Zagadka czasu
"Czas absolutny, prawdziwy i matematyczny (1) mija bez związku z czymkolwiek zewnętrznym, a więc bez odniesienia do jakiejkolwiek zmiany lub sposobu pomiaru czasu", pisał Isaac Newton. Uważał, że czas może być naprawdę zrozumiany tylko matematycznie. Jednowymiarowy czas bezwzględny i trójwymiarowa geometria Wszechświata były dla niego niezależnymi i odrębnymi aspektami obiektywnej rzeczywistości, a w każdym momencie czasu bezwzględnego wszystkie zdarzenia we Wszechświecie zachodziły jednocześnie.
Za pomocą swojej szczególnej teorii względności Einstein pozbawił koncepcję czasu jednoczesności. Zgodnie z jego myślą jednoczesność nie jest bezwzględną relacją pomiędzy zdarzeniami - to, co jest równoczesne w jednym układzie odniesienia, niekoniecznie będzie równoczesne w innym.
Przykładem einsteinowskiego rozumienia czasu może być choćby mion pochodzący z promieniowania kosmicznego. Jest niestabilną subatomową cząstką, której średni czas życia wynosi 2,2 mikrosekundy. Powstaje w górnej atmosferze i choć spodziewamy się, że przed rozpadem przebędzie jedynie 660 metrów (biorąc pod uwagę prędkość światła 300 000 km/s), efekty dylatacji w czasie pozwalają mionom kosmicznym na ponad 100-kilometrowe loty na powierzchnię Ziemi i dalej w jej głąb. W układzie odniesienia z Ziemią miony mają dłuższe życie ze względu na ich dużą prędkość.
W 1907 roku były nauczyciel Einsteina, Hermann Minkowski, wyobrażał sobie przestrzeń i czas jako czterowymiarowe kontinuum, zwane czasoprzestrzenią. Czas czasoprzestrzenny zachowuje się jak scena, w której cząstki poruszają się we Wszechświecie względem siebie. Ta wersja czasoprzestrzeni była jednak niepełna (zobacz także: Kto jest świadomy? My czy czasoprzestrzeń?). Nie obejmowała grawitacji aż do chwili, gdy w 1916 r. Einstein przedstawił teorię ogólnej względności. Tkanina czasoprzestrzeni jest ciągła, gładka, zakrzywiona i zdeformowana przez obecność materii i energii (2). Grawitacja jest krzywizną Wszechświata, powodowaną przez masywne ciała i inne formy energii, która określa drogę, po której poruszają się obiekty. Ta krzywizna jest dynamiczna, poruszająca się w miarę przemieszczania się tych obiektów. Jak mówi fizyk John Wheeler, "przestrzeń czasowa chwyta masę, mówiąc jej, jak ma się poruszać - masa chwyta czasoprzestrzeń, mówiąc jej, jak ma się zakrzywić".
Czas i kwantowy świat
Ogólna względność uważa przepływ czasu za ciągły i względny, zaś mechanika kwantowa uważa przepływ czasu za uniwersalny i absolutny w wybranym wycinku. W latach 60. XX wieku udana próba połączenia niekompatybilnych wcześniej idei, mechaniki kwantowej i ogólnej względności, dała początek temu, co znane jest jako równanie Wheelera–De-Witta, krok w kierunku teorii grawitacji kwantowej. Równanie to rozwiązało jeden problem, ale stworzyło inny. W tym równaniu czas nie ma żadnej roli. Doprowadziło to do wielkiego sporu wśród fizyków, który określa się jako problem czasu.
Carlo Rovelli (3), współczesny włoski fizyk teoretyk ma na ten temat zdecydowaną opinię. "Nigdy tak naprawdę nie widzimy czasu. Widzimy tylko zegary. Jeśli mówisz, że ten obiekt się porusza, to naprawdę masz na myśli to, że ten obiekt jest tutaj, kiedy wskazówka twojego zegara jest tutaj, i tak dalej. Mówimy, że mierzymy czas za pomocą zegarów, ale widzimy tylko wskazówki zegarów, a nie sam czas. A wskazówki zegara są fizyczną zmienną, jak każda inna. Tak więc w pewnym sensie oszukujemy, ponieważ to, co naprawdę obserwujemy, jest zmienną fizyczną jako funkcją innych zmiennych fizycznych, ale reprezentujemy to tak, jakby wszystko ewoluowało w czasie", napisał w książce "Tajemnica Czasu".
Ci, którzy zgadzają się z kopenhaską interpretacją mechaniki kwantowej, uważają, że procesy kwantowe rządzone są równaniem Schrödingera, które jest symetryczne w czasie, zaś nieodwracalność w kwantowej strzałce czasu emanuje z falowego załamania funkcji. W wersji entropii dla mechaniki kwantowej to nie ciepło płynie, gdy entropia się zmienia, tylko informacja. Niektórzy fizycy kwantowi twierdzą, że znaleźli podstawowe źródło strzałki czasu. Mówią, że energia się rozprasza, a obiekty wyrównują, ponieważ cząstki elementarne wiążą się podczas oddziaływania w formie "splątania kwantowego". Einstein wraz ze swoimi kolegami Podolskim i Rosenem uznali takie zachowanie za niemożliwe, gdyż narusza ono lokalny realistyczny pogląd na przyczynowość. Jak zlokalizowane z dala od siebie cząstki mogą natychmiast oddziaływać na siebie nawzajem - pytali.
W 1964 r. irlandzki fizyk, Jon Stewart Bell, opracował eksperymentalny test, który obalił twierdzenia Einsteina o tzw. ukrytych zmiennych. W związku z tym powszechne jest przekonanie, że informacja rzeczywiście przemieszcza się między splątanymi cząstkami, potencjalnie z prędkością większą niż może przemieszczać się światło. Wydaje się, według naszej najlepszej wiedzy, że czas nie istnieje dla splątanych cząstek (4).
Zespół fizyków z Uniwersytetu Hebrajskiego pod kierownictwem Eli Megidisha w Jerozolimie poinformował w 2013 roku, że udało im się splątać fotony, które nie współistniały ze sobą w czasie. Najpierw w pierwszym kroku stworzyli splątaną parę fotonów, 1-2. Wkrótce potem zmierzyli polaryzację fotonu 1 (właściwość opisującą kierunek oscylacji światła) - tym samym "zabijając" go (krok II). Foton 2 został wysłany podróż, podczas gdy powstała nowa splątana para 3-4 (krok III). Następnie zmierzono foton 3 wraz z wędrującym fotonem 2 w taki sposób, że stosunek splątania "zamieniono" ze starych par (1-2 i 3-4) na nowy kombinowany 2-3 (krok IV). Jakiś czas później (krok V) mierzona jest polaryzacja samotnego ocalałego fotonu 4, a wyniki porównywane są z polaryzacją długo martwego fotonu 1 (wstecz w kroku II). Rezultat? Dane ujawniły istnienie korelacji kwantowych pomiędzy fotonami 1 i 4 "czasowo nielokalnymi". Oznacza to, że splątanie może występować w dwóch układach kwantowych, które nigdy nie współistniały w czasie.
Megidish i jego koledzy nie mogą oprzeć się spekulacjom na temat możliwych interpretacji swoich wyników. Być może pomiar polaryzacji fotonu 1 w kroku II w jakiś sposób kieruje przyszłą polaryzacją 4 albo pomiar polaryzacji fotonu 4 w kroku V w jakiś sposób przepisuje dawny stan polaryzacji fotonu 1. Zarówno w kierunku do przodu, jak i do tyłu, korelacje kwantowe rozciągają się na pustkę przyczynową pomiędzy śmiercią jednego fotonu a narodzeniem drugiego.
Co to może oznaczać w makroskali? Naukowcy, snując rozważania o możliwych konsekwencjach, mówią np. o możliwości, że przeprowadzone przez nas obserwacje światła gwiazd w jakiś sposób podyktowały polaryzację fotonów przed 9 miliardami lat.
Para fizyków z USA i Kanady, Matthew S. Leifer z Uniwersytetu Chapmana w Kalifornii i Matthew F. Pusey z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Ontario, zauważyła parę lat temu, że jeśli nie będziemy trzymać się wersji, że czas biegnie w jedną stronę, znikają "upiory" Einsteina. Pomiary przeprowadzone na cząstce mogą odbijać się echem w przeszłości i przyszłości, które tracą w tej sytuacji znaczenie. Przeformułowując kilka podstawowych założeń, naukowcy opracowali model oparty na twierdzeniu Bella, w którym przestrzeń została zamieniona na czas. Ich obliczenia pokazują, dlaczego, przyjmując, iż czas zawsze biegnie do przodu, potykamy się o sprzeczności.
Według Carla Rovellego nasze ludzkie doświadczenie czasu jest nierozerwalnie związane ze sposobem, w jaki zachowuje się energia cieplna. Dlaczego poznajemy tylko przeszłość, a nie przyszłość? Kluczem, jak sugeruje uczony, jest jednokierunkowy przepływ ciepła z cieplejszych obiektów do zimniejszych. Kostka lodu wrzucona do gorącej filiżanki kawy chłodzi kawę. Ale proces ten nie jest odwracalny. Człowiek, jako swoista "maszyna termodynamiczna", podąża za tą strzałką czasu i nie jest w stanie pojąć innego kierunku. "Jeżeli jednak obserwuję stan mikroskopowy", pisze Rovelli, "to różnica między przeszłością a przyszłością zanika (...) w elementarnej gramatyce rzeczy, nie ma rozróżnienia między przyczyną a efektem".
Czas odmierzany w porcjach kwantowych
A może czas da się skwantyzować? Nowa teoria, która pojawiła się w ostatnim czasie, sugeruje, że najmniejszy możliwy do wyobrażenia przedział czasu nie może być większy od jednej milionowej miliardowej części miliardowej części sekundy. Teoria nawiązuje do koncepcji, że we Wszechświecie może istnieć wbudowany "zegar" lub przynajmniej podstawowa właściwość podobna do zegara. Zdaniem teoretyków implikacje tego rozumowania mogłyby pomóc w stworzeniu "teorii wszystkiego".
Koncepcja czasu ujętego w kwantowe ramy nie jest nowa. Model grawitacji kwantowej proponuje, aby czas był kwantyzowany i miał pewną szybkość tykania. Cykl tego tykania to uniwersalna, minimalna jednostka i żaden pomiar czasu nie może być mniejszy od niej. Byłoby to tak, gdyby u podłoża Wszechświata znajdowało się pole wyznaczające minimalną szybkość tykania dla wszystkiego, co w nim się znajduje, analogiczne do pola Higgsa, z którego powstaje cząstka bozonu Higgsa nadająca masę innym cząstkom. W przypadku tego uniwersalnego zegara, "zamiast dawać masę, dawałby on czas", wyjaśnia jeden z fizyków proponujących kwantyzowanie czasu, Martin Bojowald.
Modelując taki uniwersalny zegar, on i jego koledzy z zespołu na amerykańskiej uczelni Penn State wykazali, że będzie on miał implikacje dla budowanych przez człowieka zegarów atomowych, które używają oscylacji atomów w celu dokonywania najdokładniejszych znanych pomiarów czasu. Zgodnie z tym modelem, tykanie zegarów atomowych (5) niekiedy mogłoby nie synchronizować się z tykaniem zegara uniwersalnego. Ograniczyłoby to precyzję pomiaru czasu pojedynczego zegara atomowego, co oznacza, że dwa różne zegary atomowe mogłyby ostatecznie nie zgadzać się co do długości odmierzanego okresu. Biorąc pod uwagę, że nasze najlepsze zegary atomowe zgadzają się ze sobą i mogą mierzyć tykanie do 10-19 sekundy, albo dziesiątą miliardową część miliardowej części sekundy, podstawowa jednostka czasu nie może być większa niż 10-33 sekundy. Takie są konkluzje artykułu na temat tej teorii, który ukazał się w czerwcu 2020 w czasopiśmie "Physical Review Letters".
Sprawdzenie, czy taka podstawowa jednostka czasu istnieje, przekracza nasze obecne możliwości technologiczne, ale i tak wydaje się bardziej dostępne niż pomiar czasu Plancka, który wynosi 5,4×10-44 sekundy.
Efekt motyla nie działa!
Usuwanie czasu z kwantowego świata czy jego kwantyzowanie - to może mieć interesujące konsekwencje, ale bądźmy szczerzy, masową wyobraźnię porusza coś innego, mianowicie podróże w czasie.
Prawie rok temu profesor fizyki z Uniwersytetu Connecticut, Ronald Mallett, powiedział CNN, że napisał naukowe równanie, które może posłużyć za podstawę dla rzeczywistego wehikułu czasu. Zbudował nawet urządzenie ilustrujące kluczowy element tej teorii. Uważa on, że teoretycznie możliwe jest przekształcenie czasu w pętlę, która pozwoliłaby na podróże w czasie do przeszłości. Zbudował nawet prototyp pokazujący, jak lasery mogą pomóc w osiągnięciu tego celu. Trzeba zaznaczyć, że koledzy Malletta nie są przekonani, że jego wehikuł czasu kiedykolwiek się urzeczywistni. Nawet Mallett przyznaje, że jego pomysł jest w tym momencie całkowicie teoretyczny.
"New Scientist" doniósł pod koniec 2019 r., że fizycy Barak Shoshany i Jacob Hauser z Perimeter Institute w Kanadzie opisali rozwiązanie, w którym człowiek mógłby teoretycznie podróżować z jednej osi czasu do drugiej, przechodząc przez dziurę w czasoprzestrzeni lub tunel w sposób, który, jak twierdzą, jest "matematycznie możliwy". Model ten zakłada, że istnieją różne równoległe wszechświaty, w których możemy się poruszać i ma poważną wadę - podróże w czasie nie przynoszą żadnych skutków dla własnej osi czasu podróżującego. Czyli można wpływać na inne kontinua, ale to, z którego zaczęliśmy podróż, pozostaje niezmienione.
A skoro jesteśmy przy kontinuach czasoprzestrzennych, to używając komputera kwantowego do symulacji podróży w czasie, naukowcy udowodnili niedawno, że w sferze kwantowej nie ma "efektu motyla", znanego z wielu filmów i książek science-fiction. W eksperymentach na poziomie kwantowych uszkodzone kubity wracają do stanu sprzed uszkodzenia, wydając się w dużej mierze niezmienione, tak jakby rzeczywistość sama się uzdrawiała. Praca na ten temat ukazała się w "Psysical Review Letters" w lecie tego roku. "Na komputerze kwantowym nie ma problemu z symulacją ewolucji przeciwstawnej w czasie, ani z symulacją cofania procesu do przeszłości", wyjaśniał Mikołaj Sinicyn, fizyk teoretyk z Narodowego Laboratorium Los Alamos i współautor pracy. "Tak naprawdę możemy zobaczyć, co dzieje się ze złożonym światem kwantowym, jeśli cofniemy się w czasie, dodamy niewielkie uszkodzenia i powrócimy. Odkrywamy, że nasz pierwotny świat przetrwał, co oznacza, że nie ma efektu motyla w mechanice kwantowej".
To wielki cios dla science fiction, ale być może dobra wiadomość dla nas. Kontinuum czasoprzestrzenne dba o zachowanie spójności, nie pozwalając, by drobne zmiany je niszczyły. Dlaczego? To ciekawe pytanie, ale trochę inny temat niż czas jako taki.
Mirosław Usidus
