Wszechświat pozbawiony czasu

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

http://i.imgur.com/a2e1IVd.gif

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. Ogólna teoria względności opisuje przestrzeń, czas i w ogóle wszystko co obserwujemy na co dzień, podczas gdy fizyka mikroświata 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 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: tu i tu). 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 zegary

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. 

Jednoczesność w bloku czasoprzestrzeni (za: Poza kosmosem).

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. 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].