Rozdział 1
Najważniejsze zagadki
Kolejna rewolucja w fizyce
Nie ma nic bardziej tajemniczego i nieuchwytnego niż czas. Wydaje się on najpotężniejszą siłą we wszechświecie, niosąc nas nieubłaganie od narodzin do śmierci. Ale czym on właściwie jest? Święty Augustyn, który zmarł w 430 roku, tak podsumował ten problem: "Jeśli nikt mnie o to nie pyta, wiem. Jeśli pytającemu usiłuję wytłumaczyć, nie wiem". Wszyscy zgadzają się z tym, że czas związany jest ze zmianą, wzrostem i rozpadem, ale czy jest jeszcze czymś więcej? Pytania się mnożą. Czy czas płynie naprzód, powołując do istnienia stale zmieniającą się teraźniejszość? Czy przeszłość nadal istnieje? Gdzie znajduje się przeszłość? Czy przyszłość jest z góry ustalona i spokojnie oczekuje na nas, choć sami nie mamy pojęcia, czym ona jest? Wszystkie powyższe pytania zostaną omówione w tej książce, lecz najistotniejszym pozostaje to, na które święty Augustyn nie potrafił znaleźć odpowiedzi: czym jest czas?
O dziwo, fizycy starają się nie stawiać tego pytania, woląc pozostawiać je filozofom. Powodem takiego stanu rzeczy jest prawdopodobnie kolosalny i dominujący wpływ Isaaca Newtona i Alberta Einsteina. To oni ukształtowali sposób, w jaki fizycy myślą o przestrzeni, czasie i ruchu. Każdy z nich stworzył interpretację świata o niezrównanej przejrzystości. Lecz po znalezieniu własnej metody opisu struktury rzeczywistości nie przejmowali się zbytnio jej fundamentami. Otwiera to drzwi dla pojawienia się nieporozumień. Bez wątpienia ich teorie zawierają wspaniałe prawdy, natomiast obaj geniusze traktowali czas jako wielkość zadaną. Stanowi on podstawowy element na równi z przestrzenią - jest pierwotną substancją. W rzeczy samej, Einstein połączył go z trójwymiarową przestrzenią i w rezultacie powstała czterowymiarowa czasoprzestrzeń. Była to jedna z wielkich rewolucji w fizyce (ramka 1).
RAMKA 1. Wielkie rewolucje w fizyce
1543: Rewolucja kopernikańska. W dziele De revolutionibus orbium coelestium (O obrotach sfer niebieskich) Mikołaj Kopernik zasugerował, że Ziemia krąży wokół środka wszechświata. Tytuł ten stanowi źródło współczesnego znaczenia słowa "rewolucja". Kopernik określił tam kształt Układu Słonecznego. Co ciekawe, Słońce odgrywa niewielką rolę w jego systemie; umieścił je tylko w pobliżu środka wszechświata. Mniej więcej 60 lat później Johannes Kepler wykazał, że Słońce jest prawdziwym centrum Układu Słonecznego, i wraz z Galileuszem przygotował fundament pod kolejną rewolucję.
1687: Rewolucja newtonowska. W dziele Matematyczne zasady filozofii naturalnej Newton sformułował swoje słynne trzy prawa ruchu oraz teorię powszechnego ciążenia. Pokazał, że wszystkie ciała - ziemskie i niebieskie - podlegają identycznym prawom, a tym samym stworzył pierwszy schemat, w ramach którego można było opisać cały wszechświat jako wzajemnie ze sobą powiązaną jedność. Newton był twórcą nauki zwanej mechaniką, obecnie często nazywanej dynamiką, która zapoczątkowała okres rozwoju nowoczesnej nauki. Twierdził on, że wszystkie ruchy odbywają się w nieskończonej, nieruchomej, absolutnej przestrzeni oraz że czas również jest absolutny i "płynie jednostajnie niezależnie od wszelkich zewnętrznych wpływów".
1905: Szczególna teoria względności. W stosunkowo krótkiej pracy na temat elektromagnetyzmu Einstein udowodnił, że jednoczesności nie można zdefiniować w sensie absolutnym dla rozdzielonych przestrzennie punktów oraz że przestrzeń i czas są ze sobą nierozerwalnie związane. To, co traktujemy jako przestrzeń, i to, co wydaje nam się być czasem, zależy od ruchu obserwatora. Einstein dokonał zadziwiających przewidywań dotyczących zachowania się prętów pomiarowych i zegarów oraz wyprowadził swoje słynne równanie E = mc2. W 1908 roku Hermann Minkowski sformalizował pojęcie czasoprzestrzeni jako sztywnej, niepodzielnej, czterowymiarowej areny zdarzeń dla całego wszechświata.
1915: Ogólna teoria względności. Szczególna teoria względności opisuje świat, w którym nie występuje grawitacja. Po ośmiu latach rozmyślań Einstein ostatecznie sformułował swoją ogólną teorię względności, w której sztywna scena czasoprzestrzeni Minkowskiego staje się elastyczna i dostosowuje się do obecności występującej w niej materii. Grawitacji nadał olśniewająco oryginalną interpretację efektu pochodzącego z zakrzywienia czasoprzestrzeni. Teoria ta wykazała, że czas może mieć początek (Wielki Wybuch) i że wszechświat może się rozszerzać lub kurczyć. Choć w przeważającym stopniu było to dzieło czystej myśli, wiele przewidywań tej teorii zyskało do dnia dzisiejszego bardzo mocne potwierdzenie doświadczalne. Opisuje ona wielkoskalowe właściwości materii oraz wszechświat jako całość.
1925/6: Mechanika kwantowa. Swoją nazwę teoria ta zawdzięcza temu, że pokazuje, iż pewne mechaniczne wielkości występują w przyrodzie wyłącznie jako wielokrotności nieciągłych (dyskretnych) wartości zwanych kwantami. Stanowi to charakterystyczną różnicę pomiędzy tym modelem a teoriami Newtona i Einsteina, które obecnie nazywane są teoriami klasycznymi (w odróżnieniu od kwantowych). Pierwsze efekty kwantowe zostały odkryte i opisane ad hoc przez Maxa Plancka (1900), Einsteina (1905) oraz Nielsa Bohra (1913), natomiast spójna teoria kwantowa ujrzała światło dzienne w dwóch odmiennych, lecz równoważnych postaciach: mechaniki macierzowej opracowanej przez Wernera Heisenberga (1925) oraz mechaniki falowej wprowadzonej przez Erwina Schrödingera (1926). Na tym polu wybitnymi osiągnięciami wykazał się również Paul Dirac. Mechanika kwantowa opisuje właściwości światła, zwłaszcza laserowego, oraz mikroskopijny świat atomów i cząsteczek. Stanowi podstawę wszystkich współczesnych technologii elektronicznych, lecz jej wyniki w zaskakujący sposób przeczą zdroworozsądkowej intuicji i stawiają głębokie pytania dotyczące natury rzeczywistości. Zaskakujące jest również, że teorie posiadające całkowicie odmienną strukturę stosowane są do opisu makroskopowego wszechświata (klasyczna ogólna teoria względności) i mikroskopowych atomów (mechanika kwantowa).
To rewolucje sprawiają, że fizyka jest tak bardzo fascynującą nauką. Co pewien czas otwiera się całkowicie nowa perspektywa. Lecz nie wygląda to tak, że zamykamy okiennice jednego okna, otwieramy je na kolejnym i nagle zauważamy, że spoglądamy ze zdumieniem na całkowicie nowy krajobraz. Dawne perspektywy utrzymują się w nowym obrazie. Dobrą metaforą fizyki może być wspinaczka górska: im wyżej wchodzimy, tym szersza panorama prezentuje się przed naszymi oczami. Każdy nowy punkt obserwacji dostarcza lepszego zrozumienia wzajemnych powiązań między elementami rzeczywistości. Co więcej, stopniowe gromadzenie wiedzy jest przerywane nagłymi i zaskakującymi poszerzeniami horyzontu, tak jak wówczas, gdy docieramy do wierzchołka wzgórza i naszym oczom ukazują się widoki, których nie spodziewaliśmy się zobaczyć podczas podejścia. Kiedy już odnajdziemy nasze położenie w nowym krajobrazie, nasza ścieżka na ostatni zdobyty szczyt staje się wytyczona i zajmuje swoje honorowe miejsce w nowym świecie.
Dzisiaj fizycy z pełnym przekonaniem, a nawet ze zniecierpliwieniem, wyczekują nowej rewolucji. Ale czym ona będzie? W 1979 roku, kiedy, podobnie jak wcześniej Newton i Dirac, Stephen Hawking objął profesurę katedry Lucasa w Cambridge, w swym inauguracyjnym przemówieniu ogłosił rychły koniec fizyki. W ciągu 20 lat fizycy mieli wejść w posiadanie teorii wszystkiego, stworzonej na podstawie podwójnej unifikacji: wszystkich sił występujących w przyrodzie oraz Einsteinowskiej ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową. Fizycy mogliby wówczas poznać wszystkie zagadki istnienia i pozostałoby im jedynie zrozumienie wypływających z nich wniosków.
Jak do tej pory żadna z tych unifikacji nie doszła jednak do skutku, choć przynajmniej jedna lub nawet obie z pewnością powinny były już nastąpić. (Hawking niedawno stwierdził, że jego przewidywanie nadal pozostaje w mocy, ale "te 20 lat należy zacząć liczyć od teraz"). Jeśli o mnie chodzi, wątpię, aby owe unifikacje mogły być zapowiedzią końca fizyki. Natomiast unifikacja ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej może równie dobrze oznaczać koniec czasu. Mam przez to na myśli, że przestanie on odgrywać rolę w podstawach fizyki. W pewnym momencie zobaczymy, że czas nie istnieje. Mimo iż jest to wyłącznie perspektywa jawiąca się na horyzoncie, moim zdaniem to właśnie może stanowić kolejną rewolucję. Cóż to by było za niezwykłe zwieńczenie historii nauki, gdyby okazało się to prawdą!
Uważam, że podstawowe elementy owej potencjalnej rewolucji - jej powody i prawdopodobny wynik - można dostrzec już teraz. W rzeczy samej, jak niebawem zobaczymy, wyraźne wskazówki dotyczące tego, że czas może nie istnieć oraz że grawitacja kwantowa - unifikacja ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej - dostarczy statycznego obrazu wszechświata kwantowego, zaczęły się pojawiać około 30 lat temu, lecz wywarły niezwykle mały wpływ na fizykę. Jest to jeden z powodów, dla których napisałem niniejszą książkę: zagadnienia te powinny zostać szerzej rozpropagowane. Dopiero teraz zaczynają być opisywane w publikacjach przeznaczonych dla zwykłych czytelników, a nawet większość czynnych zawodowo fizyków zna je co najwyżej w niewielkim stopniu.
Niewątpliwie wiele osób odrzuci jako nonsens sugestię, że czas może nie istnieć. Bynajmniej nie zaprzeczam potężnemu zjawisku, które nazywamy czasem. Lecz czy jest on tym, czym się jawi? Przecież Ziemia też wydaje się płaska. Uważam, iż rzeczywiste zjawisko jest tak odmienne, że gdybym zaprezentował wam, czym moim zdaniem ono jest, bez używania słowa "czas", nie przyszłoby wam do głowy nazwać go w ten sposób.
Jeśliby usunąć czas z podstaw fizyki, nie poczulibyśmy wszyscy nagle, że ustał upływ czasu. Wręcz przeciwnie - nowe bezczasowe zasady wyjaśnią, dlaczego realnie odczuwamy zjawisko upływu czasu. Powtórzy się schemat pierwszej wielkiej rewolucji w fizyce. Kopernik, Galileusz i Kepler nauczyli nas, że Ziemia porusza się i obraca, podczas gdy niebiosa są nieruchome, lecz nie zmieniło to ani na jotę naszej bezpośredniej obserwacji, że to niebo się porusza, a Ziemia nie zmienia swojego położenia. Zrozumienie wzajemnych powiązań między różnymi obiektami ostatecznie zmieniło się nie do poznania w sposób, którego nie dało się przewidzieć. Moim zdaniem nadeszła teraz pora na wykonanie nieco paradoksalnego odwrotu od rewolucji kopernikańskiej i zanurzenie się w głębię rzeczywistości, w której zupełnie nic, ani sfery niebieskie, ani też Ziemia, nie poruszają się. Panuje tu bezruch.
Ludzie często pytają mnie, jakie są konsekwencje nieistnienia czasu. Co będzie to oznaczać dla codziennego życia? Myślę, że nie możemy na to pytanie udzielić odpowiedzi. Kopernik nie mógł podejrzewać, jakie odkrycia poczyni Newton (nie mówiąc już o Einsteinie), choć wszystkie one miały swe źródło w jego rewolucji. Ale możemy być pewni, że nasze koncepcje dotyczące czasu, przyczynowości i początków ulegną przeobrażeniu. Na poziomie osobistym rozmyślanie o tych sprawach przekonało mnie, że powinniśmy się troszczyć o teraźniejszość. Że ona z pewnością istnieje i jest może nawet wspanialsza, niż to sobie wyobrażamy. Carpe diem - ciesz się chwilą. Szerzej zajmę się tą kwestią w epilogu.
Rzeczy ostateczne
Książka ta koncentruje się wokół trzech pytań: Czym jest czas? Czym jest zmiana? Jaki jest plan wszechświata? Jedynym sposobem udzielenia na nie odpowiedzi jest zbadanie struktury naszych najbardziej udanych teorii. Musimy zgłębić architekturę przyrody. Jaką rolę, jeśli w ogóle, odgrywa czas w tych teoriach? Czy potrafimy określić najbardziej fundamentalną arenę świata?
Pytania te zostały narzucone fizykom przez badania, o których wspomniałem we wstępie. Jest to jedna z dwóch wielkich (i prawie na pewno ściśle ze sobą związanych) tajemnic współczesnej fizyki (ramka 2). Obie są aspektami jak dotychczas niezasypanej przepaści między fizyką klasyczną i kwantową.
RAMKA 2. Dwie wielkie tajemnice
Jak wyjaśniono w ramce 1, fizycy obecnie opisują świat za pomocą dwóch bardzo odmiennych teorii. Właściwości dużych obiektów charakteryzowane są przez fizykę klasyczną, natomiast do opisu małych elementów świata materialnego stosowana jest fizyka kwantowa. Istnieją dwa problemy związane z tym obrazem.
Po pierwsze, ogólna teoria względności, czyli teoria grawitacji Einsteina, wydaje się niezgodna z zasadami mechaniki kwantowej w zupełnie innym sensie niż w przypadku dynamiki newtonowskiej i teorii elektromagnetyzmu opracowanej przez Michaela Faradaya i Jamesa Clerka Maxwella w XIX stuleciu. Wynika to stąd, że dla tych dwóch ostatnich teorii możliwe stało się ich przekształcenie za pomocą procesu zwanego kwantyzacją z obrazu klasycznego do kwantowego. Próby zastosowania tej samej procedury do ogólnej teorii względności i stworzenia grawitacji kwantowej spełzły na niczym. To właśnie prace wykonane w tym zakresie przez Diraca i innych naukowców wysunęły na pierwszy plan wszystkie problemy dotyczące czasu, które omawiane są w tej książce.
Drugą tajemnicą jest związek między fizyką klasyczną i kwantową. Wydaje się, że fizyka kwantowa jest bardziej fundamentalna i powinna dać się zastosować do dużych obiektów, a nawet całego wszechświata. Powinna istnieć kwantowa teoria wszechświata: kosmologia kwantowa. Ale fizyka kwantowa nie istnieje jeszcze w takiej postaci. A jej obecna forma jest bardzo tajemnicza. Część tej teorii zdaje się opisywać rzeczywiste zachowanie atomów, cząsteczek i promieniowania, ale inny jej fragment składa się z dość dziwnych zasad, które obowiązują na granicy między światem mikroskopowym i makroskopowym. W istocie już samo istnienie pozornie niepowtarzalnego wszechświata stanowi wielką zagadkę w ramach modelu kwantowo-mechanicznego. Sytuacja ta jest bardzo niezadowalająca, gdyż fizycy pokładają głęboką wiarę w jedność przyrody. Ponieważ ogólna teoria względności jest jednocześnie teorią grawitacji i wielkoskalowych struktur wszechświata, stworzenie kosmologii kwantowej z pewnością będzie wymagać rozwiązania jedynie nieznacznie węższego problemu grawitacji kwantowej.
Jednym z tematów mojej książki jest problem, że ta przepaść powstała dlatego, iż fizycy posługują się głęboko zakorzenionymi, lecz błędnymi pojęciami dotyczącymi natury przestrzeni, czasu i materii. Z góry przyjęte założenia przesłaniają prawdziwą naturę świata. Fizycy używają aktualnie zbyt wielu pojęć. Zakładają, że istnieje wiele obiektów i że obiekty te poruszają się w ogromnej niewidzialnej strukturze przestrzeni i czasu.
Moją kluczową koncepcję stanowi radykalna alternatywa zaproponowana przez rywala Newtona - Leibniza. Świat należy postrzegać nie z dualistycznego punktu widzenia atomów (elementów jednego rodzaju), które poruszają się w strukturze i naczyniu zbudowanym z przestrzeni i czasu (zupełnie innego rodzaju elementów rzeczywistości), lecz w kategoriach bardziej fundamentalnych obiektów, które łączą przestrzeń i materię w jedno pojęcie możliwego układu lub konfiguracji całego wszechświata. Tego typu konfiguracje, które mogą posiadać bajecznie bogatą strukturę, są wielkościami fundamentalnymi. Jest ich nieskończenie wiele; wszystkie one są odmiennymi przypadkami wspólnej zasady konstrukcyjnej i wszystkie one są, moim zdaniem, różnymi momentami czasu. W rzeczywistości wiele osób, które zajmowały się zagadnieniem czasu, wyobrażały sobie momenty czasu w dość podobny sposób i nazywały je "obecnymi chwilami". Ponieważ koncepcję tę traktuję bardziej precyzyjnie i umieszczam u samych podstaw mojej teorii czasu, będę nazywał je "chwilami aktualnymi". Świat składa się z chwil aktualnych.
Przestrzeń i czas w ich poprzedniej roli jako sceny świata są zbędne. Nie istnieje żadne naczynie. Wszechświat nie zawiera obiektów, on jest obiektami. Obiekty te są chwilami aktualnymi, które, że tak to ujmę, unoszą się w nicości. Fizyka Newtonowska, teoria względności Einsteina i mechanika kwantowa będą zupełnie inaczej podchodzić do zagadnienia chwil aktualnych. Będą je traktować w odmienny sposób. Co więcej, zasady rządzące wszechświatem jako całością pozostawiają swoje ślady na obiektach, które odnajdujemy wokół nas. Te lokalne ślady, które fizycy traktują jako podstawowe prawa przyrody, ujawniają niewiele wskazówek dotyczących ich pochodzenia w ramach głębszego schematu obiektów. Próba zrozumienia wszechświata jako całości za pomocą "powiązania w jedną całość" owych lokalnych śladów bez zrozumienia ich pochodzenia musi prowadzić do powstania fałszywego obrazu. Będzie to po prostu problem płaskiej Ziemi rozciągnięty na większą skalę. Moim celem jest pokazanie, jak te lokalne ślady mogą powstać z głębszej rzeczywistości, w jaki sposób teoria czasu wyłania się z bezczasowości. Naszym zadaniem nie jest badanie czasu, lecz wykazanie, jak przyroda tworzy wrażenie czasu.
Jest to ambitne wyzwanie. W jaki sposób statyczny wszechświat wydaje się tak dynamiczny? Jak to możliwe, że widzimy mieniące się barwy zimorodka w locie, a jednocześnie twierdzimy, że ruch nie istnieje? Jeśli przeczytacie tę książkę do końca, dowiecie się, że proponuję odpowiedź na te wszystkie pytania. Nie twierdzę jednak, że moja teoria jest absolutnie słuszna - każdy musi sam dokonać wyboru, tym bardziej że wielu fizyków nie poparło mojego punktu widzenia. Gdyby wszystko było jasne, nie powinienem obiecywać innej, lecz właściwą teorię czasu. Aby nie zakłócać płynnego przyswajania tekstu, jedynie w kilku przypadkach nawiązuję do tych problemów w moim bezczasowym opisie świata. Zamiast tego znane mi niejasności zgromadziłem wszystkie razem w przypisach. Choć, jak stanie się to widoczne podczas czytania tej książki, dość mocno wierzę w poprawność owej teorii, mam wrażenie, że nawet bezsprzeczne jej obalenie byłoby dla mnie ekscytujące. Problemy dotyczące czasu są bardzo głębokie. Jasny dowód na to, że się mylę, z pewnością przyczyniłby się do znaczącego postępu w naszym zrozumieniu zjawiska czasu. W pewnym sensie nie mogę przegrać! Niezależnie od ostatecznego wyniku będę bardziej niż szczęśliwy, jeśli książka ta pozwoli wam poznać nowy sposób myślenia o czasie, otworzy wam oczy na niektóre z tajemnic wszechświata oraz zachęci choćby jednego z was do rozpoczęcia badań nad czasem, tak jak 35 lat temu stało się to w moim przypadku.
Gdyż dociekania dotyczące zjawiska czasu nie ograniczają się wyłącznie do niego samego - stanowią badania nad całością rzeczywistości.
Zmagania z ulotnym czasem
Najtrudniejszą rzeczą ze wszystkich jest znaleźć czarnego kota w ciemnym pokoju, zwłaszcza jeśli kota tam nie ma.
Konfucjusz
Nasze rozważania musimy rozpocząć od próby ustalenia, czym jest czas. Jak stwierdził święty Augustyn, już tutaj zaczynają się problemy. Prawie każdy zgodziłby się z tym, że czas odczuwany jest jako coś liniowego. Wydaje się, że płynie on nieustannie w przód w postaci chwil rozłożonych w sposób ciągły na linii prostej. Podróżujemy na wiecznie zmieniającej się chwili aktualnej niczym pasażerowie w pociągu. Każdy punkt tej linii jest nowym momentem. Ale czy czas płynie naprzód - a jeśli tak, to w czym? - czy może to my poruszamy się do przodu w czasie? Wszystkie te kwestie są bardzo zagadkowe, a filozofowie wdali się z ich powodu w niekończące się spory. Nie mam zamiaru ich wyjaśniać, ponieważ nie uważam, żeby mogły nas zaprowadzić w dobrym kierunku. Kłopot z czasem polega na tym, że jest on niewidzialny. Nigdy nie dojdziemy do porozumienia, dopóki nie zaczniemy dyskutować o czymś, co możemy dostrzec i uchwycić naszymi zmysłami.
Myślę, że bardziej owocne będzie zgodzić się w kwestii, czym jest moment czasu. Proponuję, żeby traktować go jako "trójwymiarową fotografię". W każdym momencie widzimy przedmioty w określonych położeniach. Fotografie odpowiadają naszym wrażeniom; artyści malowali obrazy wyglądające niczym zdjęcia na długo przed wynalezieniem aparatów fotograficznych. Wydaje się to naturalnym sposobem myślenia o doświadczaniu momentu czasu. Dysponujemy też świadectwami pochodzącymi z innych zmysłów. Czuję swędzenie w tym samym czasie, gdy widzę poruszający się przedmiot w określonym położeniu. Wszystkie wrażenia, które dostrzegam, słyszę oraz wyczuwam węchem i smakiem, łączą się w jedną całość. "Współpowiązanie" wydaje mi się własnością definiującą moment. Nadaje mu jedność.
Trójwymiarowe fotografie, które mam na myśli, mogą powstać wówczas, gdy wiele odrębnych osób wykonałoby zwykłe dwuwymiarowe zdjęcia pewnego zdarzenia w tym samym momencie. Porównanie zawartych w nich informacji umożliwiłoby skonstruowanie trójwymiarowego obrazu świata w danej chwili. To właśnie rozumiem pod pojęciem chwili aktualnej. Bardzo istotne jest to, że tak całkiem odmienne od siebie dwuwymiarowe obrazy można bezproblemowo połączyć w trójwymiarową reprezentację. Możliwość powstania tego rodzaju porządku jest tym, co prowadzi nas do stwierdzenia, że obiekty istnieją w trójwymiarowej przestrzeni. Powoduje to jeszcze głębsze "współpowiązanie", wykraczające poza bezpośrednio odczuwalne wrażenie świadomości istnienia wielu odrębnych obiektów naraz (dzięki temu jesteśmy w stanie natychmiast posiąść wiedzę, że na przykład widzimy sześć odmiennych elementów bez liczenia ich jednego po drugim). Traktuję przestrzeń jako "spoiwo" bądź zbiór zasad, który wiąże obiekty w jedną całość. Jest to różnorodność w ramach głębokiej jedności i to ona tworzy chwilę aktualną.
Możecie zaprotestować, że żadne doświadczenie nie jest natychmiastowe, tak samo jak fotografie wymagają skończonego czasu naświetlania. To prawda, lecz mimo to możemy przyrównywać momenty czasu do fotografii. Jest to najlepsza idealizacja, jaka przychodzi mi do głowy. Pozwala nam zacząć na poważnie zajmować się czasem, który w przeciwnym razie na zawsze będzie nam przeciekać przez palce. W postaci momentów, a nie niewidzialnej rzeki, czas staje się czymś realnym. Możemy dogłębnie analizować fotografie, poszukując na nich dowodów niczym analitycy wywiadu wojskowego badający zdjęcia satelitarne. Możemy sobie wyobrazić "fotografowanie" naszych kolejnych doznań, uzyskując tym samym niezliczoną liczbę fotografii. Korzystając z nich, jesteśmy w stanie określić najważniejsze właściwości doświadczanego przez nas czasu.
Właściwości doświadczanego czasu
Załóżmy, że fotografie są wykonywane, gdy jesteśmy świadkami wielu zjawisk jednocześnie - na przykład tłum ludzi przechodzi obok nas na ulicy - i że owe fotografie (zarówno dwuwymiarowe, czyli takie, jakie są przez nas bezpośrednio obserwowane, jak i "trójwymiarowe", czyli takie, jakie opisano powyżej), po ich zrobieniu, są układane losowo w stos. Inna osoba, mając do dyspozycji ów stos i analizując szczegóły na fotografiach, mogłaby stosunkowo łatwo ułożyć je w kolejności, w jakiej były doświadczane. Z tych poszczególnych klatek można zmontować film. Moje pojęcie czasu zależy w głównej mierze od szczegółów, jakie zawierają "fotografie". Wymaga to istnienia świata o bogatej strukturze, jakiego rzeczywiście doświadczamy.
Ten eksperyment myślowy uwypukla najważniejszą właściwości doświadczanego czasu: wszystkie jego momenty można umieścić w szeregu. Pojawiają się one w liniowej kolejności. Jest to bardzo silne wrażenie. Nie powstaje ono przez działanie niewidzialnego czasu, lecz tworzą je konkretne obiekty.
Trudniej jest określić inne własności czasu. Wspomniałem już o trudności związanej z precyzyjnym wyjaśnieniem, na czym polega silne wrażenie poruszania się naprzód w czasie. Posiadamy również intuicyjne wyczucie długości czasu lub jego trwania. W rzeczy samej, sekundy, minuty i godziny zdominowały naszą epokę, choć możemy nie zdawać sobie sprawy z tego, w jaki sposób narodziły się owe precyzyjne pojęcia. Jest to kolejna ważna kwestia. Wreszcie mamy też do czynienia z wyjątkowo silnym odczuciem, że czas posiada kierunek. Linia narysowana na piasku sama z siebie nie wyznacza kierunku. Jeśli czas jest linią, jest to linia szczególna.
Dowód na istnienie kierunku czasu znajduje się w "fotografiach". Wiele z nich zawiera wspomnienia innych fotografii. Pozwólmy sobie wykonać doświadczenie na czasie. Możemy zatrzymać się przy jednym z naszych doświadczanych momentów ułożonych w linii i sprawdzić, czy zawiera on w sobie wspomnienie innego momentu. Znajdujemy ten zapamiętany moment w którymś miejscu na linii. To właśnie definiuje kierunek - od zapamiętanego momentu do jego wspomnienia. Możemy wykonać tę procedurę dla innych par momentów. Zawsze określają one ten sam kierunek. Wiele innych zjawisk również wyznacza kierunek czasu. Kawa wystygnie, jeśli nie włożymy jej do mikrofalówki; nigdy sama z siebie nie podniesie swojej temperatury. Filiżanka rozbije się o podłogę, jeśli ją upuścimy; potłuczone fragmenty nigdy nie złożą się i nie wskoczą z powrotem na stół jako cała filiżanka. Wszystkie te zjawiska, podobnie jak wspomnienia, wyznaczają kierunek w czasie i wszystkie one wskazują ten sam kierunek. Czas ma strzałkę.
A zatem doświadczany przez nas czas jest liniowy, można go zmierzyć i posiada strzałkę. Nie są to właściwości niewidzialnej rzeki: przynależą one do konkretnych momentów. Zawiera się w nich wszystko, co wiemy o czasie. Istnienie czasu wnioskujemy z elementów rzeczywistości.
Koncepcje Newtona
W 1687 roku Newton stworzył ścisłe pojęcia przestrzeni, czasu i ruchu. Pomimo istotnych korekt duża część jego systemu pozostaje nienaruszona. Wciąż jest on bliski temu, w jaki sposób wiele osób, w tym naukowców, myśli o czasie.
Czas Newtona jest absolutny, płynie doskonale jednostajnie przez całą wieczność i żaden proces we wszechświecie nie może zaburzyć jego przepływu. Przestrzeń również jest absolutna. Newton wyobrażał sobie przestrzeń jako nieograniczone naczynie. Rozciąga się ona od nieskończoności do nieskończoności niczym przezroczysty szklany blok, w którym jednak obiekty mogą poruszać się bez przeszkód. Przestrzeń jest ogromną areną; czas jest zegarem na widowni. Oba te elementy są bardziej fundamentalne niż przedmioty. Newton mógł wyobrazić sobie pusty świat, ale nie świat bez przestrzeni i czasu. Wielu filozofów zgadzało się z nim. Tak samo podchodzi do tych kwestii zwykły facet w barze, przekonany, że przestrzeń rozciąga się w nieskończoność i że "przecież musiał istnieć czas przed Wielkim Wybuchem".
W każdym momencie wszystkie obiekty w świecie newtonowskim znajdują się w określonych położeniach. Jego przestrzeń absolutna pełni dwie odrębne funkcje. Jak przedstawiono to w powyższej dyskusji, wiąże ona lub utrzymuje razem ze sobą obiekty w danym momencie. Ale nadaje im również położenie w naczyniu. Wyobraźmy sobie, że wykonujemy dwuwymiarowe fotografie stołu w pokoju. Jeśli teraz przemalujemy cały pokój stanowiący tło, będziemy nadal mogli odtworzyć kształt trójwymiarowego stołu, ale nie będziemy wiedzieć, gdzie go ustawić. Newton podkreślał, że obiekty we wszechświecie w dowolnym momencie mają określone miejsce, i przyjął przestrzeń absolutną jako swego rodzaju pomieszczenie, które zapewnia to miejsce. Jego niepodlegające zmianom naczynie trwa niezmiennie w czasie. Moglibyśmy wykonać rzeczywiste fotografie obiektów w otaczającym nas świecie (rysunek 1). W idealnym przypadku owe fotografie powinny być trójwymiarowe, tak samo jak przestrzeń, i przedstawiać wszystkie wzajemne położenia obiektów i ich pozycje w absolutnej przestrzeni, tak samo jak fotografie meczu futbolowego przedstawiają piłkarzy, piłkę i sędziego na boisku ze wszystkimi wymaganymi elementami. Zegar na trybunach rejestruje czas.
Rysunek 1. Jak wyjaśniono w tekście, Newton traktował przestrzeń jako naczynie lub arenę, a czas jako jednostajny przepływ. Trudność polega na tym, że oba te byty są niewidzialne. Schemat ten jest próbą przedstawienia sposobu, w jaki myślał on o przestrzeni i czasie. Pusta biała część kartki stanowi dwuwymiarowy substytut niewidzialnej trójwymiarowej przestrzeni, a efekt przepływu czasu upozorowany jest przez założenie, że wyzwala on błyski światła w bliskich sobie równych odstępach czasu. Błyski te oświetlają obiekty w absolutnej przestrzeni w odpowiednich momentach czasu w taki sam sposób, w jaki lampa stroboskopowa oświetla osoby tańczące w zaciemnionym pomieszczeniu. W tym wygenerowanym komputerowo perspektywicznym widoku wierzchołki trójkąta przedstawiają położenia trzech punktów materialnych podczas ich poruszania się w absolutnej przestrzeni. Pokazano tutaj trójkąty utworzone przez te punkty w kolejnych momentach.
Według Newtona wszystkie ciała poruszają się w absolutnej przestrzeni zgodnie z określonymi prawami ruchu, które rządzą prędkością i kierunkiem poruszania się tych ciał w owej przestrzeni mierzonymi za pomocą absolutnego czasu. Prawa te mają taką właściwość, że jeśli ruchy ciał są znane w pewnej chwili, prawa te opisują również wszystkie przyszłe ruchy. Całą historię świata można określić za pomocą dwóch fotografii wykonanych w krótkim odstępie czasu. (Jeśli wiemy, gdzie jakiś obiekt się znajduje w dwóch bliskich sobie chwilach, możemy wyznaczyć jego prędkość i kierunek. Tym samym dwie takie fotografie zawierają w sobie informacje o przyszłości).
Obraz sformułowany przez Newtona jest bliski codziennemu doświadczeniu. Nie widzimy absolutnej przestrzeni i absolutnego czasu, ale dostrzegamy coś całkiem do nich podobnego - sztywną Ziemię, która wyznacza położenia, oraz Słońce, którego ruch stanowi swego rodzaju zegar. Rewolucja newtonowska polegała na ustanowieniu ścisłych praw, które obowiązują w ramach tej struktury.
Prawa i warunki początkowe
Prawa te mają ciekawą właściwość. Określają one ruchy tylko wówczas, gdy związane są z nimi pewne warunki początkowe. Newton wierzył, że Bóg "ustanowił" (stworzył) wszechświat w pewnym momencie w przeszłości, umieszczając w absolutnej przestrzeni obiekty o określonych stanach ruchu; następnie zaś prawa ruchu przejęły nad nimi kontrolę. Stwierdzenie, że wszechświat Newtona to wszechświat mechanizmu zegarowego, jest nieco mylące. Zegary mają jeden z góry określony ruch: wahadło klasycznego zegara porusza się tylko w lewo i w prawo. Wszechświat Newtona jest dużo bardziej niezwykły - nie wyklucza wielu innych ruchów. Jednak po wybraniu warunków początkowych wszystko podąża ściśle określoną ścieżką.
Tak więc w ramach naukowego opisu wszechświata istnieją dwa zasadniczo odmienne elementy: odwieczne prawa oraz swobodnie określone warunki początkowe. Teoria względności Einsteina i wielkie odkrycia astronomiczne dodały jedynie do tego dualnego schematu fascynującą nowość w postaci wszechświata powołanego do życia w eksplozji mniej więcej 15 miliardów lat temu. Warunki początkowe zostały ustalone w momencie Wielkiego Wybuchu.
Niektórzy podają w wątpliwość ów dualny schemat. Czy jest to niezmienna cecha? Czy nie możemy odkryć praw, które są samowystarczalne i nie wymagają warunków początkowych? Pytania te są wyjątkowo ważne, gdyż prawa Newtona (a także prawa szczególnej i ogólnej teorii względności Einsteina, które je zastąpiły) mają właściwość, która wydaje się stać w całkowitej sprzeczności ze sposobem, w jaki odczuwamy działanie wszechświata - że przeszłość determinuje przyszłość. Nie uważamy, że przyczynowość prowadzi od przyszłości do przeszłości. Naukowcy zawsze biorą pod uwagę warunki początkowe. Lecz prawa Newtona i Einsteina działają równie dobrze w obu kierunkach. Prawda jest taka, że ciąg trójkątów na rysunku 1 jest określony przez prawa Newtona działające w obu kierunkach za pomocą dowolnych dwóch sąsiadujących trójkątów znajdujących się w dowolnych miejscach tego ciągu. Możecie się o tym przekonać, spoglądając jeszcze raz na tę ilustrację. Nie da się stwierdzić, w którym kierunku płynie czas. W opisie jest mowa o "lampie stroboskopowej" oświetlającej trójkąty w równych odstępach czasu, lecz nie mówi on nic o tym, który jest oświetlany jako pierwszy. Naukowcy mogliby badać trójkąty do końca świata, a i tak nie daliby rady określić, który z nich pojawił się wcześniej, a który później. Problem ten jest związany z jedną z największych zagadek w nauce.
Dlaczego wszechświat jest tak wyjątkowy?
Wszechświat, jaki widzimy obecnie wokół nas, jest wyjątkowy: wykazuje uporządkowanie w bardzo wysokim stopniu. Na przykład światło emitowane jest w formie bardzo regularnego strumienia z wielu miliardów gwiazd w całym wszechświecie. Gwiazdy te są zgromadzone w galaktykach podzielonych zaledwie na kilka podstawowych typów. Tu na Ziemi odkrywamy bardzo złożone cząsteczki i niezwykle skomplikowane formy życia, które nie mogłyby w żaden sposób zaistnieć, gdyby nie stały strumień światła słonecznego nieprzerwanie docierający do naszej planety. Jednak zdecydowana większość możliwych do wyobrażenia warunków początkowych, które mogłyby się pojawić w Wielkim Wybuchu, doprowadziłaby do powstania wszechświatów znacznie mniej interesujących - a prawdę mówiąc, zdecydowanie nudnych - w porównaniu z naszym wszechświatem. Tylko wyjątkowe warunki początkowe mogły prowadzić do obecnie panującego porządku. Jest to zagadka. Współczesna nauka znajduje się w wyjątkowej sytuacji, posiadając piękne i bardzo dokładnie sprawdzone prawa, a jednocześnie zasadniczo nie będąc w stanie wyjaśnić wszechświata. W dualnym schemacie praw i warunków początkowych wielki ciężar wyjaśnienia, dlaczego wszechświat jest taki, jaki jest, spada na warunki początkowe. Jak dotąd nauka nie jest w stanie podać uzasadnienia, dlaczego warunki te miały taką postać, jaka jest konieczna do wyjaśnienia obecnie obserwowanego wszechświata. Wszechświat przypomina szczęśliwy traf.
Istnieją dwa niezwykłe aspekty dotyczące zagadnienia porządku we wszechświecie: jego wielkość oraz sposób, w jaki ulega zmniejszeniu. Jednym z największych odkryć naukowych, dokonanym mniej więcej 150 lat temu, było drugie prawo termodynamiki. Badanie sprawności, z jaką silniki parowe zamieniają ciepło na mechanicznie użyteczny ruch, doprowadziło do powstania pojęcia entropii. Nawiązując do sposobu, w jaki została ona pierwotnie odkryta, jest na przykład miarą tego, jak wiele użytecznej pracy można uzyskać z gorącego gazu. To właśnie tutaj strzałka czasu, którą znamy z bezpośredniego doświadczenia, wkracza na arenę fizyki. Prawie wszystkie procesy obserwowane we wszechświecie posiadają kierunkowość. W układzie izolowanym różnice temperatury dążą zawsze do wyrównania. Oznacza to na przykład, że nie jesteśmy w stanie uzyskać energii z chłodniejszego gazu w celu jeszcze silniejszego ogrzania gorętszego gazu i przetłoczenia go z jeszcze większą prędkością w naszym silniku parowym. Mówiąc ściślej, jeślibyśmy postąpili w ten sposób, zużylibyśmy więcej energii, niż moglibyśmy uzyskać, tak więc nie przyniosłoby to nam żadnych wymiernych efektów.
Wspomniałem już o jednokierunkowym zdarzeniu stłuczenia filiżanki. Innym tego rodzaju zjawiskiem jest mieszanie śmietanki z kawą. W praktyce niemożliwe jest odwrócenie tych procesów. Doskonałą tego ilustracją jest puszczenie filmu od tyłu: widzimy na nim zjawiska niemożliwe do zaistnienia w rzeczywistym świecie. Taka jednokierunkowość, bądź strzałka, znajduje swoje ścisłe odzwierciedlenie w fakcie, że entropia jakiegokolwiek układu izolowanego pozostawionego samemu sobie zawsze wzrasta (lub ewentualnie pozostaje stała).
Pod koniec XIX stulecia zdano sobie sprawę z tego, iż owa jednokierunkowość obserwowanych procesów pozostaje w wyraźnej opozycji do faktu, że prawa Newtona powinny równie dobrze działać dla obu kierunków czasu. Dlaczego procesy w przyrodzie zawsze przebiegają w jedną stronę, podczas gdy prawa fizyki mówią nam, że powinny działać jednakowo dobrze w każdym kierunku? Przez cztery dziesięciolecia, od 1866 roku do swojej samobójczej śmierci 5 września 1906 roku w malowniczym adriatyckim kurorcie Duino, austriacki fizyk Ludwig Boltzmann starał się znaleźć rozwiązanie tego problemu. Wprowadził teoretyczną definicję entropii jako prawdopodobieństwa danego stanu. Mocno wierzył w koncepcję atomów - których istnienie pozostawało kontrowersyjne aż do początku XX wieku - traktowanych jako drobne cząstki przemieszczające się tam i z powrotem z wielką prędkością zgodnie z prawami Newtona. W tym obrazie ciepło było traktowane jako miara prędkości atomów: im szybsze atomy, tym cieplejsza substancja. W drugiej połowie XIX wieku fizycy zaczęli zdawać sobie sprawę z ogromnej liczby atomów (zakładając, że istniały), które muszą się znajdować nawet w ziarnku piasku, a między innymi Boltzmann dostrzegł, że do opisu zachowania atomów należy wykorzystać argumenty statystyczne.
Zadał pytanie, jakie powinno być prawdopodobieństwo danego stanu. Wyobraźmy sobie siatkę 100 otworów, na którą losowo wrzucamy 1000 szklanych kulek. Jest niezwykle mało prawdopodobne, że wszystkie one wpadną do jednego otworu. Nie zamierzam podawać tutaj konkretnych wyników, ale nietrudno jest obliczyć prawdopodobieństwo tego, że wszystkie kulki wylądują w jednym otworze bądź na przykład w czterech sąsiadujących otworach. Zasadniczo można wypisać wszystkie możliwe rozkłady kulek w całej siatce, a następnie sprawdzić, w ilu takich rozkładach wszystkie kulki wpadły do jednego otworu, do czterech sąsiadujących otworów, ośmiu sąsiadujących otworów i tak dalej. Jeśli przyjmiemy każdy rozkład za równie prawdopodobny, liczba sposobów, w jaki można otrzymać określony wynik, staje się względnym prawdopodobieństwem określonego wyniku bądź stanu. Boltzmann wpadł na błyskotliwy pomysł, że to prawdopodobieństwo zastosowane do atomów (które musi również brać pod uwagę prędkości atomów) jest miarą entropii, która została odkryta dzięki badaniom termodynamiki silników parowych.
Nie należy się przejmować szczegółami technicznymi. Ważną kwestią jest to, że stany o niskiej entropii są z natury mało prawdopodobne. Koncepcja Boltzmanna okazała się wspaniałym pomysłem i na przykład nie można sobie bez niej wyobrazić dużej części współczesnej chemii. Jednak dokonana przez niego próba wyjaśnienia bardziej fundamentalnych zagadnień związanych z jednokierunkowością procesów fizycznych zakończyła się jedynie częściowym sukcesem.
Boltzmann chciał wykazać, że w analogii do zachowania entropii makroskopowej jego entropia mikroskopowa będzie z konieczności rosnąć wyłącznie na mocy praw Newtona. Wydaje się to prawdopodobne. Jeśli duża liczba atomów przebywa w pewnym mało prawdopodobnym stanie, na przykład wszystkie one znajdują się w małym obszarze, tak iż posiadają małą entropię, wydaje się jasne, że przejdą one do bardziej prawdopodobnego stanu o większej entropii. Wkrótce jednak zauważono, że istnieje dokładnie tyle samo ruchów atomów możliwych z punktu widzenia dynamiki, które prowadzą ze stanów o niskim prawdopodobieństwie do stanów o wysokim prawdopodobieństwie, jak i prowadzących w przeciwną stronę. Jest to prosta konsekwencja faktu, że prawa Newtona mają tę samą postać dla dwóch kierunków czasu. Same prawa Newtona nie mogą wyjaśnić istnienia strzałki czasu.
Jak dotychczas istnienie strzałki czasu tłumaczy się jedynie na dwa sposoby: albo wszechświat został stworzony w bardzo mało prawdopodobnym wyjątkowym stanie, a jego początkowy porządek od tamtej pory ulega "rozkładowi", albo istniał on od zawsze, lecz w pewnym momencie w niedawnej przeszłości przez przypadek przeszedł do wyjątkowo mało prawdopodobnego stanu o bardzo niskiej entropii, z którego obecnie się wydostaje. Druga z tych możliwości jest całkowicie zgodna z prawami fizyki. Jeśli na przykład zbiór atomów (które zachowują się zgodnie z prawami Newtona) zamknie się w pudełku i całkowicie odizoluje od otoczenia, w wystarczająco długim okresie przejdzie on przez wszystkie stany (a dokładniej: znajdzie się dowolnie blisko nich), które zasadniczo są dla niego dostępne, nawet przez takie, które są wysoce uporządkowane i mało prawdopodobne ze statystycznego punktu widzenia. Jednak odstępy czasu pomiędzy powrotami do stanów o bardzo niskiej entropii są niezmiernie długie (znacznie dłuższe niż obecnie przyjmowany wiek wszechświata), tak więc żadne z tych wyjaśnień nie jest zbyt atrakcyjne.
Faktem jest, że mechaniczne prawa ruchu pozwalają na istnienie praktycznie niewyobrażalnie wielkiej liczby różnych możliwych sytuacji. Interesująca z naszego punktu widzenia struktura i porządek pojawiają się w bardzo niewielkiej ich części. Naukowcy uważają, że nie powinni powoływać się na cuda, aby wyjaśnić dostrzegany przez nas porządek, lecz takie założenie pozostawia nam do dyspozycji wyłącznie statystyczne argumenty, które przynoszą niewesołe odpowiedzi (możemy oczekiwać jedynie nieciekawych sytuacji), albo ewentualnie tak zwaną zasadę antropiczną, która mówi, że gdyby wszechświat nie znajdował się w wysoce ustrukturyzowanym, choć niezwykle mało prawdopodobnym stanie, nie moglibyśmy istnieć i być tutaj, aby go obserwować.
Jednym z powodów napisania niniejszej książki jest to, że bezczasowa fizyka wprowadza nowe sposoby myślenia o strukturze i entropii. Łatwiej wyjaśnić istnienie strzałki czasu, jeśli on nie istnieje!
Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki