Skale Wszechświata

Pytanie na początek: przyglądaliście się kiedyś tablicom stałych fizycznych? Jeśli nie – polecam. Nawet nie dlatego, żeby obcowanie z parametrami definiującymi Wszechświat miało w sobie jakiś pogłos oglądania Absolutu; przede wszystkim raczej jako dobry start dla wszelkich rozważań o skalach wielkości, w jakich poruszamy się na co dzień.

Toteż w ramach małej próbki:

stała Plancka [ h ] = 6,626 069 57(29) × 10−34 J·s
stała grawitacyjna [ G ] = 6,673 84(80) × 10−11 m3·kg−1·s−2
prędkość światła w próżni [ c ] = 2,997 924 58 × 108 m·s−1
masa protonu [ mp ] = 1,672 621 777(74) × 10−27 kg
temperatura Plancka [ TP ] = 1,416 833(85) × 1032 K

Wybór skromny, ale zasadnicza idea jest uderzająca: skąd biorą się skale wielkości, które sprawiają, że musimy mówić o liczbach tak egzotycznych w jednostkach, które dostosowano do naszego doświadczenia.

Bo o ile kilogram nietrudno odnieść do masy czy to swojej, czy dowolnego widzialnego gołym okiem stworzenia, dajmy na to mrówki – to jaki ma sens mówienie o jednej kwadryliardowej kilograma? Czy z punktu widzenia naszej wyobraźni nie są to puste słowa, które poniżej pewnej granicy znaczą po prostu tyle, co „niewyobrażalnie mało”, albo „kosmicznie dużo”, gdy zajmiemy się astrofizyką bądź fizyką wysokich energii?

Ale przede wszystkim porzućmy dotychczasowe nawyki. Zazwyczaj milcząco zakładamy, że „nasza” skala jest w pewien sposób wyróżniona: jesteśmy „wyżej” niż mikroświat i „niżej” niż ogół Wszechświata, to jest – gdzieś pośrodku, na stosunkowo wygodnej pozycji, z której możemy przy odrobinie wysiłku zarówno badać „górę”, jak i „dół”. Takie pojmowanie rzeczy wynika z tego, że przyjmujemy granice naszej (rozszerzonej o cały arsenał doświadczeń naukowych) percepcji za fundamentalne i absolutne; tymczasem nie musi być – i prawdopodobnie nie jest – prawdą, że granice Bytu są wyznaczone przez górne granice skali przestrzeni, a najmniejsze zjawiska fizyczne zachodzą w skali Plancka (rzędu jednej stukwintyliardowej metra). To tylko granice stosowalności praw, które wydedukowaliśmy w oparciu o obserwacje obiektów o dostępnych nam rozmiarach – i w dostępnych naszemu doświadczeniu skalach czasu.

A dlaczego akurat ta a nie inna skala, to znaczy od dziesiątek mikrometrów do setek kilometrów, od setek milisekund do dziesiątek lat, jest dostępna naszemu bezpośredniemu doświadczeniu? Wypada zajrzeć do podręcznika biochemii.

Żebyśmy mogli odebrać pojedynczy impuls świetlny – ile takich odbierasz w każdej sekundzie, Czytelniku, patrząc na monitor? – kwant światła musi wpaść na stosunkowo niewielką cząsteczkę retinalu, indukując zmianę konformacyjną w ciągu pikosekund; zmiana ta wpływa na geometrię sporego białka – rodopsyny – z którym retinal jest związany, co może zająć mikrosekundy; być może po setkach mikrosekund rodopsyna o zmienionej geometrii aktywuje białko transducynę, co z kolei zwiększa aktywność fosfodiestrazy; fosfodiestraza przez milisekundy przekształca cGMP w acykliczną formę; spadek stężenia cGMP wywołuje zamknięcie kanałów sodowych; to z kolei powoduje hiperpolaryzację błony i inicjuje sygnał nerwowy. Oczywiście ten sygnał musi potem zostać przekazany i zinterpretowany.

Cóż, to nie brzmi jak procedura do załatwienia w ciągu jednej dziesiątej sekundy. Tymczasem musimy jeszcze uświadomić sobie, że komórka nie posiada żadnych magicznych zdolności rozpoznawania sygnałów: oddziaływania między cząsteczkami opierają się wyłącznie na dyfuzji i losowych zderzeniach. W tym momencie naprawdę niełatwo pojąć złożoność tych procesów. (Sam mam to szczęście, że zajmując się biofizyką molekularną, dysponuję niemal bezpośrednim wglądem w zjawiska zachodzące w podobnych skalach czasowych; tym bardziej unaocznia mi to arbitralność naszego pojęcia „mgnienia oka”.)

Jeszcze jeden przykład: replikacja DNA u bakterii zachodzi z szybkością 1000 par zasad na sekundę. To znaczy, że w ciągu jednej milisekundy w odpowiednie miejsce enzymu musi (przypadkiem!) wniknąć jedna z czterech możliwych do wbudowania cząsteczek NTP, która spontanicznie „odpłynie”, jeśli nie pasuje do lokalnego rozkładu ładunków elektrostatycznych, albo zostanie wbudowana, jeśli pasuje. Cały proces oglądany z zewnątrz – oparty przecież na dyfuzji i elektrostatyce – wyglądałby w czasie rzeczywistym jak szybkie rozpinanie zamka błyskawicznego. Oglądany we „właściwej”, mikrosekundowej skali czasowej – raczej jak próby wpasowania się paru kluczących po omacku cząsteczek w specyficznie ukształtowaną dziurę, którym raz na wieczność towarzyszy przeskok naprzód.

Kluczowa dla zrozumienia tych zjawisk jest wiedza o tym, że w mikro- i nanoskali fluktuacje zachodzą naprawdę szybko. Struktury makromolekularne – białka, kompleksy białek, związki małocząsteczkowe, kwasy nukleinowe – obracają się, latają tu i tam, próbkują różne obszary przestrzeni konfiguracyjnej, jak powiedziałby biofizyk, to znaczy wyginają się i rozplatają – dość znacznie nawet w ciągu jednej mikrosekundy (jednej tysięcznej milisekundy!). Same reakcje chemiczne, gdy odpowiednie miejsca zejdą się ze sobą we właściwej orientacji, to często kwestia femto- czy pikosekund, a więc jednej milionowej mikrosekundy czy jednej milionowej milionowej sekundy.

Gdy z drugiej strony spojrzy się na tempo ewolucji struktur kosmicznych, na przykład trwające setki milionów lat „zderzenia” galaktyk – które zresztą zderzeniami w naszym intuicyjnym pojęciu nie są, bo gwiazdy znajdują się tak daleko od siebie, że nawet nie mają szansy się zetknąć – nasuwa się dość oczywisty wniosek: skala czasowa idzie w parze ze skalą przestrzeni. Do skomplikowanych procedur replikacji i metabolizmu życie potrzebowało znacznego zróżnicowania elementów, stąd trzeba było skali, gdzie rozmaite pierwiastki mogły utworzyć ogromną różnorodność związków chemicznych, a te – połączyć się w funkcjonalne elementy biologiczne. Układ i dynamika tych struktur określiły skale naszych percepcji i czynów; dlatego właśnie napisanie dłuższego tekstu zajmuje nam pół nocy, dlatego „mgnienie oka” trwa ćwierć sekundy, a źródło dźwięku możemy lokalizować na podstawie tego, że do jednego ucha dociera on nieznacznie szybciej niż do drugiego, ale ze światłem tego samego triku nie umielibyśmy powtórzyć.

Jest ten „wybór” skali o tyle uzasadniony – z punktu widzenia złożoności organizacji materii – o ile arbitralny z punktu widzenia Wszechświata. Odpowiednio skalując tak przestrzeń, jak i czas, będziemy obserwowali skomplikowaną i dynamiczną ewolucję układów fizycznych na praktycznie każdym poziomie; skalując tylko postrzeganie przestrzeni i zachowując „nasze” skale czasowe, ujrzymy albo statystyczny chaos pędzących cząstek i cząsteczek, albo nudny obraz nieomal statycznego kosmosu.

Gdy mamy już tę wiedzę, co powstrzymuje nas przed próbą poszerzenia perspektyw? Czy możliwe są subatomowe „światy” istniejące na niedostępnych dla nas poziomach miniaturyzacji? A może to my jesteśmy tylko jedną cząstką z perspektywy jakiegoś metawszechświata? Czy świadomość – jako pochodna zorganizowanego przepływu informacji – jest czynnikiem charakterystycznym dla „ludzkich” skal przestrzennych i czasowych, czy może pojawić się też na innych poziomach organizacji? Nawet jeśli to w większości kwestie czysto hipotetyczne, coraz częściej pojawiają się w zagadnieniach fizyki współczesnej i filozofii umysłu.

Niektórych martwi przy tym odejście od ściśle antropocentrycznego pojmowania Wszechświata. Najwyraźniej nie każdy jest w stanie odnaleźć sens w byciu częścią tworu, którego rozległość i wielopoziomowość nie dają się nawet rozsądnie ująć myślą. Sam jednak zachęcałbym do poszukiwania właśnie sensów życia spójnych z tak zarysowaną perspektywą kosmiczną; w innym przypadku skazujemy się bowiem na zwyczajny kosmiczny prowincjonalizm.

Grafika: Pexels, licencja CC0

About Miłosz Wieczór

Próba syntezy poprzez analizę redukcjonistyczną. Nihilistyczny scjentysta z programem pozytywnym. Od czasu lektury Prousta uważa, że życie "jest spoko", o co zresztą nieustannie kłóci się sam ze sobą.