Czym jest masa, grawitacja, czas i rzeczywistość - powrót do fundamentalnych pytań
Isaac Newton widział Wszechświat jako zegar. Czas mijał, a mechanizmy napędzały się nawzajem do doskonałości. Bóg, Wieczny Zegarmistrz, stworzył Wszechświat, aby działał sam. Uczeni w ostatnich latach coraz częściej spoglądają na czas w zupełnie innych, odbiegający od tradycyjnego "uniwersalnego zegara Wszechświata" (1), sposób. Nie brakuje takich jak znany fizyk Carlo Rovelli, którzy uważają, że przepływ czasu nie jest częścią fundamentalnej struktury rzeczywistości. Pracuje on obecnie nad teorią kwantowej grawitacji, w której zmienna czasowa nie odgrywa żadnej roli. Chociaż Wszechświat składa się ze "zdarzeń", to, wyjaśnia, pojedynczy odstęp czasu pomiędzy dwoma zdarzeniami może mieć różne wartości. Nie ma centralnego zegara, którego wskazówki wybijałyby stały rytm dla Wszechświata, w jednym kierunku, od przeszłości do przyszłości.
Od ponad stu lat czas i przestrzeń łączą się w kontinuum wymiarów w czasoprzestrzeń. Wielu fizyków nabiera dziś przekonania, że czasoprzestrzeń jest emergentna, że zarówno przestrzeń, jak i czas są przejawami bardziej fundamentalnej rzeczywistości. W wykładzie z 2014 roku w Perimeter Institute for Theoretical Physics wybitny teoretyk Nima Arkani-Hamed oświadczył wprost: "Prawie wszyscy z nas bardzo mocno wierzą, że czasoprzestrzeń tak naprawdę nie istnieje".
Paradoks dziadka zabijanego przez cofniętego w czasie wnuczka
Eksperymenty kwantowe wykazały, że skutek może poprzedzać przyczynę. Choć podróże w czasie to wciąż science fiction, możemy umieścić cząstki powodujące paradoksy czasowe w superpozycji kwantowej. Jak wykazali eksperymentatorzy w 2014 roku, zamknięte pętle czasowe (CTC) mogą być symulowane w kwantowych eksperymentach. W eksperymencie symulowano m.in. cząstkę cofającą się w czasie i wyłączającą kwantowy przełącznik tak, aby generująca go maszyna nie generowała cząstki, czyli coś w rodzaju znanego paradoksu dziadka w skali cząstek. Ta paradoksalna sytuacja, jak wykazano, jest możliwa, ponieważ stan cząstki emitowanej lub nie oraz maszyny produkującej ją lub nie, mają charakter probablistyczny, w połowie prawdziwy i w połowie fałszywy.
Informacja kwantowa zatem podróżuje tam i z powrotem w czasie, ale podróżuje pod płaszczykiem probabilistycznych funkcji falowych, które pozwalają zdarzeniom być zarazem prawdziwymi i fałszywymi. Problemy z rozwiązaniem paradoksów pojawiają się jednak, gdy zastąpi się cząstkę świadomą istotą.
Sięgają czasów Nielsa Bohra i powstania mechaniki kwantowej, kiedy to uważano, że czujące formy życia mają specjalne miejsce we świecie kwantowym, powodując uniwersalne załamanie funkcji falowej, gdy obserwują wyniki eksperymentów kwantowych. Człowiek w CTC, zgodnie z tą koncepcją, nie mógłby być w superpozycji, a zatem paradoks dziadka byłby nierozwiązany. Cząstki kwantowe, takie jak elektrony i fotony, nie mają określonych pozycji ani prędkości, dopóki nie zostaną zaobserwowane. Mechanika kwantowa mówi, że mają one funkcję falową. W interpretacji Nielsa Bohra akt obserwacji w jakiś sposób "załamuje" ich funkcje falowe tak, że pojawiają się jako cząstki. Wiemy to z eksperymentów z podwójną szczeliną, gdzie pojedyncze cząstki zachowują się jak fale, gdy pozwalamy im uderzyć w detektor, ale jak cząstki, gdy próbujemy je złapać w momencie przechodzenia przez którąś ze szczelin.
Z problemami wynikającymi z interpretacji mechaniki kwantowej Bohra np. z przyczynowością, zwanej też kopenhaską, próbowano sobie poradzić na różne sposoby. Ostatnio coraz większą popularność zdobywa nie tak nowy pomysł Davida Bohma (2), w którym zbiór cząstek, takich jak elektrony czy atomy, jest opisywany przez kwantową funkcję falową, tak jak w wersji Bohra, jednak wszystkie pozycje tych cząstek mają określone wartości, nawet gdy nie są obserwowane, opisane przez inną funkcję, którą nazwano Q lub funkcją przewodnią.
Mechanika Bohma jest deterministyczna, ale uwzględnia wszystkie przewidywania mechaniki kwantowej. Pozbyła się kolapsu funkcji falowej, nieokreślonych pozycji cząstek i nie potrzebuje wieloświata, aby problemy kontinuum rozwiązać. Ruch każdej cząstki jest, poprzez funkcję przewodnią, zależny od ruchu każdej innej cząstki w całym Wszechświecie jednocześnie. Tak więc, mimo że same cząstki są lokalne, to ich oddziaływania z innymi cząstkami są całkowicie nielokalne. Naruszają one ograniczenie prędkości światła. Kiedy połączymy mechanikę Bohma z względnością Einsteina, powstaje relatywistyczna mechanika kwantowa, nazywana kwantową teorią pola (QFT).
Zarówno mechanika Bohma, jak i QFT zakładają, że cały wszechświat cząstek ma jeden czas teraźniejszy. Nie można jednak wiedzieć, czym jest ta teraźniejszość. Wie to tylko funkcja prowadząca, a my nie możemy tego zobaczyć. Posługując się analogią autostrady, samochody, którymi podróżujemy w czasie, zachowują się jak część jednego dużego samochodu, funkcji przewodniej. Jeśli jest to jeden wielki samochód, to równie dobrze może to być jedna wielka symulacja. Jedziemy w naszym symulatorze razem z innymi. Czasami symulacja sprawia, że znikamy z jednego miejsca i pojawiamy się ponownie w innym. Nie ma podziału na różne autostrady, nie ma samochodów pojawiających się z niczego. Zamiast tego, nasze życie rośnie i ewoluuje w ramach funkcji przewodniej, która określa naszą rzeczywistość, w której nigdy nie opuszczamy chwili obecnej.
Masa równie stara jak niezbadana
Masa jest pojęciem wprowadzanym w szkolnym nauczaniu fizyki. Próby jej zdefiniowania są stare. W "Principiach" Newtona z 1687 roku, książce, która zapoczątkowała mechanikę klasyczną, pojawiła się jej definicja. A jednak ponad trzy wieki później naukowcy nadal przyznają, że tak naprawdę nie wiedzą, czym jest masa.
Newton pisał: "Ilość materii to ta, która wynika łącznie z jej gęstości i wielkości. Ciało dwukrotnie gęstsze w dwukrotnie większej przestrzeni ma czterokrotnie większą ilość. Tę ilość określam nazwą ciała lub masy". Definicja ta, oparta na "ilości materii" i jej gęstości, może wydawać się solidna, dopóki nie zaczniemy rozbierać jej na czynniki pierwsze.
Czym jest "ilość materii"? Czy oznacza to liczbę atomów w tej materii? Newton uważał, że materia składa się z atomów obdarzonych bezwładnością, a "ilość" tej materii równa gęstości razy objętość to masa. Nie jest jasne, czy ta ilość bezpośrednio odnosi się do rozmiaru, kształtu, czy nawet liczby atomów. Ponieważ definicja gęstości opiera się na masie, nie można jej użyć do zdefiniowania masy, gdyż byłaby to tautologia. Definicja Newtona jest nie tylko niejasna, ale również nic nie wyjaśnia.
Po Newtonie Leonhard Euler jednoznacznie określił masę jako wielkość bezwładności ciała. Ale czym jest bezwładność? Euler definiował ją jako opór wobec siły. Jeśli potrzeba większej siły, aby przyspieszyć obiekt o tę samą wartość, to znaczy, że ma on większą bezwładność. Problemy obliczeniowe zaczynają się, gdy próbujemy zdefiniować siłę. Innymi słowy, Euler podał definicję bardziej intuicyjną niż matematyczną, przez co matematyczna maszyneria jest osłabiona.
Mimo niedoskonałości definicyjnych masa była z pewnością wartością "używaną" w teoriach i obliczeniach, ale nie była dobrze zdefiniowana ani zrozumiana. Po drodze pojawiło się równanie E=mc². Niestety, pojęcie masy zostało użyte wcześniej, aby wyprowadzić to równanie, więc trudno głosić, że jest to definicja masy.
Dziś mamy mechanizm Higgsa, który traktuje masę jako wielkość matematyczną, która powstaje w wyniku czegoś, co nazywane jest spontanicznym łamaniem symetrii. Według tej teorii, siła oddziaływania pomiędzy polem Higgsa (3) a innym polem decyduje tym, jak masywna jest cząstka. Dla celów praktycznych, obliczeniowych, ta definicja działa, ale nie możemy na jej podstawie zidentyfikować "masy" jako tej samej masy, co w mechanice klasycznej. Nadal pozostaniemy bez wiedzy o tym, czym jest masa w codziennych warunkach makro.
Nie "zrenormalizowana" wszechobecna siła
Wiązane tradycyjnie z masą, kolejne pojęcie kluczowe dla fizyki pojęcie - grawitacja - jest również opisane przez klasyczną teorię Newtona. Potem Albert Einstein wykazał, że przestrzeń i czas mogą się odkształcać i wyginać jak powierzchnia elastycznej tkaniny, i to właśnie odkształcanie kontinuum czasoprzestrzennego jest tym, czego doświadczamy jako grawitacji. Jednak teoria Einsteina dotyczy głównie największych obiektów, skali gwiazd, galaktyk, czarnych dziur i całego Wszechświata. Nie ma ona wiele do powiedzenia na temat przestrzeni i czasu w mniejszych i całkiem małych skalach.
Kiedy fizycy próbują zastosować mechanikę kwantową do grawitacji, odkrywają, że przestrzeń i czas zaczynają ulegać dzikim fluktuacjom, jakby przestrzeń i czas rozpadły się na kawałki. Gdy fizycy próbują nadać temu wszystkiemu sens, niektórzy z nich dochodzą do wniosku, że przestrzeń i czas mogą nie mieć tak fundamentalnego charakteru, jak zawsze sobie wyobrażaliśmy. Zaczynają wydawać się raczej produktami ubocznymi czegoś jeszcze głębszego, nieznanego.
Nie sposób przejść do porządku dziennego nad twierdzeniem, że mechanika kwantowa sprawdza się tylko w świecie atomowym, w skalach mikro, gdyż w rzeczywistości to teoria lepiej opisująca, jak działa świat niż mechanika klasyczna, zawodząca w najmniejszych skalach. A te są przecież fundamentalną strukturą Wszechświata. To mechanika klasyczna jest pewnym szczególnym przypadkiem kwantowej, a nie odwrotnie. Niestety nie wiemy, jak jedna wynika z drugiej.
Próby kwantowania teorii klasycznych są dobrze znane. Richard Feynman, Julian Schwinger i Sin-Itiro Tomonaga dostali Nagrodę Nobla za pokazanie, jak pozbyć się nieskończoności w elektrodynamice kwantowej, ale nie udało się to z grawitacją. Nie "zrenormalizowano" jej, mówiąc żargonem używanym przez fizyków. Głównie przez problemy z geometrią czasoprzestrzeni, która nie pozwala na precyzyjne lokalizowanie punktów będących jej składowymi.
Piaskowe wydmy widziane z daleka wydają się gładkie jak jedwabne płachty rozłożone na pustyni. Gdy zbliżamy się do wydm, zauważamy falowanie piasku. Dotykając powierzchni, znajdujemy pojedyncze ziarna. To samo dotyczy obrazów cyfrowych - powiększając zdjęcie, zaczynamy dostrzegać piksele, z których się składa. Zdaniem wielu współczesnych fizyków, Wszechświat może być podobnie rozpikselowany. Naukowcy tacy jak Rana Adhikari z Caltech uważają, że przestrzeń, w której żyjemy, może być złożona z niewiarygodnie małych dyskretnych jednostek. "Piksel czasoprzestrzeni jest tak mały, że gdybyś miał powiększyć go tak, aby stał się wielkości ziarnka piasku, to atomy byłyby jak galaktyki", obrazuje w jednym z artykułów.
Naukowcy od dość dawna uważają, że w najmniejszych skalach grawitacja powinna być skwantowana; m.in. dlatego powołali do życia hipotetyczne cząstki zwane grawitonami, które mają być jedną z nut wygrywanych na kosmicznych strunach, zgodnie ze znaną teorią fizyczną. Jednak poszukiwania grawitonów nie dały na razie żadnych rezultatów.
Są inne ścieżki. W ramach badania tzw. zasady holograficznej Kathryn Zurek, koleżanka Adhikariego z Caltech, utworzyła projekt, nazwany Quantum gRavity and Its Observational Signatures (QuRIOS), w którym specjaliści teorii strun współpracują z teoretykami fizyki cząstek i fizykami eksperymentatorami w poszukiwaniu podstawowych pikseli rzeczywistości. "Grawitacja jest hologramem", uważa Monica Jinwoo Kang z Caltech, wyjaśniając zasadę holograficzną.
Zasada ta zakłada, że zjawiska w trzech wymiarach, czyli m.in. grawitacja, mogą wyłaniać się z płaskiej dwuwymiarowej powierzchni. Cała informacja w objętości czegoś jest zakodowana na powierzchni (4). Dokładniej, uważa się, że grawitacja i czasoprzestrzeń wyłaniają się ze splątania cząstek zachodzącego na dwuwymiarowej powierzchni. Splątanie występuje, gdy cząstki subatomowe są połączone w przestrzeni. Cząstki działają jako jedna całość, nie będąc w bezpośrednim kontakcie ze sobą, trochę jak stado ptaków w locie.
Współczesne spojrzenie na kwantową grawitację, inspirowane teorią strun, sugeruje, że czasoprzestrzeń i grawitacja materializują się z sieci splątania. Widzimy stada ptaków i ławice ryb podejmujące spójny ruch w grupach, choć składają się one z pojedynczych zwierząt. Mówimy, że zachowanie grupy jest emergentne. Być może jest coś, co powstaje z pikselizacji czasoprzestrzeni, co otrzymało nazwę grawitacji, ponieważ nie rozumiemy jeszcze, czym to coś jest. W proponowanym przez Zurek i Adhikariego eksperymencie weryfikującym te hipotezy, badano by dwuwymiarową powierzchnię lub "kwantowy horyzont" pod kątem fluktuacji grawitonów. Eksperyment mierzyłby rozmycie tej powierzchni. To rozmycie reprezentowałoby pikselizację czasoprzestrzeni.
Jest inne ujęcie w teoriach fizycznych godzące grawitację z mechaniką kwantową. Zacznijmy jego wyjaśnianie może od bozonu Higgsa, który może rozpadać się na dwie cząstki, elektron i pozyton. Nie można przewidzieć kierunku, w którym będą się poruszać. Mimo to wiadomo, że jeśli dokonamy pomiaru, to będą one zawsze poruszać się w przeciwnych kierunkach, muszą mieć równy i przeciwny pęd, zgodnie ze znaną nam fizyką. To jest właśnie splątanie. Można odczekać długo po rozpadzie, powiedzmy kilka lat, zanim zmierzymy, w którym kierunku porusza się elektron i natychmiast oznacza to, że znamy parametry ruchu pozytonu, choć obie cząstki są bardzo, bardzo daleko od siebie. Nie ma żadnego ograniczenia prędkości światła.
Lokalność można opisać tak, że jeśli pobudzimy Wszechświat w jednym punkcie czasoprzestrzeni, efekty nastąpią w tym punkcie, a następnie rozejdą się, ale nie szybciej niż z prędkością światła. Jednak funkcja falowa pozytonu i elektronu, o których mowa wyżej, jest całkowicie nielokalna.
Dodajmy do tego teorię pola. Jest pole dla elektronu, istnieje pole dla fotonu, pole dla gluonu, pole dla bozonu Higgsa, itd. Pole dla grawitacji. Wszystkie te rzeczy są polami mechaniki kwantowej. Ważną rzeczą w tej teorii jest, że nawet w pustej przestrzeni wciąż istnieją pola. Przestrzeń nie jest całkowicie pusta. Istnieją pola, które, jak mówimy, są w stanie podstawowym. Są w swoim stanie o najniższej energii. Klasycznie mówi się więc, że pole ma wartość zero. Można powiedzieć, że istnieje coś, co nazywa się polem magnetycznym, ale w tym konkretnym punkcie przestrzeni jego wartość może wynosić zero. Czy stan kwantowy pól w punktach przestrzeni zawsze będzie splątany? Jeśli punkty są blisko, pola będą silnie ze sobą splątane. A jeśli pola są daleko, splątanie będzie bardzo, bardzo słabe, ale nie zerowe. Innymi słowy, istnieje związek między odległością między dwoma punktami a ilością ich splątania w najniższym stanie energetycznym konwencjonalnej kwantowej teorii pola.
Powstaje graf węzłów splątania w przestrzeni z odległościami między nimi. Bodziec w pewnym punkcie przestrzeni powoduje, że jest on wytrącany ze stanu najniższej energii, a energia rozciąga czasoprzestrzeń, zmieniając ilość splątania. Można to interpretować jako zmianę geometrii przestrzeni. Przy wielu założeniach, które nie są jeszcze całkowicie sprawdzone, geometria tej wyłaniającej się przestrzeni spełnia równanie ogólnej względności Einsteina. Jeśli zaczynamy nie od przestrzeni, ale od splątania, to w końcu dochodzimy do "pogodzenia" ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową.
Pokrewną koncepcją jest tzw. korespondencja AdS/CFT (antyde Sittera/konforemna teoria pola) AdS/CFT. Najbardziej znanymi jej teoretykami są Juan Maldacena i Leonard Susskind. Próbują wyprowadzić grawitację z kwantowych teorii pola. Idea również opiera się na zasadzie holograficznej. W przypadku czarnej dziury polega to na tym, że cała informacja, cała kwantowa informacja mechaniczna wewnątrz czarnej dziury, może w pewnych okolicznościach być pomyślana jako rozłożona na granicy czarnej dziury. Jeśli więc pomyślimy o wnętrzu czarnej dziury jako trójwymiarowym regionie przestrzeni, a o horyzoncie zdarzeń jako o granicy dwuwymiarowej, to można pomyśleć, że wszystkie informacje czarnej dziury znajdują się na granicy. Maldacena zastosował to nie do czarnych dziur, ale do pewnego rodzaju kosmologicznej czasoprzestrzeni zwanej przestrzenią antyde Sittera, na cześć Willema de Sittera, holenderskiego astrofizyka, który w 1917 roku rozwiązał równania Einteina dla pustej czasoprzestrzeni.
Gdy uwzględnimy energię samej pustej przestrzeni, którą odkryliśmy w 1998 roku dzięki przyspieszającemu Wszechświatowi, otrzymujemy rozwiązanie kosmologiczne zwane przestrzenią de Sittera. Wielu fizyków skłonnych uznać, że jest to opis miejsca, do którego ewoluuje nasz Wszechświat. Symetrycznym rozwiązaniem z negatywna stałą kosmologiczną jest przestrzeń antyde Sittera. Jej hipotetyczna granica ma jeden wymiar mniej, sama w sobie jest płaską czasoprzestrzenią. Nie ma tam grawitacji. Jednocześnie opisuje ją dobrze zdefiniowana kwantowa teoria pola. Teoretycy Mark Van Raamsdonk, Brian Swingle i inni zwrócili uwagę, że jeśli zmienimy ilość splątania pomiędzy różnymi częściami kwantowej teorii pola na granicy, geometria przestrzeni antyde Sittera wewnątrz reaguje, zmienia się w odpowiedzi na to działanie. Geometria wyłania się zatem ze splątania.
W przypadku Układu Słonecznego, nawet jeśli Słońce jest bardzo duże, grawitacja jest nadal słaba w porównaniu z czarną dziurą (5). Więc nie ma holografii, wszystko jest całkiem lokalne, obijające się o inne rzeczy tuż obok siebie, tu w przestrzeni. Holografia pojawia się tam, gdzie grawitacja jest silna, gdzie mamy czarną dziurę, horyzont kosmologiczny lub coś w podobnej skali. I właśnie wtedy informacja wydaje się być w jednym wymiarze zwiniętym. Podejście AdS/CFT nie oświetla zbyt dobrze tego, co dzieje się w Układzie Słonecznym. Oświetla natomiast całkiem dobrze to, co dzieje się w kosmosie. Są to kompatybilne sposoby podejścia do problemu z różnych punktów widzenia.
Rzeczywistość, czyli co?
Chociaż Bohr, jeden z ojców mechaniki kwantowej, był orędownikiem idei, że rzeczywistość jest obiektywna i wspólna dla wszystkich, eksperymenty sugerują, że był w błędzie. Eksperymenty te próbują rozwiązać tzw. paradoks przyjaciela Wignera i inne podobne. Koncept nazwany na cześć Eugene’a Wignera, jednego z największych naukowców w historii mechaniki kwantowej, polegał na tym, że przyjaciel Wignera obserwował wynik eksperymentu kwantowego, widząc, powiedzmy, czy cząstka ma spin skierowany w górę, czy w dół. Wigner jest poza laboratorium i obserwuje zarówno swojego przyjaciela, jak i laboratorium jako system kwantowy. Jeśli przyjaciel obserwujący wynik eksperymentu załamie funkcję falową dla siebie i Wignera tak, że Wigner będzie widział tylko jeden wynik, obiektywność rzeczywistości jest ocalona. Jeśli funkcja falowa załamie się dla przyjaciela Wignera, ale nie dla Wignera, jest inaczej. Przeprowadzone eksperymenty wskazują na to drugie, jednak dotyczą jedynie cząstek elementarnych.
Gdy zaakceptujemy pogląd, że nie ma obiektywnej rzeczywistości, nadal są dostępne dwie opcje: wiele obiektywnych rzeczywistości lub subiektywna rzeczywistość, unikatowa dla pojedynczego obserwatora. Wiele rzeczywistości lub hipoteza wielu światów Hugh Everetta, w której nie ma paradoksu dziadka, bo jest mnogość światów i kontinuów. Urodzony w jednym kontinuum może cofając się w czasie zabić dziadka, co otwiera kontinuum, w którym się nie urodził.
Alternatywne wyjaśnienie jest takie, że nie ma obiektywnych rzeczywistości, a jedynie subiektywna rzeczywistość każdego z osobna. Wczesnym proponentem tej koncepcji w fizyce był Frank Ramsey, oksfordzki matematyk, filozof, współczesny Bohrowi. Jego praca doprowadziła do poważnej modyfikacji hipotezy Bohra, tworząc kwantowy bajezjanizm (QBism), subiektywną interpretację mechaniki kwantowej.
W kwantowym wszechświecie QBistów rzeczywistość składa się z zestawu przekonań i informacji, które przechowujesz w swoim umyśle. Tam, poza umysłem, nie ma rzeczywistości, nie ma prawdy, nie ma fałszu. Posiadanie rzeczywistości, które różnią się od światów innych ludzi, jest całkowicie możliwe, a nawet jest normą. W interpretacji Ramseya rzeczywistość jest bardziej jak VR, którą twój umysł generuje dla ciebie z wrażeń zmysłowych. Wracając do analogii autostrady - jeśli zejdziesz z autostrady i wejdziesz na inną w swojej grze i zmienisz różne rzeczy, nawet jeśli wygląda to tak, jakbyś zmieniał swoją własną przeszłość, to nadal wszystko jest tylko twoim osobistym doświadczeniem.
Oznacza to zarazem, iż nie możemy, komunikując sobie nawzajem to, co obserwujemy, ani słowami, ani działaniami (w tym przekazując nasze DNA przez reprodukcję), pogodzić naszych rzeczywistości razem w jedną obiektywną rzeczywistość. Dziadek może doświadczać życia do późnej starości, posiadania dzieci i wnuków, podczas gdy ty możesz doświadczyć zabicia go. Te światy istnieją oddzielnie w oddzielnych świadomościach.
Mirosław Usidus
