Czytaj dalej

Nie czarujmy się: sam pomysł opisania wszechświata, z pominięciem tak naturalnego elementu jak czas, nie może być przez nas traktowany inaczej, niż jako wyraz desperacji wyjątkowo szurniętego umysłu. Jednak dla rozwiązania niezwykłych zagadek, czasem musimy sięgać do równie niezwykłych hipotez.

Strażnicy Teksasu na tropie Teorii Wszystkiego

Kosmo­lo­gia jest skom­pli­ko­wana. Mecha­nika kwantowa jest skom­pli­ko­wana i dzi­waczna. Nie muszę pisać co może wyniknąć z mariażu obu tych dziedzin fizyki. Ogólna teoria względ­no­ści opisuje prze­strzeń, czas i w ogóle wszystko co obser­wu­jemy na co dzień, podczas gdy teoria kwantów stoi na pro­ba­bi­li­stycz­nym fun­da­men­cie dualizmu kor­pu­sku­larno-falowego. Einstein i całe zastępy jego naśla­dow­ców, po dziś dzień nie mogą ścier­pieć sytuacji, w której fizykę zdają się opisywać dwa zupełnie różne zestawy reguł.

Jeden z pierw­szych kroków na tej nie­zna­nej ziemi, pró­bo­wali postawić Bryce DeWitt oraz John Archi­bald Wheeler. Dwaj nie­ustra­szeni Tek­sań­czycy w latach 60. robili karierę w Insty­tu­cie Badań Zaawan­so­wa­nych Prin­ce­ton, którego kory­ta­rze do niedawna prze­mie­rzał roz­czo­chrany geniusz. Trapiło ich również to samo pytanie co twórcę teorii względ­no­ści: jak można odnieść równania mecha­niki kwan­to­wej do naj­więk­szego fizycz­nego obiektu, czyli całego wszech­świata? Był to szalony problem, który nie mógł zostać roz­wią­zany bez nad­ludzko kre­atyw­nego podej­ścia do tematu.

John Archibald Wheeler
John Wheeler.

Równanie falowe dla wszechświata

Sercem fizyki kwan­to­wej jest równanie zmaj­stro­wane przez Erwina Schrödin­gera. Nie wskazuje nam ono cząstki paluchem (“o tutaj!”), racząc nas zamiast tego funkcją Ψ – funkcją falową (jeśli czujesz się zagu­biony, pro­po­nuję pobu­szo­wać w tekstach pod tym hasz­ta­giem). Opisując stan kwantowy dowolnej cząstki ele­men­tar­nej – bez względu na nasze starania – zado­wa­lamy się właśnie funkcją “psi”. DeWitt oraz Wheeler zapra­gnęli wycisnąć ze starego wzoru ostatnie soki i otrzymać infor­ma­cję na temat stanu kwan­to­wego wszech­świata jako całości. Pojawił się jednak pewien deli­katny kruczek. Jak pamię­ta­cie, sady­stycz­nie uspo­so­biony Schrödin­ger długo i roz­wle­kle gdybał na temat hipo­te­tycz­nego kota zamknię­tego w pudełku (patrz: tutu). Z tych roz­my­ślań wyłonił się jeden z wielu sporów dok­try­nal­nych, doty­czą­cych wpływu obser­wa­tora na wynik eks­pe­ry­mentu. Nie wdając się w szcze­góły: w świecie kwantów, obecność obser­wa­tora redukuje funkcję falową, czyli po prostu wpływa na stan badanego obiektu. 

Kto jest obser­wa­to­rem dla wszech­świata? My? Na gruncie filo­zo­ficzno-mate­ma­tyczno-fizycz­nych dumań, należy dojść do wniosku, że naj­lep­szy byłby obser­wa­tor zewnętrzny. Można pole­mi­zo­wać na temat tego czy “ktoś” taki ma w ogóle rację bytu, ale przy obecnym stanie wiedzy naj­bez­piecz­niej będzie stwier­dzić, że żadnego “zewnę­trza” wszech­świata nie ma, podobnie jak zewnętrz­nych obser­wa­to­rów. A nawet gdyby było inaczej to i tak nie mie­li­by­śmy szansy tego spraw­dzić ani wyko­rzy­stać. (Gdy­by­ście jeszcze nie zauwa­żyli, wsko­czy­li­śmy prosto w gęstwinę fizyki teo­re­tycz­nej. W pełnym tego słowa zna­cze­niu). Kując swoje równanie DeWitt i Wheeler wraz z paroma kolegami, otrzy­mali zasta­na­wia­jące wyniki, dobitnie wska­zu­jące nie tylko na brak zewnętrz­nego obser­wa­tora, ale również brak zewnętrz­nego zegara. Czas okazał się dla ich teorii ele­men­tem abso­lut­nie zbędnym, w żaden sposób nie wpły­wa­ją­cym na kosmiczną funkcję falową. 

Wyrzućmy czas

Mamy prawo pro­te­sto­wać, bo wszyscy wiemy, że czas… istnieje. Każdy z nas poddaje się jego nurtowi, nie­ustan­nie mknąc z prze­szło­ści, prosto w ramiona przy­szło­ści. Równanie DeWitta-Wheelera opisuje kosmos sta­tyczny, nawet nie z zamro­żo­nymi zegarami, lecz w ogóle ich pozba­wiony. Jak to inter­pre­to­wać? I co z tego wynika? Nic dziwnego, iż artykuł pro­fe­so­rów z Prin­ce­ton stał się rychło przy­czyn­kiem dla setek debat, kon­fe­ren­cji i kolej­nych teorii, roz­wi­ja­nych do dziś. Wielu fizyków przyj­mu­jąc nowe zało­że­nia, wyrzu­ciło z głów dotych­cza­sowe opisy natury czasu. Oczy zaświe­ciły się fanom tzw. wszech­świata blo­ko­wego, wyobra­ża­ją­cym sobie całą czte­ro­wy­mia­rową cza­so­prze­strzeń jako zbity zbiór wszel­kich wydarzeń, które nasze szacowne rozumy składają w to, co wydaje nam się upływem czasu. Wedle tej inter­pre­ta­cji, prze­szłość, teraź­niej­szość i przy­szłość są rów­no­war­to­ściowe. Jeszcze odważ­niejsi uczeni kon­klu­dują, iż owa sterta chwil nawet nie jest w żaden chro­no­lo­giczny sposób ułożona, a “sensowną” sekwen­cję otrzy­mu­jemy dzięki kwan­to­wym regułom praw­do­po­do­bień­stwa. 

Czy istnieje jakie­kol­wiek zjawisko potwier­dza­jące tak dzi­waczną wizję świata? O dziwo tak. Jak się dobrze zasta­no­wić, idea wszech­świata blo­ko­wego zgrabnie współgra z ein­ste­inow­ską względ­no­ścią jed­no­cze­sno­ści. Według teorii względ­no­ści każdy obiekt i każda istota nosi własny zegar i nie ma w ogóle mowy o ist­nie­niu czasu uni­wer­sal­nego dla wszyst­kich.

Problem względności jednoczesności
Jed­no­cze­sność w bloku cza­so­prze­strzeni (za: Poza kosmosem).

Rów­no­cze­sność zacho­dze­nia poszcze­gól­nych zdarzeń również pozo­staje ilu­zo­ryczna, będąc cał­ko­wi­cie uza­leż­niona od układu odnie­sie­nia. Jeśli więc uznamy, że wszyst­kie chwile po prostu są, względ­ność jed­no­cze­sno­ści staje się czymś logicz­nym. Dla zmy­ślo­nego zewnętrz­nego obser­wa­tora wszyst­kie momenty na osi czasu – for­mo­wa­nie Drogi Mlecznej, wygi­nię­cie dino­zau­rów i ukoń­cze­nie tego tekstu – byłyby tak samo dostępne i tak samo aktualne. 

Jest jeszcze, popu­larna ostatnio wśród kosmo­lo­gów kwan­to­wych kwestia splą­ta­nia kwan­to­wego. Para cząstek mimo dzie­lą­cego je dystansu – a mówiąc dokład­niej, kom­plet­nie bez względu na odle­głość – zacho­wuje się jak jed­no­rodny układ. Redu­ku­jąc stan kwantowy fotonu A, wpływamy w sposób natych­mia­stowy na stan fotonu B, choćby był on umiesz­czony w labo­ra­to­rium jakiegoś kosmity, w innej galak­tyce. Mamy do czy­nie­nia z tzw. nie­lo­kal­no­ścią układu. Obiekty splątane zacho­wują się tak jakby nie istniały dlań czas i prze­strzeń. Trudno o lepszy prezent dla zwo­len­ni­ków równania DeWitta-Wheelera. Wielu z nich ma przy tym nadzieję, że zestaw sko­re­lo­wa­nych cząstek mógłby być wyko­rzy­stany jako modelowy miniw­szech­świat i przy­nieść pierwsze obser­wa­cyjne potwier­dze­nia ich założeń. 

Pierwsze kroczki kosmologii kwantowej

Naj­waż­niej­sze pytanie pozo­staje otwarte: jeśli równanie falowe dla wszech­świata jest poprawne, gdzie podziewa się czas? Lee Smolin – jeden z wio­dą­cych współ­cze­snych teo­re­ty­ków – podaje bardzo pla­styczną wizję, w której ist­nie­nie czasu pozo­staje uza­leż­nione od oma­wia­nej skali. Tak, badając wszech­świat na poziomie makro (z “zewnątrz”) jak i mikro (wielkość Plancka) – wydałby się on nam sta­tyczny, a czas w naszym rozu­mie­niu prze­stałby istnieć. To trochę jak z pojęciem tem­pe­ra­tury – tłumaczy Smolin – oczy­wi­stym w rze­czy­wi­sto­ści dużych obiektów, lecz zupełnie nie­uży­tecz­nym w skali sub­a­to­mo­wej.

Literatura uzupełniająca:
M. Heller, Kosmologia kwantowa, Warszawa 2001;
L. Smolin, Czas odrodzony. Od kryzysu w fizyce do przyszłości wszechświata, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2015;
M. Hohol, Dlaczego Julian Barbour ogłosił koniec czasu?, [online: http://mateuszhohol.filozofiawnauce.pl/wp-content/uploads/2012/12/hohol-barbour.pdf.pdf];
Quantum Experiment Shows How Time ‘Emerges’ from Entanglement, [online: https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/quantum-experiment-shows-how-time-emerges-from-entanglement-d5d3dc850933#.tpcln6iq2].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.