Gdzie popełniliśmy błąd?
Lee Smolin, znany fizyk, wymieniany od lat jako jeden z poważnych kandydatów do Nagrody Nobla, wydał w ostatnim czasie, wraz z filozofem Roberto Ungerem, książkę „The Singular Universe and The Reality of Time”. Autorzy analizują w niej, każdy z punktu widzenia swojej dyscypliny, stan zagubienia współczesnej fizyki. „Nauka rozpada się, gdy opuszcza obszar doświadczalnej sprawdzalności i możliwości zaprzeczenia”, piszą. Wzywają, aby fizyka cofnęła się w czasie i poszukała nowego startu.
Ich propozycje są całkiem konkretne. Smolin i Unger chcą np., abyśmy wrócili do pojęcia Jednego Wszechświata. Powód jest prosty - doświadczamy tylko jednego uniwersum i jedno możemy badać naukowo, natomiast twierdzenia na temat istnienia ich mnogości są nieweryfikowalne empirycznie. Kolejnym założeniem, które proponują przyjąć Smolin i Unger, jest realność czasu, tak, aby nie dawać teoretykom szans na uciekanie od istoty rzeczywistości i jej przemian. I w końcu, autorzy wzywają do ukrócenia fascynacji matematyką, która w swoich „pięknych” i eleganckich modelach odrywa się od świata realnie doświadczanego i dającego się doświadczalnie sprawdzić.
Kto zna „piękną matematycznie” teorię strun, ten łatwo rozpozna w powyższych postulatach jej krytykę. Jednak problem ma charakter bardziej ogólny. W wielu wypowiedziach i publikacjach przewija się dziś przekonanie, że fizyka znalazła się w ślepym zaułku. Gdzieś po drodze chyba popełniliśmy błąd, przyznaje wielu badaczy.
Smolin i Unger nie są więc odosobnieni. Kilkanaście miesięcy temu na łamach „Nature” George Ellis i Joseph Silk opublikowali artykuł na temat obrony integralności fizyki, krytykując tych, którzy coraz chętniej odkładają do bliżej nieokreślonego „jutra” eksperymenty weryfikujące przeróżne „modne” teorie kosmologiczne. Te bowiem mają cechować się „wystarczającą elegancją” i walorami objaśniającymi. „To łamie wieki naukowej tradycji, według której wiedza naukowa to wiedza empirycznie potwierdzona”, przypominają naukowcy. Fakty wskazują wyraźnie na „doświadczalny impas” współczesnej fizyki. Najnowsze bowiem teorie na temat natury oraz struktury świata i Wszechświata są na ogół nie do sprawdzenia drogą dostępnych ludzkości eksperymentów.
Odkrywając bozon Higgsa, uczeni „dopięli” Model Standardowy. Jednak świat fizyki daleki jest od satysfakcji. Wiemy o wszystkich kwarkach i leptonach, ale nie mamy pojęcia, jak to połączyć z teorią grawitacji Einsteina. Nie wiemy, jak połączyć mechanikę kwantową z grawitacją, tak aby powstała spójna teoria grawitacji kwantowej. Nie wiemy też, czym był (i czy rzeczywiście był) Wielki Wybuch.
Obecnie fizycy, nazwijmy to, głównego nurtu, kolejnego kroku po Modelu Standardowym upatrują w supersymetrii (SUSY), która przewiduje, że każda znana nam cząstka elementarna ma symetrycznego „partnera”. Podwaja to łączną liczbę cegiełek materii, ale teoria wspaniale się zgadza w matematycznych równaniach i, co istotne, daje szansę na rozwiązanie zagadki kosmicznej ciemnej materii. Pozostawało tylko czekać na wyniki eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów, aby potwierdzić istnienie supersymetrycznych cząstek.
Jednak z Genewy nic na razie nie słychać o takich odkryciach. Jeśli nadal nic nowego z eksperymentów w LHC nie wyniknie, to zdaniem wielu fizyków należałoby powoli wycofywać się z teorii supersymetrycznych a także superstrun, która na supersymetrii jest oparta. Są uczeni, którzy gotowi są jej bronić, nawet gdy nie znajdzie eksperymentalnego potwierdzenia, bo teoria SUSY jest „zbyt piękna, aby mogła być nieprawdziwa”. W razie potrzeby zamierzają przewartościować swoje równania, tak aby dowieść, że masy supersymetrycznych cząstek znajdują się po prostu poza zasięgiem LHC.
Anomalia anomalię pogania
Doświadczenia - łatwo się mówi! Jednak gdy np. fizykom udaje się w eksperymencie wprowadzić mion na orbitę wokół protonu, a ten od tego „puchnie”, to ze znaną nam fizyką zaczynają się dziać dziwne rzeczy. Powstaje cięższa wersja atomu wodoru i okazuje się, że jądro, czyli proton w takim atomie, jest większe (czyli ma większy promień) niż „zwykły” proton.
Znana nam fizyka nie potrafi tego zjawiska wyjaśnić. Mion, lepton zastępujący w atomie elektron, powinien zachowywać się jak elektron - i zachowuje się, ale dlaczego taka zamiana wpływa na rozmiary protonu? Tego fizycy nie rozumieją. Mogliby, być może, przejść nad tym do porządku dziennego, ale… chwileczkę. Rozmiary protonu są związane z obowiązującymi teoriami fizycznymi, zwłaszcza z Modelem Standardowym. Teoretycy zaczęli w tej niewytłumaczalnej interakcji wietrzyć nowy rodzaj oddziaływania fundamentalnego. Na razie to jednak tylko spekulacje. Po drodze przeprowadzono eksperymenty z atomami deuteru, sądząc, że neutron w jądrze może wpłynąć na efekty. Protony wciąż były większe z mionami dookoła niż z elektronami.
Inna znów stosunkowo nowa dziwność fizyczna to wynikające z badań naukowców z Trinity College Dublin istnienie nowej formy światła. Jedną z mierzalnych cech światła jest jego moment pędu. Dotychczas sądzono, że w wielu formach światła moment pędu jest wielokrotnością stałej Plancka. Tymczasem dr Kyle Ballantine oraz profesorowie Paul Eastham i John Donegan odkryli formę światła, w której moment pędu każdego fotonu przyjmuje wartość połowy stałej Plancka.
To niezwykle odkrycie pokazuje, że nawet podstawowe właściwości światła, o których sądziliśmy, że są niezmienne, mogą być modyfikowane. Będzie to miało realny wpływ na badania nad naturą światła i znajdzie praktyczne zastosowanie np. w bezpiecznej komunikacji optycznej. Fizycy od lat 80. ubiegłego wieku zastanawiali się, jak zachowują się cząstki poruszające się wyłącznie w dwóch wymiarach trójwymiarowej przestrzeni. Stwierdzili, że mielibyśmy wówczas do czynienia z wieloma niezwykłymi zjawiskami, w tym z cząstkami, których wartości kwantowe byłyby ułamkami. Teraz udowodniono to dla światła. Bardzo to ciekawe, ale oznacza, że jeszcze wiele teorii wymaga przemeblowania. A to tylko początek relacji z nowych odkryć wprowadzających ferment w fizyce.
Rok temu pojawiła się mediach informacja, że fizycy z Uniwersytetu Cornella potwierdzili w swoim eksperymencie kwantowy efekt Zenona - możliwość zatrzymania systemu kwantowego jedynie przez prowadzenie ciągłych obserwacji. Nazwa pochodzi od starożytnego greckiego filozofa, który twierdził, że ruch jest złudzeniem, niemożliwym w rzeczywistości. Skojarzenie starożytnej myśli z fizyką współczesną stanowi dzieło Baidyanatha Misry i George’a Sudarshana z Uniwersytetu w Teksasie, którzy opisali ten paradoks w 1977 r. W 1989 r. David Wineland, amerykański fizyk i laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, z którym „MT” rozmawiał w listopadzie 2012 r., dokonał pierwszej doświadczalnej obserwacji efektu Zenona, lecz naukowcy nie byli zgodni, czy przeprowadzony przez niego eksperyment potwierdził istnienie zjawiska.
W ubiegłym roku nowego odkrycia dokonał Mukund Vengalattore, który wraz ze swoim zespołem badawczym przeprowadził eksperyment w ultrazimnym laboratorium na Uniwersytecie Cornella. Uczeni stworzyli i schłodzili gaz składający się z ok. miliarda atomów rubidu w komorze próżniowej i zawiesili masę między wiązkami laserowymi. Atomy organizowały się i tworzyły układ kratownicy - zachowywały się tak, jakby były w ciele krystalicznym. W bardzo niskich temperaturach mogły tunelować z miejsca na miejsce z bardzo niewielką prędkością. Fizycy obserwowali je pod mikroskopem i podświetlali przy pomocy systemu obrazowania laserowego, dzięki czemu mogli je zobaczyć. Gdy laser był wyłączony lub świecił z niską intensywnością, atomy tunelowały swobodnie, lecz gdy wiązka laserowa stała się jaśniejsza, a pomiary były dokonywane częściej, prędkość tunelowania drastycznie spadła.
Vengalattore podsumował swój eksperyment następująco: „mamy teraz niepowtarzalną możliwość kontrolowania dynamiki kwantowej wyłącznie dzięki obserwacji”. Czyżby wyśmiewani w „wieku rozumu” myśliciele „idealistyczni”, od Zenona po Berkeleya, mieli rację, że obiekty istnieją tylko dlatego, że na nie patrzymy?
Rozmaite anomalie i niezgodności z ustabilizowanymi (na pozór) od lat teoriami pojawiają się ostatnio często. Kolejny przykład płynie z obserwacji astronomicznych - kilka miesięcy temu okazało się, że Wszechświat rozszerza się szybciej, niż zakładają znane nam fizyczne modele. Według artykułu, który ukazał się w kwietniu 2016 r. w „Nature”, pomiary naukowców z Uniwersytetu Johns Hopkins dały wynik o 8% wyższy niż oczekiwany przez obowiązującą fizykę. Naukowcy wykorzystali nową technikę analizy tzw. świec standardowych, czyli źródeł światła uznawanych za stabilne. I ponownie komentarze ze środowisk naukowych mówią, że wyniki te wskazują na poważny problem z obecnie obowiązującymi teoriami.
Jeden z wybitnych współczesnych fizyków, John Archibald Wheeler, zaproponował swego czasu kosmiczną wersję słynnego eksperymentu z dwiema szczelinami. W jego myślowej konstrukcji światło odległego o miliard lat świetlnych kwazara przechodzi po dwóch przeciwnych stronach galaktyki. Jeśli obserwatorzy będą obserwować każdą z tych ścieżek oddzielnie, to zobaczą fotony. Jeśli obie na raz, to ujrzą falę. Zatem sam akt obserwacji zmienia naturę światła, które opuściło kwazar miliard lat temu.
Zdaniem Wheelera, powyższe dowodzi, że Wszechświat nie może istnieć w sensie fizycznym, przynajmniej tak jak zwykliśmy rozumieć „stan fizyczny”. Nie może tak istnieć także w przeszłości, dopóki… nie wykonamy pomiaru. Czyli nasz współczesny pomiar wpływa na przeszłość. A więc za pomocą naszych obserwacji, detekcji i pomiarów kształtujemy wydarzenia z przeszłości, w głąb czasu, aż do… początków Wszechświata!
Kończy się rozdzielczość hologramu
Fizyka czarnych dziur zdaje się wskazywać, jak przynajmniej sugerują niektóre modele matematyczne, iż nasz Wszechświat wcale nie jest taki, jak mówią nam nasze zmysły, czyli trójwymiarowy (o czwartym wymiarze - czasie - informuje nas rozum). Otaczająca nas rzeczywistość może być hologramem - projekcją, w istocie dwuwymiarowej, odległej płaszczyzny. Jeśli to właśnie ten obraz Wszechświata jest prawdziwy, iluzja trójwymiarowości czasoprzestrzeni może zostać obalona, gdy tylko instrumenty badawcze, jakimi dysponujemy, staną się odpowiednio czułe. Craig Hogan, profesor fizyki z Fermilab, który poświęcił lata pracy na badanie podstawowej struktury Wszechświata, sugeruje, że poziom ten został właśnie osiągnięty. Jeśli Wszechświat jest hologramem, być może dotarliśmy do granic rozdzielczości rzeczywistości. Niektórzy fizycy proponują intrygującą hipotezę, mówiącą o tym, że czasoprzestrzeń, w której żyjemy, nie jest ostatecznie ciągła, lecz - podobnie jak obraz pochodzący z cyfrowego zdjęcia - na najbardziej podstawowym poziomie składa się ze swoistych „ziaren” lub „pikseli”. Jeśli tak jest w istocie, nasza rzeczywistość musi mieć pewne ostateczne granice „rozdzielczości.” Tak właśnie kilka lat temu część badaczy interpretowała „szum”, który pojawił się w wynikach pochodzących z detektora fal grawitacyjnych Geo600.
By zweryfikować tę niezwykłą hipotezę, Craig Hogan wraz z zespołem skonstruował najdokładniejszy na świecie interferometr, zwany holometrem Hogana, który ma nam zapewnić najprecyzyjniejszy osiągalny pomiar samej podstawowej istoty czasoprzestrzeni. Eksperyment, oznaczony kryptonimem Fermilab E-990, nie jest jednym z wielu kolejnych. Ma bowiem na celu wykazanie kwantowej natury samej przestrzeni i obecności czegoś, co naukowcy nazywają „holograficznym szumem”. „Holometer” składa się z dwóch ustawionych obok siebie interferometrów, wysyłających jednokilowatowe wiązki laserowe do urządzenia rozszczepiającego je na dwie prostopadłe wiązki o 40-metrowej długości. Odbijają się one i wracają do punktu rozszczepiania, tworząc fluktuacje w jasności promieni świetlnych. Jeśli wywołają określony ruch w urządzeniu rozszczepiającym, dowodzić to będzie wibracji samej przestrzeni.
Z punktu widzenia fizyki kwantowej bezprzyczynowo mogła powstać dowolna liczba wszechświatów. My znaleźliśmy się akurat w tym specyficznym, który musiał spełnić szereg subtelnych warunków, aby mógł w nim żyć człowiek. Mówimy wtedy o świecie antropicznym. Dla człowieka wierzącego wystarczy jeden antropiczny Wszechświat stworzony przez Boga. Materialistyczny światopogląd się z tym nie godzi i zakłada, że wszechświatów jest bardzo dużo, albo że obecny Wszechświat jest tylko etapem w niekończącej się ewolucji multiwszechświata.
Autorem współczesnej wersji hipotezy Wszechświata jako symulacji (pokrewnej koncepcji hologramu) jest teoretyk Niklas Boström. Mówi ona, że postrzegana przez nas rzeczywistość stanowi jedynie symulację, której nie jesteśmy świadomi. Naukowiec zasugerował, że jeśli możliwe jest stworzenie wiernej symulacji całej cywilizacji, albo nawet całego Wszechświata, przy pomocy wystarczająco potężnego komputera, a symulowani ludzie mogą doświadczać świadomości, to bardzo prawdopodobne wydaje się istnienie dużej liczby takich symulacji stworzonych przez zaawansowane cywilizacje - a my żyjemy w jednej z nich, w czymś podobnym do „Matrixa”.
Czas nie jest nieskończony
Może więc już pora na przełamanie paradygmatów? Ich obalanie nie jest wcale niczym szczególnie nowym w historii nauki i fizyki. Udało się przecież obalić geocentryzm, pojęcia przestrzeni jako nieaktywnej sceny oraz uniwersalnego czasu, padło przekonanie o statycznym Wszechświecie, porzucono przekonanie o bezwzględności pomiaru…
Paradygmat lokalności nie należy już do tak dobrze uświadamianych, ale on również padł. Erwin Schrödinger i inni twórcy mechaniki kwantowej spostrzegli, że przed aktem pomiaru nasz foton, niczym słynny kot umieszczony w pudle, nie ma jeszcze określonego stanu, będąc spolaryzowanym pionowo i poziomo jednocześnie. Co może się stać, jeśli umieścimy dwa splątane fotony bardzo daleko od siebie i zbadamy ich stan oddzielnie? Obecnie wiemy, że jeśli foton A okaże się spolaryzowany poziomo, to foton B musi mieć polaryzację pionową, choćbyśmy go wcześniej umieścili miliard lat świetlnych stąd. Obie cząstki nie mają sprecyzowanego stanu przed pomiarem, ale po otwarciu jednego z pudełek druga od razu „wie”, jaką cechę ma przybrać. Dochodzi do rodzaju niezwykłej komunikacji dziejącej się poza czasem i przestrzenią. Według nowej teorii splątania lokalność nie jest już czymś pewnym, a dwie z pozoru oddzielne cząstki mogą zachowywać się jak układ wspólny, ignorujący taki szczegół, jak odległość.
Skoro nauka rozprawiła się z rozmaitymi paradygmatami, to dlaczego nie ma rozbić utrwalonych poglądów, które wciąż trwają w głowach fizyków i powtarzane są w środowiskach badawczych? Może to będzie wzmiankowana supersymetria, może przekonanie o istnieniu ciemnej energii i materii, a może wyobrażenie o Wielkim Wybuchu i rozszerzaniu się Wszechświata?
Jak do tej pory dominuje pogląd, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie i prawdopodobnie będzie to robić w nieskończoność. Jednak są fizycy, którzy zauważają, że teoria wiecznego rozszerzania się Wszechświata, a zwłaszcza wynikająca z niej sugestia, że czas jest nieskończony, stanowi pewien problem, kiedy obliczamy prawdopodobieństwo wystąpienia jakiegoś zdarzenia. Niektórzy naukowcy dowodzą, ze czas prawdopodobnie skończy się w ciągu najbliższych 5 mld lat, z powodu jakiejś katastrofy.
Fizyk Raphael Bousso z Uniwersytetu Kalifornijskiego wraz ze współpracownikami opublikował na portalu arXiv.org artykuł wyjaśniający, że w wiecznym wszechświecie, nawet najbardziej nieprawdopodobne zdarzenia ostatecznie wystąpią - i w dodatku wystąpią nieskończoną ilość razy. Ponieważ prawdopodobieństwo definiowane jest w kategoriach względnej liczby wydarzeń, to w wieczności nie byłoby sensu określania jakiegokolwiek prawdopodobieństwa, ponieważ każde zdarzenie byłoby jednakowo prawdopodobne. „Wieczna inflacja ma głębokie implikacje”, pisze Bousso. „Każdy zdarzenie, które ma niezerowe prawdopodobieństwo wystąpienia, zdarzy się nieskończenie wiele razy, najczęściej w odległych od siebie regionach, między którymi nigdy nie będzie kontaktu.” To podważa podstawy probabilistycznych prognoz podczas eksperymentów lokalnych: jeśli nieskończenie wielu obserwatorów w całym Wszechświecie wygrywa na loterii, to na jakiej podstawie można jeszcze twierdzić, że wygrana na loterii jest mało prawdopodobna? Oczywiście, istnieje również nieskończenie wielu obserwatorów, którzy nie wygrywają, ale w jakim sensie jest ich więcej?
Jednym z rozwiązań tego problemu, jak wyjaśniają fizycy, pozostaje założenie, że czas się skończy. Wtedy będziemy mieli do czynienia ze skończoną liczbą zdarzeń, a nieprawdopodobne zdarzenia wystąpią rzadziej niż zdarzenia prawdopodobne.
Ten moment „cięcia” definiuje zbiór pewnych dozwolonych wydarzeń. Zatem fizycy próbowali obliczyć prawdopodobieństwo, kiedy czas się skończy. Podano pięć różnych metod zakończenia czasu. W dwóch scenariuszach występuje 50% szans, że stanie się to w ciągu 3,7 miliarda lat. W dwóch innych - 50% szans, że w ciągu 3,3 miliarda lat. W piątym scenariuszu czas, który nam pozostał, jest bardzo krótki (rzędu czasu Plancka). Z dużym prawdopodobieństwem może skończyć się nawet w… następnej sekundzie.
Nie sprawdziło się?
Na szczęście obliczenia te przewidują, że większość obserwatorów to tzw. dzieci Boltzmanna, powstałe z chaosu fluktuacji kwantowych we wczesnym Wszechświecie. Ponieważ większość z nas nimi nie jest, fizycy odrzucili ten scenariusz.
„Granica może być traktowana jako obiekt z atrybutami fizycznymi, w tym temperaturą”, piszą autorzy w swoim artykule. „Materia po spotkaniu z końcem czasu osiągnie równowagę termodynamiczną z horyzontem. Jest to podobne do opisu opadania materii na czarną dziurę, sporządzonego przez zewnętrznego obserwatora.”
Pierwszym założeniem jest to, że Wszechświat wiecznie rozszerza się w nieskończoność, co stanowi konsekwencję ogólnej teorii względności i pozostaje dobrze poparte dowodami doświadczalnymi. Zgodnie z drugim założeniem prawdopodobieństwo opiera się na względnej częstotliwości zdarzeń. Wreszcie trzecie założenie mówi o tym, że jeśli czasoprzestrzeń jest naprawdę nieskończona, to jedynym sposobem na określenie prawdopodobieństwa zdarzenia pozostaje ograniczenie swojej uwagi do skończonego podzbioru nieskończonego wieloświata.
Czy sens się odnajdzie?
Będące osnową tego artykułu wywody Smolina i Ungera zakładają, że możemy doświadczalnie badać tylko nasz Wszechświat, odrzucając pojęcie multiwszechświata. Tymczasem analiza danych zebranych za pomocą europejskiego kosmicznego teleskopu Plancka ujawniła istnienie anomalii, mogących świadczyć o dawnej interakcji pomiędzy naszym Wszechświatem a innym. Czyli akurat obserwacja i eksperyment wskazują na inne wszechświaty.
Obecnie część fizyków zakłada, że jeśli twór zwany multiświatem istnieje i wszystkie wszechświaty wchodzące w jego skład wyłoniły się z jednego Wielkiego Wybuchu, to mogło dochodzić pomiędzy nimi do kolizji. Zgodnie z badaniami, przeprowadzonymi przez zespół obserwatorium Plancka, kolizje te przypominałyby nieco zderzenie dwóch baniek mydlanych, pozostawiając na zewnętrznej powierzchni wszechświatów ślady, które teoretycznie można by zarejestrować jako anomalie w rozkładzie mikrofalowego promieniowania reliktowego. Co ciekawe, sygnały zarejestrowane przez teleskop Plancka wydają się sugerować, że jakiś bliski nam wszechświat bardzo różni się od naszego, ponieważ różnica pomiędzy liczbą cząstek subatomowych (barionami) a fotonami może być w nim nawet dziesięciokrotnie większa niż „u nas”. Oznaczałoby to, że podstawowe zasady fizyczne mogą być inne niż te, które znamy.
Wykryte sygnały pochodzą prawdopodobnie z wczesnej ery Wszechświata - z okresu tzw. rekombinacji, gdy protony i elektrony po raz pierwszy zaczęły łączyć się ze sobą, tworząc atomy wodoru (możliwość sygnału od stosunkowo bliskich źródeł to ok. 30%). Obecność tych sygnałów może świadczyć o wzmożonym procesie rekombinacji po zderzeniu pomiędzy naszym Wszechświatem a innym, mającym większą gęstość materii barionowej.
W sytuacji nagromadzenia sprzecznych i najczęściej czysto teoretycznych spekulacji niektórzy uczeni wyraźnie tracą cierpliwość. Świadczyć o tym może ostra wypowiedź Neila Turoka z Instytutu Perimeter w Waterloo w Kanadzie, który w rozmowie z magazynem „NewScientist” w 2015 r. irytował się, że „nie udaje się nam znaleźć sensu w tym, co odkrywamy.” Jak dodał: „teoria staje się coraz bardziej skomplikowana i wymyślna. Rzucamy w problem kolejnymi polami, wymiarami i symetriami, nawet kluczem francuskim, ale nie udaje się wyjaśnić najprostszych faktów”. Wielu fizyków wyraźnie irytuje sytuacja, w której współczesne podróże umysłu, jakim oddają się teoretycy, np. powyższe rozważania albo teoria superstrun, ani nie mają nic wspólnego z eksperymentami obecnie przeprowadzanymi w laboratoriach, ani też nie widać żadnego sposobu ich sprawdzenia na drodze doświadczalnej.
Czy to rzeczywiście ślepa uliczka i trzeba się z niej wycofać, jak proponuje Smolin z kolegą filozofem? A może chodzi o tumult i zamieszanie przed jakimś, czekającym nas wkrótce, epokowym odkryciem?
Zapraszamy do lektury Tematu numeru w najnowszym wydaniu miesięcznika "Młody Technik".
