Co w fizyce wisi w powietrzu? Nauka, która poszła wieloma ścieżkami… oby nie w las
Pisaliśmy niejeden raz, że zarówno Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych (1), jak też teorie Einsteina raz po raz zyskują nowe potwierdzenia. Nie ukrywaliśmy, że kolejne odkrycia nie satysfakcjonują fizyków, bo wciąż nie mogą połączyć dwu fundamentalnych teorii - mechaniki kwantowej i względności, w jeden zunifikowany model. Przecież na poziomie cząstek i we Wszechświecie wielkich obiektów kosmicznych ostatecznie powinna obowiązywać ta sama fizyka, sądzą uczeni. To sprawia, że wielu z nich zaczęło marzyć o czymś, co podważy z jednej strony Model Standardowy, a z drugiej - teorie względności opisujące grawitację.
Nic takiego, w sensie dobrze potwierdzonego odkrycia i alternatywnego opisu naukowego, jak dotąd nie znaleźliśmy. Różnego rodzaju sensacyjne doniesienia o odkryciach "otwierających drzwi do nowej fizyki" są często przesadzone, przedwczesne, a jeśli coś jest na rzeczy, to trzeba czekać na potwierdzenia, dodatkowe dane, kolejne eksperymenty. By podważyć teorie oparte na dekadach badań, potwierdzających wyników eksperymentów, potrzeba co najmniej równie bogatego materiału dowodowego i solidnej pracy teoretycznej.
Współczesna fizyka prowadzi obecnie jednak cały szereg badań, które, jak to się czasem mówi, "mają potencjał". Chodzi o tkwiącą w nich potencjalnie moc zrewolucjonizowania obowiązujących poglądów i nawet całych teorii fizycznych. Przyjrzyjmy się więc tym wiszącym w powietrzu sensacjom naukowym, co do których nie ma pewności, czy spadną na nas z hukiem, który zburzy wszystko, co wiemy, czy może jednak rozpłyną się w owym powietrzu, w ciszy zapomnienia, jak to z wieloma potencjalnie rewolucyjnymi teoriami bywa.
W poszukiwaniu "piątej siły"
Według naszej najlepszej (a może lepiej powiedzieć - standardowej) wiedzy cała materia we wszechświecie składa się z dwudziestu pięciu cząstek elementarnych (dwanaście kwarków i leptonów, ich antyodpowiedniki i bozon Higgsa). Fizycy gromadzą je w Modelu Standardowym, który można uznać za coś w rodzaju układu okresowego dla cząstek subatomowych.
Cząstki modelu wchodzą w interakcje za pomocą czterech rodzajów oddziaływań (sił). Są to: grawitacja, elektromagnetyzm, silne oddziaływanie jądrowe, które odpowiada za spójność jądra atomowego, przeciwstawiając się sile elektromagnetycznej, oraz słabe oddziaływanie jądrowe, które wiąże się z rozpadem jądra atomowego. Wszystkie inne oddziaływania, które znamy, na przykład siła vander Waalsa, która utrzymuje atomy w cząsteczkach, siły tarcia, siły mięśni, to wszystko są siły emergentne, czyli wywodzą się z tych czterech fundamentalnych oddziaływań.
Einstein miałby do tego "układu sił" taką uwagę, że grawitacja nie jest siłą, lecz efektem zakrzywienia czasoprzestrzeni (2). Trzy pozostałe, po odliczeniu grawitacji, oddziaływania są do siebie podobne w tym sensie, że wiemy, iż pośredniczą w nich pewne rodzaje cząstek. Oznacza to, że jeśli istnieje oddziaływanie pomiędzy dwiema cząstkami, jak na przykład dodatnio naładowanym protonem i ujemnie naładowany elektronem, to można je rozumieć jako wymianę cząstki pomiędzy nimi.
W przypadku elektromagnetyzmu tą cząstką jest foton, kwant światła. W przypadku silnych oddziaływań jądrowych są to gluony "sklejające" ze sobą kwarki, a w oddziaływaniem słabym są to bozony Z i W.
Wierzymy, że również grawitacja polega na wymianie cząstek, które nazywamy "grawitonami", ale nigdy takich nie wykryto. Jest też cząstka typu bozon, a konkretnie bozon Higgsa, która nie przenosi oddziaływań podstawowych, ale nadaje masę innym cząstkom. Są fizycy, którzy uważają, że jednak przenosi lub sam jest oddziaływaniem. Sprawa nie jest wyjaśniona, gdyż oddziaływania podstawowe wynikają z symetrii, nawet grawitacja (choć wspomniany Einstein nie nazwałby grawitacji - "siłą"), zaś bozon Higgsa nie opiera się na symetrii, a mimo to ma cechy oddziaływania. Kto mówił, że wszystko we współczesnej fizyce jest jasne?
Wielu fizyków chętnie mówi o kolejnym, piątym typie oddziaływania, bo ich zdaniem, pozwoliłby wyjaśnić to, co nie jest w tej chwili jasne. Choć na istnienie "piątej siły natury" nie ma dowodów, często gości w nagłówkach brzmiących sensacyjnie doniesień. Z pewnością nie jest ona łatwa do wykrycia i zaobserwowania, bo gdyby tak było, już dawno przecież byśmy ją wykryli. Oznacza to, że siła ta albo staje się zauważalna dopiero przy bardzo dużych odległościach, więc można ją zaobserwować w kosmologii lub astrofizyce, albo staje się zauważalna przy bardzo małych odległościach i jest ukryta gdzieś w głębinach fizyki cząstek elementarnych.
Na przykład, anomalia dotycząca mionu g-2, może być oznaką nowego nośnika oddziaływań, więc może to być owa "piąta siła". A może nie. Istnieje też przypuszczalna anomalia w niektórych procesach jądrowych, w której mogłaby pośredniczyć nowa cząstka, zwana X17, której istnienie zasygnalizował pięć lat temu węgierski uczony Attila Krasznahorkay. Żadna z tych anomalii nie ma z punktu widzenia fizyków wielkiej siły przekonywania, a z pewnością nie ma żadnego silnego dowodu na "piątą siłę".
"Najbardziej wiarygodny argument przemawiający za istnieniem piątej siły pochodzi z obserwacji, które zwykle przypisujemy ciemnej materii", pisze znana niemiecka fizyk dr Sabine Hossenfelder na swoim blogu. "Astrofizycy wprowadzają ciemną materię, ponieważ widzą siłę, która działa na normalną materię. Najszerzej akceptowaną hipotezą dla tej obserwacji jest to, że ta siła to po prostu grawitacja, a więc znany już typ oddziaływania, które działa na nieznany jeszcze rodzaj materii.
To założenie nie pasuje zbyt dobrze do wszystkich obserwacji, więc może być tak, że to nie jest tylko grawitacja, ale rzeczywiście nowa siła, i to byłaby piąta siła. Wiązana z nią bywa także ciemna energia, ale tak naprawdę nie jest to konieczne do wyjaśnienia obserwacji, przynajmniej nie w tej chwili".
Napęd warp bez ujemnej energii i masy?
Fizyka wchodzi ostatnio na obszary, które kojarzyliśmy do tej pory jedynie z fantastyką naukową. Stamtąd znamy np. podróżowanie z prędkością większą niż światło i tajemniczo brzmiący "napęd warp". Literatura i filmy na ogół nie wyjaśniają, jak to się dzieje. Po prostu "wchodzi się w nadświetlną" i już. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, niemożliwe jest, by cokolwiek podróżowało szybciej niż prędkość światła. A to dlatego, że gdy obiekt porusza się szybciej, jego masa wzrasta, więc zanim osiągniesz prędkość światła, masa ta zbliżałaby się do nieskończoności. Dodatkowo, aby przyspieszyć do tej prędkości, potrzebna byłaby nieskończona energia.
W 1994 r. meksykański fizyk teoretyczny Miguel Alcubierre przedstawił wizję "napędu warp", który teoretycznie mógłby pozwolić na podróżowanie szybciej niż światło "zgodnie z fizyką". Pomysł polega na wytworzeniu wokół obiektu bąbla ujemnej energii, w wyniku czego czasoprzestrzeń przed obiektem kurczy się, a przestrzeń za nim rozszerza (3). W środku znajduje się "płaski" obszar czasoprzestrzeni, w którym obiekt może podróżować w komfortowych warunkach, a jego mieszkańcy nie czują nawet, że się poruszają.
Można sobie swobodnie mówić o generowaniu bąbla ujemnej energii, ale wymagałoby to egzotycznych form materii (ujemna masa), które nie są łatwe do zdobycia, o ile w ogóle istnieją. Wprawdzie fizyka zna coś takiego jak ujemna energia, którą możemy wygenerować z próżni w tzw. efekcie Casimira, ale te ilości energii są minimalne w stosunku do potrzeb podróży kosmicznych.
Jednak myśl ta żyje, także wśród ludzi nauki. Wiosną 2021 r. astrofizyk z uniwersytetu w Getyndze Erik Lentz opublikował nowy projekt teoretyczny, który mógłby umożliwić podróże z prędkością większą niż prędkość światła, bez sięgania po egzotyczne pojęcia ujemnej energii i masy. Proponuje sposób na tworzenie "bąbli warp" z dodatnich źródeł energii. Chce do tego wykorzystać tzw. solitony, zwarte fale, które poruszają się ze stałą prędkością, nie tracąc swojego kształtu.
Solitony można zaobserwować w pewnych okolicznościach w falach wodnych, ruchach atmosfery, które tworzą szczególne formacje chmur, lub w świetle przechodzącym przez różne ośrodki. Lentz odkrył, że pewne konfiguracje solitonów mogą być formowane przy użyciu konwencjonalnych źródeł energii, nie naruszając żadnego z równań Einsteina bez korzystania z ujemnych energii. Ponieważ w centrum solitonu występują minimalne siły pływowe, czas płynąłby w tym samym tempie zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz bańki warp.
Lentz wykazuje, że naładowana plazma może wygenerować wymagane odkształcenia przestrzeni i czasu, aby stworzyć bąbel. Niestety, ilość potrzebnej energii jest równie ogromna, jak w przypadku rozwiązania Alcubierre. Nic, czym obecnie dysponujemy, ani Wielki Zderzacz Hadronów, ani nawet gwiazda nie są w stanie wygenerować takiej ilości energii.
Lentz pozostawia swój pomysł do dalszej pracy z nadzieją, że pewnego dnia uda się wygenerować takie bańki warp, które pozwolą na podróże do gwiazd. Ponieważ rozwiązanie Alcubierre zostało jak do tej pory ulepszone o około sześćdziesięciu rzędów wielkości w stosunku do jego pierwotnej propozycji z 1994 roku, istnieje nadzieja, że dzięki modelowaniu numerycznemu i odrobinie pomysłowości wymagania Lentza również zostaną zredukowane. Reszta to inżynieria.
Niby-cząstki w prawdziwej elektronice
Skoro jesteśmy przy solitonach, które znajdują się na wydłużającej się liście "kwazicząstek", to warto zwrócić uwagę na rosnącą popularność badań tych obiektów w fizyce. Ta ścieżka prowadzi nie tylko do odkryć czysto naukowych, ale również potencjalnie do nowych technologii, np. w świecie komputerów i danych.
Naukowcy z Laboratorium Ames Departamentu Energii USA odkryli ok. trzy lata temu subatomową kwazicząsteczkę, zwaną skyrmionem, która, według dostępnych opisów, umie "reprodukować się" zupełnie jak komórki biologiczne. Jest to także rodzaj solitonu, co kojarzy się z wcześniejszymi opisami teoretycznego napędu warp Lentza. Skyrmiony to pakiety energii i sił magnetycznych, bez masy, które samoczynnie układają się we wzory przypominające atomy ciasno ułożone wewnątrz kryształu.
Naukowcy spekulują, że manipulowanie tymi subatomowymi cząstkami może doprowadzić do przełomu w technologii przechowywania i przesyłania danych, powstania nowych nadzwyczajnie wydajnych pamięci masowych i układów logicznych.
W dodatku wygląda na to, że skyrmiony mają zdolność do samonaprawiania niedoskonałości we wzorze siatki poprzez replikację, stąd analogie z biologią. Teoretycznie pozwoliłoby to na zupełnie nowe typy pamięci komputerowych, odporne na uszkodzenia i ataki, które same mogłyby się odtwarzać i dowolnie powielać.
Pamięci masowe na bazie skyrmionów mogłyby mieć postać cienkich warstw magnetycznych, w których skyrmiony będą przesuwane w wyniku przepływu prądu. W takim sekwencyjnym zapisie informacji obecność (brak) skyrmionu odpowiadać będzie logicznemu zeru lub jedynce.
Elektrony wzdłuż wstęgi Möbiusa
Kolejnym po kwazicząstkach "modnym", ale zarazem obiecującym obszarem badań współczesnej fizyki są efekty topologiczne. Fizycy dawniej poświęcali niewiele uwagi topologii, która polega na matematycznej analizie kształtów i ich rozmieszczenia w przestrzeni. Ostatnia dekada przyniosła jednak wiele interesujących odkryć topologicznych, np. fakt, że niektóre izolatory mogą skrycie przewodzić prąd wzdłuż jednoatomowej warstwy na swojej powierzchni.
Topologia w matematyce to dział zajmujący się badaniem własności, które nie ulegają zmianie nawet po radykalnym zdeformowaniu obiektów (figur geometrycznych, brył i obiektów o większej liczbie wymiarów). Własności takie nazywa się niezmiennikami topologicznymi, przy czym przez deformowanie rozumie się tutaj dowolne odkształcanie (zginanie, rozciąganie, skręcanie), ale bez rozrywania różnych części lub zlepiania różnych punktów. Odkrycie topologicznych faz materii stanowiło przełom w fizyce materii skondensowanej, prowadzący do powstania nowego opisu ciała stałego. Ponadto, niewrażliwość tych faz na zaburzenia (analogia z matematyczną topologią) czyni je potencjalnie użytecznymi w wielu zastosowaniach, w tym na przykład w informatyce kwantowej.
Coraz rzadziej można zobaczyć artykuł na temat fizyki ciała stałego, który nie zawierałby słowa topologia w tytule. Materiały te są też wykorzystywane jako wirtualne laboratoria do testowania przewidywań dotyczących egzotycznych i nieodkrytych cząstek elementarnych oraz nowych praw fizyki. Zwraca się uwagę, że topologiczny charakter mają fundamentalne zjawiska fizyki cząstek.
Weźmy na przykład spin elektronu, który może być skierowany w górę lub w dół. Wydawałoby się, że obrót cząstki o 360° przywraca ją do pierwotnego stanu. Ale tak nie jest. W dziwnym świecie fizyki kwantowej elektron może być również reprezentowany jako funkcja falowa, która koduje informacje o cząstce, takie jak prawdopodobieństwo znalezienia jej w określonym stanie spinowym. Wbrew pozorom, obrót o 360° w rzeczywistości przesuwa fazę funkcji falowej, tak że szczyty fali stają się dołami i na odwrót. Potrzeba jeszcze jednego pełnego obrotu o 360°, aby ostatecznie przywrócić elektron i jego funkcję falową do ich stanów początkowych. Dokładnie to samo dzieje się w jednym z ulubionych przez matematyków obiektów topologicznych - wstędze Möbiusa (4). Jeśli mrówka przedreptałaby przez jedną pełną pętlę wstęgi, znalazłaby się po przeciwnej stronie niż na początku. Musi wykonać jeszcze jedno pełne okrążenie, zanim będzie mogła wrócić do pozycji wyjściowej.
W latach 80. teoretycy, tacy jak David Thouless z Uniwersytetu Stanu Waszyngton w Seattle, odkryli, że topologia może być odpowiedzialna za zjawisko zwane kwantowym efektem Halla. Thouless otrzymał za to odkrycie w 2016 roku Nagrodę Nobla, co jeszcze silniej skoncentrowało uwagę na badaniach topologicznych. Później, w pierwszej dekadzie XXI wieku wykryto, że elektrony na powierzchni niektórych izolatorów znajdują się w stanach "topologicznie chronionych" przez magnetyzm, mogą płynąć jako prąd elektryczny prawie bez oporu.
Potem okazało się, że efekty topologiczne w kryształach arsenku tantalu mogą tworzyć bezmasowe kwazicząstki, które zachowują się jak fermiony Weyla. Naukowcy mają nadzieję, że tego rodzaju materiały mogą pewnego dnia znaleźć zastosowanie w takich aplikacjach jak superszybkie tranzystory. Elektrony poruszające się w krysztale zwykle rozpraszają się, gdy trafią na zanieczyszczenie, co spowalnia ich postęp, ale efekty topologiczne w kryształach arsenku tantalu pozwalają elektronom poruszać się bez przeszkód.
W 2005 roku Microsoft powierzył matematykowi Michaelowi Freedmanowi kierownictwo swoich projektów w dziedzinie obliczeń kwantowych. Początkowo zespół Freedmana skupiał się głównie na stronie teoretycznej. Jednak potem Microsoft zatrudnił kilku wybitnych eksperymentatorów ze środowiska akademickiego. Jednym z nich był fizyk Leo Kouwenhoven z Uniwersytetu Technicznego w Delft w Holandii, który w 2012 roku jako pierwszy potwierdził doświadczalnie, że kwazicząstki nazywane enionami pamiętają, w jaki sposób zostały zamienione.
Teraz badania zmierzają do wykazania, że eniony mogą kodować kubity i wykonywać proste obliczenia kwantowe. Freedman uważa, że to topologicznych kubity, a nie obecne układy mrożone w temperaturach bliskich zera bezwzględnego, są przyszłością komputerów kwantowych.
Wyczytać świadomość z mózgowych fraktali
Z intrygującej, ale co tu dużo mówić, dość trudnej dziedziny topologii przejdźmy do świata teorii znacznie bardziej sensacyjnie brzmiących, które na swój sposób są jeszcze trudniejsze. Tajemnica świadomości, według Rogera Penrose’a, laureata Nagrody Nobla z fizyki w 2020 r., zostanie rozwiązana dopiero wtedy, gdy zrozumiemy, w jaki sposób struktury mózgu mogą wykorzystać właściwości mechaniki kwantowej.
Penrose, który otrzymał Nobla za pracę nad naturą czarnych dziur, interesował się świadomością od czasu, gdy był studentem Cambridge. Jest autorem wielu książek na temat świadomości, w szczególności "Nowy umysł cesarza" (5), i uważa, że jest ona tak złożona, że nie może być wyjaśniona przez nasze obecne rozumienie fizyki i biologii.
Po opublikowaniu książki znanej pod angielskim tytułem "The Emperor’s New Mind" Penrose otrzymał list od Stuarta Hameroffa, profesora anestezjologii na Uniwersytecie Arizony. W liście tym Hameroff opisał maleńkie struktury w mózgu zwane mikrotubulami, które jego zdaniem były zdolne do generowania świadomości poprzez sięganie do świata kwantowego. Hameroff uważał, że znieczulenie może działać poprzez specyficzne ukierunkowanie świadomości poprzez działanie na neuronalne mikrotubule.
Po napisaniu listu spotkał Penrose’a w 1992 roku i przez następne dwa lata rozwijali radykalne idee dotyczące świadomości, które były sprzeczne z myśleniem większości neurologów, i nadal są. Penrose i Hameroff wierzą, że ludzki mózg działa bardziej jak komputer kwantowy niż jakikolwiek klasyczny komputer. Sugerują, że te efekty kwantowe powstają w mikrotubulach, które następnie działają jako łącznik mózgu ze światem kwantowym.
Mikrotubule mają kluczowe znaczenie dla podziału komórki, dzieląc chromosomy idealnie na dwie części. Gdyby mikrotubule nie działały, chromosomy mogłyby być dzielone nierównomiernie na trzy lub cztery, a nie na dwa, wywołując w ten sposób raka.
Centralna rola, jaką mikrotubule odgrywały w podziale komórek, doprowadziła Hameroffa do spekulacji, że były one kontrolowane przez jakąś formę naturalnej informatyki. W swojej książce "Ultimate Computing" (1987) Hameroff dowodzi, że mikrotubule mają wystarczającą moc obliczeniową, by wytwarzać myśli. Przekonuje również, że to one, a nie neurony są najbardziej podstawowymi jednostkami przetwarzania informacji w mózgu. Penrose zgodził się z Hameroffem, że mikrotubule mogą utrzymywać "kwantową spójność" potrzebną dla złożonej myśli.
Doprowadziło to Penrose’a i Hameroffa do stworzenia teorii zwanej orkiestrową redukcją, lub OR. Według niej obszary mózgu, w których pojawia się świadomość, muszą być tak skonstruowane, aby mogły pomieścić niezliczoną ilość kwantowych możliwości naraz, zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, pozwalając jednocześnie na kontrolowaną redukcję tych nieskończonych możliwości bez niszczenia systemu kwantowego.
Uważają, że mikrotubule są najlepiej nadającymi się do tego znanymi obecnie strukturami w mózgu, w których procesy kwantowe mogą zachodzić w stabilny sposób i być wykorzystywane do generowania naszego świadomego doświadczenia. Zgodzili się zarazem, że świadomość może być ostatecznie odnaleziona w wielu miejscach w mózgu, nie tylko w mikrotubulach.
Jednym z głównych zarzutów wobec kwantowej teorii świadomości Penrose’a-Hameroffa jest to, że nie ma sposobu, aby zmierzyć, czy procesy kwantowe zachodzą w mikrotubulach lub innych częściach mózgu. Penrose przyjmuje tę krytykę, ale wierzy, że takie pomiary staną się możliwe w dłuższej perspektywie czasu. Hameroff ma już plany, by sprawdzić, czy wewnątrz mikrotubuli istnieją stany kwantowe. Jeśli uda mu się to udowodnić, jego następnym krokiem będzie sprawdzenie, czy takie stany znikają pod wpływem znieczulenia.
Techniki skanowania mózgu, takie jak PET i MRI, mimo że generalnie zostały znacznie udoskonalone, są jednak, zdaniem Penrose’a, mało lub zupełnie nieprzydatne w badaniach nad świadomością. Mogą one, w jego ocenie, monitorować przepływ krwi i aktywność w obszarach mózgu, ale nie mogą powiedzieć, czy ta aktywność wiąże się ze świadomą myślą. Do tego potrzebne jest coś innego.
Niektórzy naukowcy uważają, że jednym ze sposobów pomiaru myśli jest obserwacja fal mózgowych. Niektóre dowody sugerują, że fale mózgowe, oscylujące z częstotliwością około 40 herców, mogą być skorelowane ze świadomością. Dużą trudnością przy próbie zmierzenia procesów kwantowych w mózgu, wskazuje Penrose, jest to, że takie efekty są niszczone, gdy są obserwowane lub wchodzą w kontakt ze światem zewnętrznym.
Teoria świadomości kwantowej Penrose’a-Hameroffa opiera się na twierdzeniu, że mikrotubule mają strukturę fraktalną i właśnie taka struktura umożliwia zachodzenie procesów kwantowych. W matematyce fraktale pojawiają się jako piękne wzory, które powtarzają się w nieskończoność, tworząc coś, co wydaje się niemożliwe - strukturę, która ma skończoną powierzchnię, ale nieskończony obwód. Wzory fraktalne często obserwuje się w przyrodzie. Wystarczy spojrzeć na strukturę kwiatu kalafiora czy gałęzie paproci, gdzie podstawowy kształt powtarza się w kółko, ale w coraz mniejszej skali. Jest to kluczowa cecha fraktali. To samo dzieje się, gdy spojrzymy do wnętrza naszego ciała.
Według zwolenników tej teorii, np. struktura naszych płuc jest fraktalna, podobnie jak naczynia krwionośne w naszym układzie krążenia. Fraktale występują również w dziełach sztuki Eschera i Jacksona Pollocka, a także są wykorzystywane od dziesięcioleci w technologii, np. w projektowaniu anten.
Nie jesteśmy jeszcze w stanie zmierzyć zachowania fraktali kwantowych w mózgu, jeśli w ogóle istnieją. Jednak bada się te wzory w inny sposób. W eksperymentach z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu tunelowego (STM), naukowcy z uniwersytetu w Utrechcie starali się tworzyć wzory fraktali kwantowych z elektronów. Kiedy następnie zmierzyli funkcję falową elektronów, która opisuje ich stan kwantowy, okazało się, że one również żyły w wymiarze fraktalnym podyktowanym przez fizyczny wzór, który powstał. W tym przypadku wzorzec, którego użyto w skali kwantowej, był trójkątem Sierpińskiego (6), który jest kształtem gdzieś pomiędzy jednowymiarowym a dwuwymiarowym.
W kolejnych badaniach przeprowadzonych z badaczami z Uniwersytetu Jiaotong w Szanghaju Holendrzy wstrzykiwali fotony do sztucznego chipu, który został zaprojektowany na kształt trójkąta Sierpińskiego. Obserwowali, jak rozprzestrzeniają się one w całej jego fraktalnej strukturze w procesie zwanym transportem kwantowym. Następnie powtórzyli ten eksperyment na dwóch innych strukturach fraktalnych, obu w kształcie kwadratów, a nie trójkątów.
Obserwacje z tych eksperymentów ujawniają, że rozprzestrzenianie się światła po fraktalu rządzi się innymi prawami w przypadku kwantowym niż w przypadku klasycznym. Tak zdobyta nowa wiedza o fraktalach kwantowych może dać naukowcom podstawy do eksperymentalnego przetestowania teorii świadomości kwantowej. Jeśli pewnego dnia zostaną wykonane pomiary kwantowe w ludzkim mózgu, będzie można je porównać z wynikami holendersko-chińskiego zespołu, aby ostatecznie rozstrzygnąć, czy świadomość jest zjawiskiem klasycznym, czy kwantowym.
Wszechświat wyśniony i symulowany?
Koncepcja kwantowej natury świadomości kojarzy się z różnego rodzaju kosmologicznymi poglądami na Wszechświat jako jednorodna świadomość a przynajmniej symulacja. Syntezą takiego myślenia wydaje się hipoteza opublikowana niedawno w pracy uczonych z Instytutu Badań nad Kwantową Grawitacją (Quantum Gravity Research Institute) z siedzibą w Los Angeles, że Wszechświat symuluje sam siebie do istnienia, czyli zakłada istnienie czegoś takiego jak wszechogarniająca panświadomość.
Znany jest z głośnej hipotezy przyjmującej, iż cała nasza egzystencja może być tylko produktem bardzo wyrafinowanych symulacji komputerowych, jest Nick Bostrom, filozof. Tym razem sprawą zajęli się fizycy. Wszechświat jest "dziwną pętlą" - twierdzą w pracy zatytułowanej "The Self-Simulation Hypothesis Interpretation of Quantum Mechanics". Przyjmują oni hipotezę symulacji Bostroma, która utrzymuje, że symulacja jest dziełem niezwykle zaawansowanych form życia, które stworzyłyby niesamowitą technologię niezbędną do skomponowania wszystkiego w naszym świecie. Jednak sądzą, iż bardziej efektywne jest myślenie o Wszechświecie jako o "umysłowej autosymulacji". Wiążą oni ten pomysł z mechaniką kwantową, postrzegając wszechświat jako jeden z wielu możliwych modeli kwantowej grawitacji.
Oryginalna hipoteza Bostroma jest materialistyczna, postrzegając Wszechświat jako z natury fizyczny. Możemy według niej być nawet częścią symulacji naszych własnych potomków, "postludzi". Nawet sam proces ewolucji może być tylko mechanizmem, za pomocą którego istoty z przyszłości testują niezliczone sy, celowo przesuwając ludzi przez kolejne poziomy biologicznego i technologicznego rozwoju. W ten sposób generują one również rzekomą informację lub historię naszego świata. Ostatecznie nie zauważylibyśmy różnicy. Fizycy z Los Angeles odrzucają rzeczywistość fizyczną na rzecz czystej myśli. Jak mogłaby powstać sama symulacja, która kojarzy się z "Matrixem"? Zawsze tam była, mówią naukowcy. Zgodnie z tą ideą czas w ogóle nie istnieje.
Zamiast tego wszechogarniająca myśl, która jest naszą rzeczywistością, oferuje zagnieżdżone pozory hierarchicznego porządku, pełnego "podmyśli". Dalej jest sugestia, że ludzie sami są takimi "emergentnymi submyślami" i doświadczają oraz odnajdują znaczenie w świecie poprzez inne submyśli. Ezoteryczne? Zdaniem uczonych, my sami w snach przeprowadzamy takie podsymulacje, więc dlaczego nie mogłoby to się dziać na wyższym poziomie? Wskazują oni szczególnie na przejrzyste rodzaje snów, w którym śniący jest świadomy bycia we śnie, jako przypadki bardzo dokładnych symulacji stworzonych przez twój umysł, które mogą być niemożliwe do odróżnienia od jakiejkolwiek innej rzeczywistości (7).
Pewien fizyk twierdzi, że informacja cyfrowa powinna być uważana za nową formę materii. Oznacza to, że Ziemia zmierza w kierunku kryzysu, który fizyk z uniwersytetu w Portsmouth, Melvin Vopson, nazywa "katastrofą informacyjną", zgodnie z pracą, którą opublikował w czasopiśmie "AIP Advances". Vopson twierdzi, że zgodnie z jego obliczeniami, do roku 2500 informacje cyfrowe będą stanowiły połowę masy Ziemi, co sprawi, że ich wzrost będzie niemożliwy do utrzymania.
Vopson przytacza ramy teoretyczne, które nazywa zasadą równoważności masa-energia-informacja, która łączy szereg odrębnych teorii fizycznych. Po pierwsze, istnieje ogólna teoria względności Einsteina, która łączy masę z energią. Następnie jest teoria fizyka Rolfa Laundera, że istnieje podstawowy koszt energetyczny związany z przetwarzaniem informacji, którą Vopson łączy, aby argumentować, że bity cyfrowe mają masę i powinny być uważane za materię obok ciał stałych, cieczy, gazów i plazmy. "Chociaż informacja przejawia się w wielu formatach, w tym informacji analogowej, informacji zakodowanej w biologicznym DNA i informacji cyfrowej, najbardziej fundamentalną formą jest binarny bit cyfrowy, ponieważ może on z powodzeniem reprezentować lub powielać wszystkie istniejące formy informacji.
Vopson wysuwa też kilka wyjątkowo daleko idących twierdzeń, takich jak to, że ciemna materia utrzymująca galaktyki razem może być w jakiś sposób zbudowana z informacji. Ale poza tym wszystkim zwraca on uwagę na ważny, często pomijany problem: fakt, że stale rosnąca infrastruktura cyfrowa może pewnego dnia wymagać zupełnie niezrównoważonej ilości energii, której nasza planeta po prostu nie będzie w stanie dostarczyć. "Każdy powinien uznać to za interesujące, ponieważ prognozy pokazują, że w najbliższej przyszłości będziemy produkować tak wiele treści cyfrowych, że liczba wyprodukowanych bitów będzie równa wszystkim atomom na Ziemi" - powiedział Vopson w rozmowie z ZME. "Pytanie brzmi więc: gdzie przechowamy te informacje? Jak to zasilimy? To sygnał alarmowy dla przemysłu big data, gigantów internetowych, firm high-tech, badań energetycznych i środowiskowych. Nazywam to niewidzialnym kryzysem, ponieważ dziś jest to rzeczywiście niewidoczny problem, ale prognozy pokazują inną historię" - dodał.
Odpłynęliśmy nieco, więc czas powrócić do fizyki na poziomie bardziej realnym, do eksperymentów i teorii, które mamy już jako tako opanowane. Tu ciągle się coś dzieje, np. na początku 2021 r. w detektorach ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN w Szwajcarii odkryto pierwsze dowody rzadkiego rozpadu bozonu Higgsa (8) na jeden foton i dwa leptony, parę elektronów lub foton i parę mionów o przeciwnym ładunku.
Korzystając z Modelu Standardowego, naukowcy są w stanie przewidzieć, na jakie cząstki elementarne może rozpadać się bozon Higgsa, przy czym dość "powszechnym" rozpadem są dwa fotony. Te mniej typowe rozpady bozonu Higgsa są zdaniem naukowców tropem nowej fizyki, która wykracza poza Model Standardowy. A o wykraczaniu poza Model Standardowy słyszymy w ostatnich latach bardzo często, choć na razie nikt nie zdołał na dobre poza niego wykroczyć.
W eksperymentach LHCb w CERN odkryto latem tego roku nowego tetrakwarka oznaczonego Tcc+, który zawiera dwa ciężkie kwarki i dwa lekkie antykwarki. To pierwszy taki przypadek znany fizykom. Nowa cząstka zawiera dwa kwarki powabne oraz antykwark górny i antykwark dolny.
W ostatnich latach odkryto kilka tetrakwarków (w tym jeden z dwoma kwarkami powabnymi i dwoma antykwarkami powabnymi), ale ten jest pierwszym, który zawiera dwa kwarki powabne, bez antykwarków powabnych dla ich zrównoważenia. Cząstki zawierające kwark powabny i antykwark powabny mają "ukryty powab" - liczba kwantowa dla całej cząstki sumuje się do zera, tak jak dodatni i ujemny ładunek elektryczny. Tutaj liczba kwantowa sumuje się do dwóch, a więc cząstka ma podwójny powab.
Tcc+ jest pierwszą znalezioną cząstką, która należy do klasy tetrakwarków z dwoma ciężkimi kwarkami i dwoma lekkimi antykwarkami. Odkrycie otwiera drogę do poszukiwania cięższych cząstek tego samego typu, z jednym lub dwoma kwarkami powabnymi zastąpionymi przez kwarki dolne. Wszystko to sprawia, że prosty wcześniej obraz cząstek tworzących hadrony wciąż się komplikuje, a to, co uznawane było za egzotyczne, staje się coraz bardziej normalne. Komplikująca się rzeczywistość na tym poziomie każe schodzić głębiej w poszukiwaniu czegoś mniejszego i bardziej podstawowego. Zatem potencjalnie te odkrycia prowadzą do nowego definiowania materii.
Wysiłki badaczy nie ustają również na obszarze kosmologii, czyli badania Wszechświata jako całości. W pracy opublikowanej w lipcu na serwerze w arXiv, zespół astrofizyków i kosmologów z uniwersytetów w Ulm i w Lyonie zbadał światło pozostałe po Wielkim Wybuchu, znane jako kosmiczne tło mikrofalowe tło (Cosmic Microwave Background, CMB), ustalając, że Wszechświat może jednak nie być płaski, jak wielu naukowców obecnie uważa, a raczej jest gigantycznym toroidem (9).
Pomysł kształtu torusa dla naszego Uniwersum powstał w latach 80. Jednak w ciągu ostatnich dekad lat naukowcy przeważnie głosili, iż nasz Wszechświat jest geometrycznie płaski i rozszerza się w tej postaci. Jednak, jak zauważają autorzy nowej pracy, w danych dotyczących CMB było coś, co nie do końca się zgadzało. "Widmo [CMB] (…) ma też duże luki", piszą. Innymi słowy, wydaje się, że w CMB brakuje sygnałów, które byłyby obecne, gdyby Wszechświat był naprawdę, taki jak przewiduje kosmologiczny model standardowy. Proponowane wyjaśnienie brzmi, że Wszechświat w rzeczywistości "wielokrotnie się łączy" w tych brakujących punktach, co oznacza, że jego topologia jest zakrzywiona w taki sposób właśnie jak w toroidzie.
Toroidalna struktura Wszechświata przywołuje omawiane wyżej koncepcje "napędów warp" (bo skoro krzywizna jest naturą wszechrzeczy, to zakrzywienie czasoprzestrzeni w celu wyprzedzenia światła nie powinno brzmieć egzotyczne) a także obiektów topologicznych (w końcu toroid wszechświatowy to właśnie taki obiekt) a nawet teorie symulacji, bo coś o skończonej geometrii w sposób naturalny wydaje się bardziej możliwe do symulowania niż nieskończona płaszczyzna.
Fizyka coraz chętniej obraca się w kręgu pojęć, które kiedyś siałyby wśród uczonych zgorszenie, w świecie cząstek, które nie mają masy, a o ich właściwościach decydują kształty, topologie, geometria. Zaczyna łączyć światy, których łączenie było dawniej nie do pomyślenia, np. mechanikę kwantową z biologią a nawet psychologią. Czy coś z tego w sensie poznawczych, naukowym i w końcu praktycznym wyniknie? Być może nic, ale z modeli wcześniej utrwalonych w fizyce, np. Modelu Standardowego cząstek też tak po prawdzie nie wynika w praktyce za wiele poza samą wiedzą. Wielkich teorie kosmologiczne ewolucji Wszechświata są wręcz niemożliwe do zweryfikowania.
Rozkołysanie się badań fizycznych po tych wszystkich obszarach, które nie zawsze ściśle kojarzą się z utartymi ścieżkami znanej nauki, świadczy o tym, że fizyka poszukuje nowych dróg, bo ta, którą zmierzała przez dekady, znalazła się, mówiąc najoględniej, w impasie.
Mirosław Usidus
