W poczcie Alberta Einsteina pewnego wiosennego dnia w 1953 roku leżał list od zwykłego śmiertelnika, 20-letniego absolwenta szkoły średniej Johna Moffata. Trudno sobie wyobrazić dwóch bardziej różniących się od siebie korespondentów. Moffat był zubożałym artystą i fizykiem samoukiem. Einstein był postacią mityczną – najsłynniejszym naukowcem świata. Moffat mieszkał z brytyjskim ojcem i duńską matką w Kopenhadze. Einstein przebywał w Institute for Advanced Study w Princeton, w stanie New Jersey. Jednak obaj mężczyźni byli outsiderami. W późniejszych latach Einstein coraz bardziej izolował się od społeczności fizyków, odmawiając przyjęcia dziwnej, ale potężnej teorii mechaniki kwantowej – z jej cząstkami, które są jednocześnie falami i które nie istnieją w żadnym konkretnym miejscu, dopóki nie zostaną zaobserwowane. Twierdził, że natura nie może być tak przewrotna. Dlatego przez prawie 30 lat dążył do realizacji quixotycznego celu: stworzenia zunifikowanej teorii pola, która opisałaby wszystkie siły natury i zdemistyfikowała świat kwantów.
To była okazja do napisania listu przez Moffata. Pomyślał on, że może zaoferować Einsteinowi pewną konstruktywną krytykę. „Napisałem do niego, żeby powiedzieć, że nie jestem zadowolony z tego, co robi” – wspomina Moffat. Nie było w tym nic niezwykłego. Mnóstwo ludzi wysyłało listy do Einsteina, nie wszyscy z nich byli racjonalni. Ale w przypadku Moffata stało się coś nieoczekiwanego: Einstein odpisał.
„Drogi Panie Moffat,” zaczynała się odpowiedź. „Nasza sytuacja jest następująca. Stoimy przed zamkniętym pudełkiem, którego nie możemy otworzyć, i usilnie staramy się odkryć, co w nim jest, a czego nie ma.” Tym zamkniętym pudełkiem jest oczywiście wszechświat, a nikt nie zrobił więcej, by uchylić wieko, niż Einstein. Jednak w oczach prawie wszystkich jego kolegów nie wniósł on prawie nic istotnego do fizyki przez prawie 20 lat.
Czy mieli rację? Czy roztrwonił swój geniusz, bezskutecznie uganiając się za teorią ostateczną? Taki jest konwencjonalny pogląd. Ale co najmniej kilku fizyków twierdzi teraz, że Einstein znacznie wyprzedził swoje czasy, stawiając pytania, które będą wyzwaniem dla naukowców przez dziesięciolecia. „Często mówi się, że Einstein zmarnował swój czas w późniejszym okresie życia” – mówi Moffat, który został fizykiem teoretycznym. „To, oczywiście, jest błędne. Einstein nigdy nie marnował czasu.”
Rozłam Einsteina z głównym nurtem fizyki nastąpił u szczytu jego kariery. W 1927 roku, kiedy miał 48 lat, czołowi fizycy świata zebrali się na konferencji w Brukseli, aby debatować nad kwestią, która do dziś pozostaje sporna: Co mechanika kwantowa ma do powiedzenia o rzeczywistości? Einstein otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za badania, które wykazały, że światło składa się z cząstek energii – badania, które stworzyły podstawy mechaniki kwantowej. Mimo to z miejsca odrzucił nową teorię. Na konferencji zderzył się z wielkim duńskim fizykiem Nielsem Bohrem, rozpoczynając waśń, która trwała aż do śmierci Einsteina w 1955 roku.
Bohr był orędownikiem dziwnych nowych spostrzeżeń wyłaniających się z mechaniki kwantowej. Wierzył, że każda pojedyncza cząstka – elektron, proton czy foton – nigdy nie zajmuje określonego położenia, dopóki ktoś jej nie zmierzy. Bohr twierdził, że dopóki nie zaobserwuje się cząstki, nie ma sensu pytać, gdzie ona jest: Nie ma ona konkretnej pozycji i istnieje tylko jako rozmycie prawdopodobieństwa.
Einstein wyśmiewał się z tego. Wierzył on zdecydowanie we wszechświat, który istnieje całkowicie niezależnie od ludzkich obserwacji. Wszystkie dziwne właściwości teorii kwantowej są dowodem na to, że teoria ta jest wadliwa, powiedział. Lepsza, bardziej fundamentalna teoria wyeliminowałaby takie absurdy. „Czy naprawdę wierzysz, że księżyca nie ma, jeśli na niego nie patrzymy?” zapytał.
„Widział w pewien sposób wyraźniej niż ktokolwiek inny, czym naprawdę jest mechanika kwantowa” – mówi brytyjski fizyk Julian Barbour. „I powiedział: 'Nie podoba mi się to'”. W latach po konferencji w Brukseli Einstein przypuszczał jeden atak za drugim na Bohra i jego zwolenników. Ale na każdy atak Bohr miał gotową ripostę. W 1935 roku Einstein wymyślił coś, co według niego miało być śmiertelnym ciosem. Wraz z dwoma kolegami z Princeton, Nathanem Rosenem i Borysem Podolskim, znalazł coś, co wydawało się być poważną niespójnością w jednym z kamieni węgielnych teorii kwantowej, zasadzie niepewności.
Sformułowana w 1927 roku przez niemieckiego fizyka Wernera Heisenberga zasada niepewności nakłada ścisłe ograniczenia na to, jak dokładnie można zmierzyć położenie, prędkość, energię i inne własności cząstki. Heisenberg argumentował, że sam akt obserwowania cząstki również ją zakłóca. Jeśli fizyk mierzy na przykład położenie cząstki, to traci również informacje o jej prędkości.
Einstein, Podolsky i Rosen nie zgodzili się z tym i zaproponowali prosty eksperyment myślowy, aby wyjaśnić dlaczego: Wyobraźmy sobie, że cząstka rozpada się na dwie mniejsze cząstki o równej masie i że te dwie cząstki-córki rozlatują się w przeciwnych kierunkach. Aby zachować pęd, obie cząstki muszą mieć identyczne prędkości. Jeśli zmierzymy prędkość lub położenie jednej cząstki, będziemy znali prędkość lub położenie drugiej cząstki – i będziemy je znali bez zakłócania w jakikolwiek sposób drugiej cząstki. Druga cząstka, innymi słowy, może być precyzyjnie mierzona przez cały czas.
Einstein i jego współpracownicy opublikowali swój eksperyment myślowy w 1935 roku, pod tytułem „Czy kwantowo-mechaniczny opis rzeczywistości fizycznej można uznać za kompletny?”. Praca ta była pod wieloma względami łabędzim śpiewem Einsteina: Nic, co napisał do końca życia, nie dorównało jej wpływowi. Jeśli jego krytyka była słuszna, mechanika kwantowa była z natury wadliwa.
Bohr argumentował, że eksperyment myślowy Einsteina był pozbawiony sensu: Jeśli druga cząstka nigdy nie została bezpośrednio zmierzona, nie było sensu mówić o jej właściwościach przed lub po zmierzeniu pierwszej cząstki. Ale chociaż fizyka kwantowa w końcu zwyciężyła, dopiero w 1982 roku, kiedy francuski fizyk Alain Aspect skonstruował działający eksperyment oparty na pomysłach Einsteina, argument Bohra został potwierdzony. W 1935 roku Einstein był przekonany, że obalił mechanikę kwantową. Od tego momentu aż do swojej śmierci 20 lat później poświęcił prawie wszystkie swoje wysiłki na poszukiwanie zunifikowanej teorii pola.
Praca Einsteina nie była początkowo pozbawiona obietnic. Próbował on połączyć siłę grawitacji – którą z powodzeniem opisał w swojej ogólnej teorii względności – z siłą elektromagnetyzmu, a te dwie siły są do siebie podobne pod wieloma względami. Na przykład siła obu tych sił jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między dwoma ciałami i obie mają nieskończony zasięg. Einstein nie był osamotniony w swoim przekonaniu, że może rozwiązać ten problem. W 1919 roku niemiecki matematyk Theodor Kaluza, a później szwedzki fizyk Oskar Klein zaproponowali inny sposób połączenia tych dwóch sił. Tak jak Einstein wprowadził czwarty wymiar do swoich równań ogólnej teorii względności, aby opisać grawitację, tak Kaluza i Klein zasugerowali, że potrzebny jest piąty wymiar, aby uwzględnić elektromagnetyzm.
Einstein spędził ostatnie dwie dekady swojego życia na dopracowywaniu tego pomysłu. W tym samym czasie próbował rozwiązać to, co uważał za problemy w swojej ogólnej teorii względności. W przypadkach, gdy grawitacja była wyjątkowo silna, jego teorie się załamywały. Co więcej, zdawały się one dopuszczać powstawanie tego, co obecnie nazywamy czarnymi dziurami – obiektów o tak ogromnej gęstości, że ich grawitacja zatrzymuje nawet światło. „Einstein nie lubił czarnych dziur” – mówi Moffat. „Prawdziwą motywacją do uogólnienia jego teorii grawitacji była chęć sprawdzenia, czy uda mu się znaleźć, jak to nazywał, 'wszędzie regularne rozwiązania', które pasowałyby do równań”. Takie rozwiązania, Einstein miał nadzieję, wyeliminują całkowicie czarne dziury.
W 1939 roku fizyk J. Robert Oppenheimer wykorzystał ogólną teorię względności, aby szczegółowo pokazać, jak czarne dziury mogą powstawać z zapadających się gwiazd. Einstein był jednak niezrażony. Przez całe lata 40. kontynuował swoje bezowocne poszukiwania nowej rewolucyjnej teorii, nawet gdy mechanika kwantowa posuwała się naprzód w oszałamiającym tempie. „Był w zaprzeczeniu” – mówi Moffat. „Nawet Einstein szedł w zaparte, ponieważ zainwestował w to tyle czasu – lat!”. Pod koniec swojego życia Einstein zdał sobie sprawę, że nie dożyje ukończenia swojego dzieła. „Zamknąłem się w dość beznadziejnych problemach naukowych” – pisał – „tym bardziej, że jako starszy człowiek pozostałem wyobcowany z tutejszego społeczeństwa.”
Kiedy Moffat po raz pierwszy przeczytał późniejsze prace Einsteina w 1953 roku, nie odrzucił ich tak, jak zrobiło to wielu fizyków. Ale Moffat nie był wtedy fizykiem. Jako niepracujący dwudziestolatek w Kopenhadze zainteresował się kosmologią, przeglądając w wolnym czasie bibliotekę. Ku swojemu zaskoczeniu odkrył, że z łatwością przyswajał zaawansowaną matematykę i fizykę z książek i czasopism popularnonaukowych. W ciągu roku przebrnął przez materiał z czterech lat studiów, a następnie zajął się profesjonalnymi czasopismami fizycznymi. „Wpadły mi w ręce niektóre prace Einsteina i stwierdziłem, że w tym, co robił, jest jakaś słabość” – mówi. „Napisałem więc dwie prace i wysłałem je do niego do Princeton. Nigdy nie sądziłem, że cokolwiek od niego usłyszę.”
Moffat zidentyfikował błędne założenie w matematyce, której Einstein używał do opisania siły elektromagnetycznej. Einstein przyznał, że Moffat miał rację. W ciągu następnych sześciu miesięcy wymienili kilka listów, które zainspirowały Moffata do zrobienia kariery w fizyce. Chociaż brakowało mu formalnego wykształcenia w tej dziedzinie, Moffat wiedział, że listy Einsteina mogą zapewnić mu audiencję u innych fizyków. Skontaktował się więc z sekretarzem Nielsa Bohra na Uniwersytecie w Kopenhadze i wspomniał o listach. Bohr chętnie zgodził się z nim spotkać. „Einstein zwierzał mi się ze swoich problemów z fizyką” – mówi Moffat – „a Bohr chciał wiedzieć, co mówi.”
Podczas dwugodzinnej rozmowy Bohr mamrotał tak cicho, że Moffat musiał się wysilić, by go usłyszeć. Bohr miał nadzieję usłyszeć o zmianie zdania u swojego rywala, ale listy Moffata go rozczarowały: Einstein nadal był otwarcie sceptyczny wobec mechaniki kwantowej. „W końcu Bohr powiedział, że jeśli o niego chodzi, to Albert stał się alchemikiem” – wspomina Moffat. W poszukiwaniu transcendentnej teorii Einstein stracił kontakt z zakasanym światem eksperymentów i odpłynął w sferę metafizyki. „Uważał, że Einstein marnuje swój czas” – mówi Moffat. „A on powiedział mi, że ja marnuję swój czas, interesując się ideami Einsteina.”
Na tym się nie skończyło. Lokalna gazeta opublikowała artykuł o spotkaniach Moffata z Einsteinem i Bohrem, a ta historia skłoniła brytyjski konsulat w Kopenhadze do skontaktowania się z Departamentem Badań Naukowych i Przemysłowych w Londynie. Departament sprowadził Moffata do Londynu i opłacił mu drogę do Instytutu Studiów Zaawansowanych w Dublinie, na rozmowę z Erwinem Schrödingerem.
Polimat, który mówił w sześciu językach, Schrödinger był najbardziej znany z równania falowego, które obecnie nosi jego imię – eleganckiego matematycznego opisu jednej z centralnych tajemnic teorii kwantowej – który pokazuje, że wszystkie cząstki mogą również zachowywać się jak fale. Kiedy Moffat przyjechał na dwudniową wizytę, Schrödinger leżał w łóżku z ciężkim zapaleniem oskrzeli. Podczas ich rozmowy wielki fizyk spoglądał na swojego młodego gościa przez okrągłe okulary bez oprawek. Moffat wiedział, że nie zawahałby się go zdyskredytować jako oszusta i odesłać do Danii, do życia w ukryciu. Po raz kolejny jednak wszystko szło gładko, dopóki Moffat nie wspomniał o swoim zainteresowaniu pracami Einsteina.
„Bardzo się rozzłościł”, wspomina Moffat. „Zaczął krzyczeć na mnie ze swojego łóżka. Powiedział, że Einstein jest głupcem. Byłem całkiem przytłoczony”. To, co najbardziej rozwścieczyło Schrödingera, to fakt, że on również dekadę wcześniej próbował opracować jednolitą teorię, stosując podejście bardzo podobne do Einsteina. Stawał się coraz bardziej sceptyczny, że zunifikowana teoria pola jest w ogóle możliwa. Ale Einstein, w każdym razie, zmierzał w złym kierunku.
Moffat został przyjęty do programu studiów w zakresie fizyki matematycznej i teoretycznej na Uniwersytecie Cambridge, częściowo dzięki zaskakująco silnej rekomendacji Schrödingera. W 1958 roku Moffat został pierwszym studentem w 800-letniej historii szkoły, który uzyskał tytuł doktora bez ukończenia studiów licencjackich. Obecnie pracuje w Perimeter Institute niedaleko Torontu – jako obrazoburczy weteran wśród najlepszych i najodważniejszych młodych fizyków na świecie. Jeśli początkowo Einsteina pociągały go jego błędy, to teraz doszedł do wniosku, że staruszek mógł być na właściwej drodze. Po prostu rozpoczął ją o kilka dekad za wcześnie.
W latach 30. XX wieku, kiedy Einstein rozpoczął pracę nad zunifikowaną teorią pola, fizycy wierzyli, że istnieją tylko dwie uniwersalne siły, które teoria ta będzie musiała połączyć: grawitacja i elektromagnetyzm. Od tego czasu dowiedzieli się, że istnieją również dwie inne fundamentalne siły: siła silna, która łączy jądra atomowe i siła słaba, która rządzi rozpadem radioaktywnym. „Einstein zdefiniował to, co później stało się fundamentalnym problemem w fizyce” – mówi Carlo Rovelli, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Śródziemnomorskiego w Marsylii we Francji. „Ale brakowało mu jakiegoś składnika.”
Dzisiaj samotne niegdyś poszukiwania Einsteina angażują tysiące fizyków na całym świecie, z których większość pracuje nad ambitnymi ramami fizyki znanymi jako teoria strun. Chociaż praca ta opiera się na mechanice kwantowej, w znacznym stopniu bazuje na tych samych elementach, których używał Einstein. Zgodnie z teorią strun, podstawowymi składnikami świata fizycznego nie są punktowe cząstki, ale nieskończone jednowymiarowe pętle lub struny. Wszystkie cząstki i siły we wszechświecie powstają w wyniku drgań tych strun o różnych częstotliwościach. Ale jest pewien haczyk, który bez wątpienia wywołałby uśmiech na twarzy Einsteina: Struny potrzebują 11 wymiarów, w których mogą wibrować, a te dodatkowe wymiary są opisane przez zasadniczo tę samą matematykę, której Einstein użył w swojej własnej zunifikowanej teorii pola.
Moffat nie jest pewien, czy teoria strun jest ulepszeniem idei Einsteina. Z drugiej strony, uważa, że w późnych równaniach mistrza może być jeszcze trochę życia. Przez większą część ostatniej dekady powracał do teorii, nad którą Einstein pracował w chwili śmierci – tej samej, która skłoniła Moffata do napisania fatalnego listu. Moffat dowodzi, że matematyka, którą Einstein miał nadzieję opisać elektromagnetyzm w swojej zunifikowanej teorii pola, zamiast tego daje początek niewielkiej sile odpychającej, która zmniejsza siłę grawitacji. Jeśli tak, to siła ta może pomóc w rozwiązaniu pewnych długoletnich zagadek astronomii.
Dwa tysiące lat świetlnych od Ziemi, na przykład, dwie młode niebieskie gwiazdy w układzie zwanym DI Herculis wirują wokół siebie co 101/2 dni. Ich drogi nieznacznie przesuwają się z jednej orbity na drugą – zjawisko to znane jest jako precesja – jednak gdy astronomowie używają ogólnej teorii względności, aby przewidzieć wielkość tego przesunięcia, ich odpowiedzi rozmijają się czterokrotnie. Większość astronomów uważa, że trzecia gwiazda, nieobserwowana do tej pory, zakłóca orbitę. Moffat ma inną interpretację. W jego zmodyfikowanej wersji późniejszej teorii Einsteina, grawitacyjne przyciąganie pomiędzy dwoma gwiazdami jest osłabione na tyle, że orbity gwiazd nieco się spowalniają. Według jego nowych obliczeń, przewidywana precesja zgadza się niemal dokładnie z obserwacjami.
W tym wszystkim kryje się nie mała historyczna ironia. Jednym z pierwszych rygorystycznych testów ogólnej teorii względności była obserwacja precesji orbity Merkurego wokół Słońca. Przed Einsteinem większość astronomów zakładała, podobnie jak w przypadku DI Herculis, że jakieś trzecie ciało sprawi, iż orbita będzie zgodna z równaniami Newtona. Niektórzy twierdzili nawet, że zaobserwowali tajemniczą planetę i nazwali ją Vulcan. Ogólna teoria względności Einsteina sprawiła, że trzecia planeta okazała się zbędna.
Czy trzecia gwiazda w DI Herculis może okazać się równie iluzoryczna jak Wulkan? Jeśli tak, to byłaby to bardzo duża wiadomość. Moffat twierdzi, że jego teoria wyeliminowałaby również potrzebę istnienia ciemnej materii i ciemnej energii – dwóch zjawisk, jak dotąd niewykrytych, na które fizycy powołują się, by wyjaśnić ruchy galaktyk i ekspansję wszechświata. Moffat twierdzi, że jest to bardzo ryzykowne, ale ostatnia teoria Einsteina może mieć jeszcze jakieś życie.
Jednego dnia, podczas lunchu w bistro niedaleko biura Moffata, zapytałem go, czy kiedykolwiek jeszcze zobaczymy fizyka takiego jak Einstein. Potrząsnął głową. „Jeśli pójdziesz i odwiedzisz katedrę w Chartres we Francji, zdasz sobie sprawę, że jej budowa trwała 150 lat, a my nie znamy nazwisk rzemieślników, którzy ją zbudowali. Oni są anonimowi. Być może fizyka stanie się taka sama. Być może pewnego dnia będziemy mieli wspaniały gmach zachodniej cywilizacji, ale jego budowa może zająć 200 lat.” Twierdzenie, że istnieje ostateczna teoria jest „czystą pychą”, powiedział Moffat. „Zawsze jest coś nowego na horyzoncie, a potem wszystko zaczyna się od nowa.”
Einstein był pierwszą ofiarą własnego sukcesu, Giovanni Amelino-Camelia, fizyk na Uniwersytecie w Rzymie, lubi mówić swoim studentom. Dał początek romantycznemu wyobrażeniu, że geniusz, który podąża za swoją intuicją, może stworzyć doskonałą teorię, która wyjaśnia wszystkie dane. A potem sam padł ofiarą tego wyobrażenia. „To sukces, który tak naprawdę był mieszanym błogosławieństwem dla fizyki teoretycznej” – mówi Amelino-Camelia. „Gdybyśmy nie mieli tego jednego przykładu, nie mielibyśmy żadnych przykładów. A to nauczyłoby ludzi, jak naprawdę robi się naukę.”
Jednakże kiedyś Einstein zrewolucjonizował fizykę i udało mu się to w dużej mierze dzięki jego upartemu, niezależnemu, zuchwałemu duchowi. Ogólna teoria względności została opracowana na przekór wiekom fizyki. Pochłaniała Einsteina przez 11 lat – od 1905 do 1916 roku – i w końcu okazała się triumfalnie poprawna. Nic dziwnego, że pamięć o tym osiągnięciu podtrzymywała go w późniejszych latach. W 1953 roku, kiedy list od Johna Moffata trafił do Princeton, Einstein wciąż robił to, co zawsze – zadawał wielkie pytania i szukał wielkich odpowiedzi.
Podczas lunchu w Ontario Moffat powiedział, że ma jeszcze jeden list od Einsteina, który chciałby mi pokazać. Pogrzebał w teczce, wyciągnął kopię i wskazał na datę: 25 maja 1953 roku. Następnie przeczytał słowa, które przyświecały mu przez ponad pół wieku: „Każdy człowiek … musi zachować swój sposób myślenia, jeśli nie chce się zgubić w gąszczu możliwości. Nikt jednak nie ma pewności, że wybrał właściwą drogę, ja przynajmniej.”