Kwantujemy grawitację – recenzja “Rzeczywistość nie jest tym, czym się wydaje”

Ostatnim razem recenzowałem książkę przeznaczoną dla ogółu, tym razem mam przyjemność zmierzyć się z czymś znacznie bardziej śmiałym. Z pozycją omawiającą niestandardową wizję wszechświata – pozbawionego czasu i przestrzeni – opartą o fundament fascynującej teorii, zwanej pętlową grawitacją kwantową.

Nad wszystkimi współczesnymi fizykami teoretycznymi wisi to samo utrapienie. Dwie największe teorie naukowe XX wieku, czyli teoria względności Einsteina oraz mechanika kwantowa, uparcie nie chcą ze sobą współpracować. To fakt powszechnie znany każdemu kto choćby liznął którejś z tych wspaniałych koncepcji. Pierwsza w niezrównany sposób tłumaczy zjawiska zachodzące w świecie dużych obiektów. Jej rozczochrany twórca złączył ze sobą czas i przestrzeń, założył, że każdy zegar w kosmosie bije w swoim rytmie, a oddziaływanie grawitacyjne to nic innego niż zagłębienie w płótnie czasoprzestrzeni, powstałe wskutek obecności masy. Mechanika kwantowa zadała kłam fizyce klasycznej, wprowadzając dualizm korpuskularno-falowy oraz zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Dzięki niej wiemy, że elektrony nie krążą wokół jąder atomowych jak planety po orbitach, a żadna cząstka elementarna nie zachowuje się jak obiekty znane z naszych codziennych doświadczeń.

Sęk w tym, że oba te filary nie chcą ze sobą w żaden sposób współgrać. Nie wiadomo jak grawitacja ma się do reguł rządzących rzeczywistością kwantów, oraz jak wygląda wspólny mianownik mechaniki kwantowej i teorii względności. Oba te potężne narzędzia zdają się działać; przechodzą eksperymenty i poprawnie opisują swoje segmenty rzeczywistości – ale diametralnie się od siebie różnią. To nas niepokoi, ponieważ to jeden i ten sam wszechświat, i z całą pewnością istnieje jakieś uogólnienie, wyższa teoria opisująca fizykę mikroświata i makroświata w jednym zestawie równań.

Recenzowana książka – Rzeczywistość nie jest tym, czym się wydaje Carlo Rovelliego – opowiada właśnie o wielkim dziele unifikacji. Sam na łamach bloga miałem sposobność przybliżać Wam jedną z kandydatek na teorię wszystkiego, pod postacią teorii strun. Włoski fizyk przedstawia jej główną konkurentkę, nieco mniej popularną, ale co najmniej równie fascynującą, teorię pętlowej grawitacji kwantowej. Recenzja nie jest najlepszym miejscem aby charakteryzować sam koncept, napiszę więc tylko, że część fizyków wywraca do góry nogami nasze dotychczasowe pojmowanie przestrzeni poprzez jej… skwantowanie:

Powierzchnia, podobnie jak odległość, jest zmienną fizyczną, a jej widmo można obliczyć za pomocą równania Diraca. Powierzchnia nie jest wielkością ciągłą, lecz ziarnistą. Nie ma czegoś takiego jak dowolnie mała powierzchnia. Przestrzeń wydaje się nam gładka tylko dlatego, że nie jesteśmy w stanie dostrzec niezwykle małych kwantów przestrzeni. To tak jak z koszulką – dopiero kiedy przyglądamy się jej z bliska, widzimy, że jest utkana z cienkich nitek.

Zresztą nie tylko przestrzeni bo również (co chyba szokuje jeszcze bardziej) czasu:

W tym samym sensie w teorii fundamentalnej nie istnieje też czas – kwanty grawitacji nie ewoluują w czasie. Czas to po prostu licznik zachodzących oddziaływań. Pokazuje to równanie Wheelera-DeWitta, w którym nie występuje zmienna czasowa. Czas, tak jak przestrzeń, wyłania się z kwantowego pola grawitacji.

Jednak przed wkroczeniem w ten dziwaczny świat, Rovelli raczy nas dwoma działami wprowadzającymi. Część pierwsza, Korzenie, sięga do starożytnego Miletu i skupia się na filozoficznych wskazówkach, które pozwoliły uczonym zmienić myślenie o fizycznej rzeczywistości. Prawdziwe “mięso” czuć dopiero w części drugiej, omawiającej dwie wielkie teorie XX wieku, czyli wspomniane wyżej: teorię względności oraz mechanikę kwantową. Wyłożenie pętlowej grawitacji kwantowej następuje w ostatnich dwóch częściach, tj. Przestrzeń kwantowa i czas relacyjny oraz Krok poza czas i przestrzeń. Autor stara się w nich (stara to ważne słowo) udowodnić, że czas nie jest konieczną wartością do opisu struktury wszechświata, że czasoprzestrzeń nie jest ciągła lecz złożona z drobnych elementów, oraz że elementy te łączą się ze sobą, tworząc coś w rodzaju chaotycznej piany, możliwej do rozrysowania w formie grafów. Co cieszy, badacz nie pominął również wątku weryfikacji odważnej hipotezy, czemu poświęcił jeden z podrozdziałów. To dość istotne, bowiem spotkałem się już z opiniami, jakoby teoretycy nie powinni mieszać w głowach laików, swoimi niepotwierdzonymi, być może błędnymi pomysłami. Rovelli siłą rzeczy wyraźnie wierzy w swoje przewidywania, ale odróżnia poszlaki od dowodów i cierpliwie argumentuje swoje racje. 

Ciężar narracji skupiony został więc na drugiej połowie książki. Następujące wcześniej omówienie postulatów teorii względności czy zasady nieoznaczoności, są raczej standardowym dodatkiem, którego nie wypadałoby nie zamieszczać; choć nie sądzę aby osoba zielona, która nigdy wcześniej nie słyszała o Bohrze czy Heisenbergu, skusiła się nagle na lekturę o kwantowej grawitacji. Jedyny powiew świeżości w drugiej części, stanowi wyraźne podkreślenie wątku pól kwantowych – bardzo istotnych z punktu widzenia tytułowej koncepcji.

Z oceną przystępności wykładu włoskiego fizyka, mam pewien kłopot. Nie zdarzało się abym musiał czytać jakiś fragment po trzy razy aby pojąć co chciano mi przekazać – zatem sam sposób formułowania myśli nie pozostawia wiele do życzenia. Wątpliwości budzi natomiast to, czy Rovelli sięgnął dostatecznie głęboko w opisie pętlowej grawitacji kwantowej. Z lektury bez wątpienia wyniosłem gros nowych wiadomości, jednocześnie jednak czując trudny do zdefiniowania niedosyt. Teoria poważnie rozpaliła moją ciekawość, z każdą stroną chciałem ją poznawać coraz lepiej, ale po przebyciu tych ~280 stron odniosłem wrażenie, że nadal nie załapałem clou tematu. Nie byłoby jednak uczciwie winić autora, gdyż ewidentnie robił co mógł. Pętlowa grawitacja – w odróżnieniu od barwnej, wypełnionej wielowymiarowymi kosmykami energii, teorii strun – jest nadzwyczaj abstrakcyjna i wymaga zarówno od nauczyciela jak i od ucznia, stuprocentowej koncentracji.

Na pochwałę zasługuje zawarcie w pracy wielu przejrzystych rycin i diagramów. Naprawdę je doceniam, gdyż pierwszy przysłany mi egzemplarz (przedpremierowy) był ich pozbawiony i stanąłem przed karkołomnym wyzwaniem, samodzielnego wyobrażania sobie pokręconej geometrii kwantowej grawitacji bez graficznych wspomagaczy. Co by nie mówić, dobrze dobrany obraz, rzeczywiście wyraża więcej niż tysiąc słów.

Czytelników Kwantowo, prawdopodobnie zadowoli sposób prezentowania poszczególnych odkryć i idei przez Rovelliego. Podobnie do mnie, ewidentnie znajduje on radość w łączeniu wyjaśnień fizycznych z wstawkami historycznymi. Czasami autor może trochę z dygresjami przesadza, zwłaszcza w części pierwszej (trochę przegina z filozofami), ale liczba ciekawych postaci i anegdot wspomnianych przez autora, pozwala zbudować odpowiedni klimat. Zwłaszcza, że w czasie lektury poznamy nie tylko sławnych fizyków pokroju Feynmana i Wheelera, ale także bardziej anonimowych, jak chociażby Matwieja Bronsztejna czy Chrisa Ishama. 

Rzeczywistość nie jest tym, czym się wydaje to pozycja, co do której zachęcanie nie ma większego sensu. Po prostu, jeśli jesteś gotowy na poważną gimnastykę intelektu oraz wyobraźni, i jednocześnie chcesz być na czasie ze współczesną fizyką teoretyczną – i tak nie masz większego wyboru. O ile na rynku znajduje się sporo niezłych publikacji omawiających teorię strun, o tyle szerokiego opisu pętlowej grawitacji kwantowej podjęła się tylko garstka autorów.

Info:
Autor: Carlo Rovelli;
Tytuł: Rzeczywistość nie jest tym, czym się wydaje. Droga do grawitacji kwantowej;
Wydawnictwo: Feeria Science;
Wydanie: Łódź 2017;
Liczba stron: 288.
Nitghtwish i muzyczny hołd dla Darwina 3 rzeczy, których dowiesz się z książki “Od pyłu do życia” Fizyka i Optyka – recenzja ‚Laboratorium w szufladzie’