Emergencja czasu i przestrzeni?

Piotr Bylica

Emergencja czasu i przestrzeni?

Z problemem pochodzenia Wszechświata ściśle wiąże się kwestia natury czasu i przestrzeni. Czy czas i przestrzeń istniały przed Wszechświatem? Czy przed jego zaistnieniem był sens pytać „kiedy?” i „gdzie?”? I co miałoby znaczyć „przed”? Twierdzenie, że pytania tego typu byłyby sensowne, może zakładać absolutność czasu i przestrzeni w tym sensie, że są one czymś podstawowym, nieredukowalnym do czegokolwiek innego. Tymczasem niektóre współczesne próby połączenia mechaniki kwantowej oraz ogólnej teorii względności, mające doprowadzić do unifikacji tych dwóch wielkich teorii w postaci teorii kwantowej grawitacji, wiążą się z sugestią, że czas i przestrzeń wyłoniły się z czegoś bardziej podstawowego. Mówi się, że są emergentne wobec jakiegoś innego nieczasoprzestrzennego porządku. Poniżej przedstawiamy zarys pewnych koncepcji tego typu. Na tym tle wskazujemy na pewne kwestie natury filozoficzno-teologicznej związanej z teistyczną chrześcijańską koncepcją stworzenia świata przez Boga.

 

Jednym z głównych problemów współczesnej fizyki jest połączenie ogólnej teorii względności opisującej grawitację (będącą siłą przejawiającą się głównie w skali kosmicznej) z mechaniką kwantową (dotyczącą subatomowych, to jest najmniejszych, obiektów we Wszechświecie). Obydwie teorie z sukcesem przeszły szereg testów i wydaje się, że wystarczy je połączyć, byśmy uzyskali jedną teorię, która dotyczyłaby całości Wszechświata. W końcu Wszechświat jest pewną jedną całością, więc można oczekiwać, że taka całościowa teoria też powinna być możliwa.

Okazuje się jednak, że sprawa nie jest taka prosta (patrz też Mitch Stokes o opieraniu metafizyki na nauce w kontekście kryzysu we współczesnej fizyce). Jak pisze Adam Becker, amerykański popularyzator nauki, w artykule niedawno opublikowanym w „Świecie Nauki” (polskojęzycznym wydaniu popularnonaukowego czasopisma „Scientific American”)1Adam Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, „Świat Nauki” 2022, nr 3(367), s. 22−29., w którym prezentuje pewne najnowsze propozycje dotyczące rozumienia czasu i przestrzeni, te dwa opisy świata „nie współgrają ze sobą”:

 

Jeżeli w ramach ogólnej teorii względności zapytamy o zjawiska kwantowe, otrzymamy sprzeczne odpowiedzi, a w odpowiedziach pojawią się nieskończoności. Ale przyroda wie, jak łączyć grawitację ze światem kwantowym; to działo się tuż po Wielkim Wybuchu i dzieje się nadal we wnętrzu czarnych dziur. Prawdopodobnie trudności te są następstwem różnego traktowania czasu i przestrzeni w obydwu tych teoriach2Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 24..

 

W obliczu wspomnianej niezgodności rozumowanie niektórych fizyków jest następujące: skoro te dwie dobrze potwierdzone w swoich dziedzinach teorie różnie ujmują czas i przestrzeń, to może przy wyjaśnianiu czasu i przestrzeni należy odwołać się do czegoś jeszcze bardziej podstawowego, z czego czas i przestrzeń by się wyłoniły. Teoria, która stanowiła całkowitą teorię Wszechświata, powinna więc pozwalać ująć czas i przestrzeń jako coś emergentnego, czyli wyłonionego z tego jakiegoś bardziej podstawowego porządku. Jak pisze Becker:

 

Jedną z możliwości jest wyeliminowanie problemu u źródła, czyli opisania czasu i przestrzeni za pomocą bardziej fundamentalnych komponentów. W ostatnich latach niezależnie od siebie pojawiło się kilka idei, które przewidują, że na najgłębszym poziomie rzeczywistości, czas i przestrzeń nie istnieją w takiej formie, w jakiej widzimy je w dostępnym nam świecie. W ostatniej dekadzie te koncepcje radykalnie odmieniły sposób myślenia fizyków o czarnych dziurach. Obecnie badacze sięgają po nowe pomysły, aby wyjaśnić jeszcze bardziej egzotyczne obiekty, na przykład tunele czasoprzestrzenne, czyli hipotetyczne połączenia między odległymi punktami czasoprzestrzeni. Sukcesy dają nadzieję na jeszcze większe przełomy. Jeżeli przestrzeń jest emergentna, to wyjaśnienie jej pochodzenia, a także mechanizmu jej powstawania z innych obiektów może okazać się kluczem, który otworzy drzwi do uniwersalnej teorii całego świata3Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 24..

 

Idea emergencji daje nadzieję na dotarcie do „uniwersalnej teorii całego świata”. Choć w cytowanym fragmencie oraz w poprzednim mowa jest o tunelach czasoprzestrzennych, wnętrzach czarnych dziur lub tym, co działo się tuż po Wielkim Wybuchu, nie oznacza to, że mowa tu o czymś dostępnym obserwacji. Zanim krótko przedstawimy proponowane koncepcje, warto zwrócić uwagę na to, że mają one charakter zasadniczo nieempiryczny. Tych rzeczy i stanów nie obserwujemy i w „najbliższym” czasie nie będziemy w stanie obserwować. Z tego względu empiryczne testowanie ewentualnej teorii kwantowej grawitacji jest sprawą problematyczną. Becker pisze:

 

Ponieważ mechanika kwantowa i ogólna teoria względności są niewiarygodnie precyzyjne, teoria grawitacji kwantowej jest potrzebna jedynie do opisu ekstremalnych przypadków, kiedy olbrzymia masa jest ściśnięta w ekstremalnie małej objętości. Zdarza się to tylko w niektórych miejscach we Wszechświecie, we wnętrzach czarnych dziur. Podobnych warunków nie spotyka się w żadnym laboratorium, nawet wyposażonym w najpotężniejszą aparaturę. Akcelerator cząstek potrzebny do badania materii w warunkach grawitacji kwantowej miałby rozmiary galaktyki. Brak możliwości bezpośredniego uzyskania danych eksperymentalnych to główna przyczyna przeciągających się poszukiwań teorii grawitacji kwantowej4Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 29..

 

Choć Becker pisze także o pewnych możliwościach pośredniego testowania, to jednak nie pozwalają one na rozstrzygnięcia i nadal możemy mówić, o wciąż trwających czy nawet „przeciągających się poszukiwaniach teorii grawitacji kwantowej”.

 

Struny to podstawa

Przejdźmy jednak do bardzo zgrubnego przedstawienia dwóch głównych propozycji, o których pisze Becker. Pierwsza wywodzi się z „teorii strun” lub „superstrun”:

 

Najbardziej popularnym wśród fizyków kandydatem na teorię grawitacji kwantowej jest obecnie teoria strun. Zgodnie z jej zasadniczą ideą, wspomniane w nazwie struny są elementarnymi składnikami materii i energii, tworząc olbrzymią liczbę cząstek subatomowych, które są badane za pomocą akceleratorów na całym świecie. Struny miałyby być odpowiedzialne również za grawitację, tworząc hipotetyczną cząstkę zwaną „grawitonem”5Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 24..

 

W ramach tej teorii przy wyjaśnianiu natury przestrzeni fizycy odwołują się do znanego z fizyki kwantowej oraz obserwowanego zjawiska „splątania”.

 

[Splątanie to] działające natychmiastowo na dużych odległościach więzy pomiędzy obiektami, które sprawiają, że występują między nimi korelacje niemożliwe z perspektywy statystyki. […] Kiedy dwa obiekty oddziałują ze sobą, to zazwyczaj wchodzą one w stan splątania i pozostają w tym stanie dopóty, dopóki są odizolowane od świata zewnętrznego, niezależnie, jak bardzo mogą się w tym czasie oddalić. W trakcie eksperymentów fizycy utrzymywali splątanie między cząstkami znajdującymi się na Ziemi i wysłanymi na orbitę okołoziemską. W zasadzie cząstki powinny trwać w stanie splątania nawet wtedy, gdy znajdą się na przeciwległych krańcach Galaktyki, a nawet Wszechświata”6Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 25..

 

W istocie idea splątania jest czymś bardzo problematycznym z punktu widzenia teorii względności Einsteina, bo wynika z niej, że zanegowana zostaje zasada, iż nie istnieje natychmiastowe oddziaływanie na odległość. Zgodnie z nią wszelkie oddziaływania mogą rozchodzić się z maksymalną prędkością, jaką jest prędkość światła w próżni. Tymczasem splątanie sprawia, że jeśli mamy dwa splątane obiekty, to dopóki są w tym stanie, to wiedząc o tym, jak zmienił się jeden z nich, wiemy jednocześnie, w jakim stanie znajduje się ten drugi dokładnie w tym samym momencie. Mamy więc do czynienia z jednoczesnością zmiany i – jak mówił Einstein – „upiornym działaniem na odległość”7Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 25..

Niezależnie od tego, jak tłumaczyć splątanie, idea ta jest wykorzystywana przez niektórych zwolenników teorii strun do wyjaśnienia natury czasu i przestrzeni. Becker przywołuje w tej sprawie słowa Leonarda Susskinda, amerykańskiego fizyka teoretycznego, które dotyczą natury samej przestrzeni:

 

„Co utrzymuje przestrzeń w całości i sprawia, że się nie rozpada ona na oddzielne obszary? Odpowiedzią jest splątanie pomiędzy dwiema częściami przestrzeni […]. Ciągłość i spójność przestrzeni jest wynikiem kwantowego splątania”8Cyt. za: Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 26..

 

Inny fizyk, Mark van Raamsdonk z University of British Columbia, wskazuje, że także czas musi się skądś wyłaniać. Z artykułu dowiadujemy się, że Raamsdonk jest „pionierem w wyjaśnianiu relacji między czasoprzestrzenią a splątaniem”, lecz przyznaje: „Tego wciąż jednak nie rozumiemy i zagadnienie to jest przedmiotem intensywnych badań”9Cyt. za: Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 27..

 

Dzielenie czasoprzestrzeni na niepodzielne części

Ze względu na różne problemy teorii strun, jak choćby brak potwierdzenia istnienia supercząstek postulowanych przez nią i wciąż niezaobserwowanych w dotychczasowych eksperymentach (a nie jest to jedyny problem), wielu fizyków podchodzi do tej teorii sceptycznie. Pojawiają się więc inne propozycje. Należy do nich teoria pętlowej grawitacji. Jednym z jej pionierów jest Abhay Ashtekar z Pennsylvania State University. Zgodnie z tym ujęciem, przestrzeń i czas „nie są gładkie i ciągłe, jak w ogólnej teorii względności – przeciwnie składają się z osobnych klocków, które Ashtekar nazywa »kawałkami lub atomami czasoprzestrzeni«”10Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 27.. Becker wyjaśnia dalej:

 

Te atomy czasoprzestrzeni są połączone w sieć jedno- i dwuwymiarowymi powierzchniami, tworząc coś, co praktycy pętlowej grawitacji kwantowej nazywają pianą spinową. I chociaż piana ta ma dwa wymiary, daje początek naszemu czterowymiarowemu światu z trójwymiarową przestrzenią oraz czasem. Ashtekar chętnie porównuje taką strukturę do tkaniny: „Jeżeli spojrzymy chociażby na koszulę, mamy wrażenie powierzchni dwuwymiarowej – wyjaśnia. – Jeśli obejrzymy ją przez lupę, okaże się, że tworzą ją jednowymiarowe nitki. Są one tak gęste, że praktycznie w każdym przypadku koszulę można uznać za powierzchnię dwuwymiarową. Podobnie przestrzeń wokół nas sprawia wrażenie trójwymiarowego kontinuum. Ale w rzeczywistości jest to sieć z [atomów czasoprzestrzeni]”11Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 27..

 

Czyli na poziomie obserwowanych przez nas normalnie zjawisk czas i przestrzeń wydają się czymś ciągłym, ale gdy się im bliżej przyjrzeć, to dają się dzielić na niepodzielne już składniki – atomy czasoprzestrzeni.

 

Czy da się to przedstawić bardziej obrazowo?

Ale jak to się ma do wyłaniania się czasu i przestrzeni? Czym różnią się teoria strun i koncepcja pętlowej grawitacji kwantowej? Becker oferuje pewne dodatkowe analogie z tego, co możemy zaobserwować w normalnym życiu, by wytłumaczyć, o co chodzi w tych dwóch teoriach i na czym polega różnica między nimi:

 

Chociaż teoria strun i pętlowa grawitacja kwantowa sugerują, że czasoprzestrzeń jest emergentna, to charakter tej emergencji w obu teoriach jest różny. Teoria strun mówi, że czasoprzestrzeń (a przynajmniej przestrzeń) wyłania się z zachowania na pozór niezwiązanego układu, w postaci splątania. Wyobraźmy sobie korki na ulicach, które tworzą się w wyniku zbiorowych decyzji poszczególnych kierowców. Samochody nie są wynikiem ruchu drogowego – to samochody tworzą ruch drogowy. Inaczej, w pętlowej grawitacji kwantowej, pojawienie się czasoprzestrzeni bardziej przypomina zbocza usypanych z piasku wydm, które są wynikiem zbiorowego ruchu ziarenek piasku powodowanych przez wiatr. Gładka, znana nam czasoprzestrzeń jest wynikiem zbiorowego zachowania malutkich „ziarenek” czasoprzestrzeni: jak wydmy, ziarenka są nadal piaskiem, chociaż drobne kryształki nie wyglądają ani nie zachowują się jak falujące wydmy12Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 29..

 

Niezależnie jednak od tych różnic, „zarówno pętlowa grawitacja kwantowa, jak i teoria strun zgodnie wskazują, że czasoprzestrzeń wyłania się z leżącej głębiej rzeczywistości”13Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 29..

 

Jakie kwestie się z tego wyłaniają?

Tak jak kiedyś filozofia oraz teologia, tak dziś nauka odpowiada na pytania o pochodzenie i naturę Wszechświata. W tych odpowiedziach nie sposób jednak uciec od filozofii i Becker w swoim artykule rzeczywiście nawiązuje do filozofów starożytnych, jak i współczesnych filozofów fizyki. Nas interesuje tu jednak kwestia związku współczesnych naukowych analiz bezpośrednio z teologią teizmu chrześcijańskiego. Czy wspomniane rozumienia czasu i przestrzeni, co do których nikt nie ukrywa, że mają charakter wysoce hipotetyczny, mają jakiekolwiek znaczenie z punktu widzenia teizmu chrześcijańskiego, czy są względem niego zupełnie neutralne? Zauważmy, że w koncepcjach tych nie ma mowy o Bogu czy o akcie stworzenia. Jednocześnie jest mowa o istnieniu czegoś, do czego znane nam kategorie czasu i przestrzeni nie mają zastosowania. Teiści również wierzą w istnienie takiej rzeczywistości, i to w pewnym sensie podstawowej wobec tej, jakiej doświadczamy na co dzień, której nie ograniczają nasz czas i przestrzeń. Jak więc teista chrześcijański powinien podchodzić do tego typu naukowych spekulacji?

 

Piotr Bylica

Przypisy:

  • 1 Adam Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, „Świat Nauki” 2022, nr 3(367), s. 22−29.
  • 2 Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 24.
  • 3 Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 24.
  • 4 Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 29.
  • 5 Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 24.
  • 6 Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 25.
  • 7 Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 25.
  • 8 Cyt. za: Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 26.
  • 9 Cyt. za: Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 27.
  • 10 Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 27.
  • 11 Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 27.
  • 12 Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 29.
  • 13 Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, s. 29.

Nota bibliograficzna:

Adam Becker, Pochodzenie czasu i przestrzeni, „Świat Nauki” 2022, nr 3(367), s. 22−29.