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].
