da je Bog ustvaril Vesolje iz nič; da čas ni obstajal pred tem, temveč je bil ustvarjen; ker je odvisen od gibanja nebesa, in nebo je bilo ustvarjeno.” Naše vedenje o materiji, času in prostoru nas je pripeljalo do bolj matematičnega opisa istega dogodka. Če ta podobnost ni nič več kot naključje, je vsekakor zelo lepo naključje. Videti je, da imamo tako srečo, da živimo v svetu, kjer hodita lepota in resnica z roko v roki.

    (prevedel Andrej Guštin)

    ponatis članka iz revije Spika (februar 1994)