Artykuł Ontologia

Paweł Horodecki: Fizyka i zagadka czasu

O czasie dyskutują nie tylko filozofowie. Jest on także zagadką dla fizyków, i to wcale nie mniejszą.

Najnowszy numer: Kim jest osoba?

Zapisz się do newslettera:

---

Filozofuj z nami w social media

Najnowszy numer można nabyć od 1 sierpnia w salonikach prasowych wielu sieci. Szczegóły zob. tutaj.

Numery drukowane można zamówić online > tutaj. Prenumeratę na rok 2018 można zamówić > tutaj.

Aby dobrowolnie WESPRZEĆ naszą inicjatywę dowolną kwotą, kliknij „tutaj”.

Tekst ukazał się w „Filo­zo­fuj” 2018 nr 2 (20), s. 12–14. W pełnej wer­sji graficznej jest dostęp­ny w pliku  PDF.


Czas jako miara

Fizy­cy w codzi­en­nej pra­cy radzą sobie bez definicji cza­su. W ekspery­men­tach uży­wa­ją tzw. cza­su metrycznego – miar­ki składa­jącej się ze zdarzeń następu­ją­cych po sobie w jed­nym miejs­cu lub jed­nym układzie fizy­cznym, tzw. oscy­la­torze, w równych, jak wierzymy, odstę­pach cza­su. Takim oscy­la­torem jest wahadło, obra­ca­ją­ca się Ziemia, sys­te­my plan­e­tarne, z plan­e­ta­mi okrąża­ją­cy­mi gwiazdy w równych odstę­pach cza­su, czy ato­my – w których przesko­ki między dwoma pozioma­mi ener­gety­czny­mi w odpowied­nio dobranym polu elek­tro­mag­ne­ty­cznym też są okre­sowe. Ten ostat­ni efekt stanowi pod­stawę zegara ato­m­owego. Takie pow­tarza­jące się zdarzenia są rodza­jem miar­ki, którą mierzy się czas fizy­czny.

Czym jed­nak jest czas fizy­czny? Tu nie ma zgody. Jed­nym ze sposobów myśle­nia o cza­sie jest widze­nie go jako odległoś­ci między zdarzeni­a­mi, które zachodzą w tym samym miejs­cu w przestrzeni, ale nie są tym samym zdarze­niem, tj. nie dzieją się równocześnie. W takim uję­ciu, znanym już co najm­niej od Leib­niza, czas jest pewnym – specy­ficznym – rodza­jem odległoś­ci między zdarzeni­a­mi, bez których, podob­nie jak przestrzeń, nie ist­nieje. Według innego poglą­du, pochodzącego od New­tona, czas i przestrzeń ist­nieją jako coś nieza­leżnego od zdarzeń.

Jednokierunkowa droga czasu

Należy tu pod­kreślić m.in. za krakowskim fizykiem Zbig­niewem Chylińskim, że – nawet jeżeli jesteśmy przeko­nani o ist­nie­niu cza­su, to raczej bardziej właś­ci­we jest mówie­nie, że zdarzenia płyną w cza­sie, od tego, że czas płynie. Tutaj dochodz­imy do pewnej kluc­zowej cechy cza­su. Twierdz­imy, że – cokol­wiek to znaczy – zdarzenia „płyną w jed­nym kierunku”. Obiekt może cofnąć się w przestrzeni, ale nie może cofnąć się w cza­sie – przy­na­jm­niej do tej pory nic nie wiado­mo na ten tem­at. (Co praw­da w fizyce for­mal­nie ist­nieje poję­cie zamkniętej pętli cza­sowej, ale prowadzi ono do paradok­sów i – póki co – nie wyda­je się szczegól­nie obiecu­jące). Ów ustalony kierunek cza­su (tzw. strza­ł­ka cza­su) jest swoistą zagad­ką, którą częś­ciowo rozwiązano na grun­cie ter­mo­dy­nami­ki.

Okaza­ło się, że jeżeli mamy dużo obiek­tów, to dla całego ich zespołu jest bardziej praw­dopodob­ne, że będzie on zmierzał do stanu wyglą­da­jącego na bardziej nieu­porząd­kowany (tzw. wzrost entropii) niż prze­ci­wnie. Jed­nak wyjaśnie­nie to wyma­ga dużej licz­by układów fizy­cznych, a w związku z tym nie tyle odnosi się do isto­ty cza­su, lecz po pros­tu do sposobu zachowa­nia się wielu układów fizy­cznych naraz. Intere­su­jące, że na grun­cie mechani­ki kwan­towej dochodz­imy do tego samego wniosku, ale – jak dotąd – fizy­cy kwan­towi nie potrafią zad­owala­ją­co odt­worzyć szy­bkoś­ci zmi­any stanu danego układu kwan­towego w stronę więk­szego nieu­porząd­kowa­nia.

W ogól­nej teorii względ­noś­ci Ein­steina czas i przestrzeń zosta­ją zanur­zone w glob­al­nej struk­turze czaso­przestrzeni, gdzie czas pełni rolę specy­ficznej współrzęd­nej, która zależy od wyboru obser­wa­to­ra. Jed­nak ściśle pow­iązane z cza­sem poję­cie przyszłoś­ci wciąż obow­iązu­je i każdy ruch musi się odby­wać w jej kierunku.

Wiele „teraz”

Wpły­wowy fizyk Julian Bar­bour, funkcjonu­ją­cy poza społecznoś­cią aka­demicką, kwes­t­ionu­je ist­nie­nie cza­su, twierdząc, że jedynym dowo­dem na ist­nie­nie przeszłoś­ci jest nasza pamięć, a przyszłoś­ci – przeświad­cze­nie, że ona nastąpi. Motywacją Bar­boura jest przeko­nanie, że opis świa­ta ma odzwier­cied­lać sposób, w jaki jedne rzeczy realne odnoszą się do innych rzeczy real­nych, a za realne bry­tyjs­ki uczony uważa zdarzenia. Wiąże się z tym kon­cepc­ja świa­ta, który nie zmienia się w cza­sie, ale jest niczym rozwinię­ty rulon, na którym zdarzenia w różnych miejs­cach i chwilach są zaz­nac­zone na stałe. Teo­ria względ­noś­ci poma­ga w takim myśle­niu poprzez częś­ciowe zrów­nanie cza­su z położe­niem. Bar­bour twierdzi, że nie ma rze­ki cza­su, jest tylko wiele „ter­az”.

Dlaczego nasza świado­mość doświad­cza tylko jed­nego „ter­az”? Trud­no powiedzieć. Sug­esty­wną i ciekawą ilus­trację tej kon­cepcji pro­ponu­je ksiądz pro­fe­sor Michał Heller, według którego nasza świado­mość sty­ka się z owym rulonem Wszechświa­ta – niczym koło toczące się po drodze – tylko w jed­nym punkcie.

Czas jako nośnik zdarzeń

Na prze­ci­wległym biegu­nie znanym rzecznikiem cza­su real­nie ist­niejącego jest kos­molog Lee Smolin. Pos­tu­lu­je ist­nie­nie tzw. glob­al­nego cza­su prefer­owanego, który jest swoistym nośnikiem real­nych zdarzeń i ist­nieje razem z nimi. Cokol­wiek jest realne, jest realne w konkret­nym momen­cie cza­su. Zdaniem Smoli­na bezcza­sowa kon­cepc­ja Wszechświa­ta jest kon­sek­wencją pomyle­nia mod­elu matem­aty­cznego z rzeczy­wis­toś­cią, którą mamy mod­e­lować. Rzeczy­wiś­cie wyda­je się, że krzy­wa reprezen­tu­ją­ca ruch ciała niebieskiego, to nie to samo co prze­suwa­ją­ca się plan­e­ta.

Czas w mechanice kwantowej

Powróćmy na chwilę do prak­ty­cznego punk­tu widzenia, zmierza­jąc w stronę uję­cia cza­su na grun­cie mechani­ki kwan­towej. Otóż czymkol­wiek był­by czas, zasad­niczą rzeczą w powszech­nie obow­iązu­jącej fizyce są rów­na­nia ruchu, które opisu­ją, jak zachowu­je się dany układ w cza­sie. Zarówno w mechan­ice klasy­cznej, jak i w teorii względ­noś­ci rów­na­nia ruchu są fun­da­men­talne i nie ule­ga­ją zaw­iesze­niu w żad­nym miejs­cu cza­su z wyjątkiem tzw. osobli­woś­ci.

W mechan­ice kwan­towej jest inaczej. Według powszech­nej prak­ty­ki rów­nanie ruchu na ogół ule­ga zaw­iesze­niu w momen­cie pomi­aru – w wyniku ingerencji obser­wa­to­ra następu­je gwał­tow­na nieciągłość zachowa­nia układu w cza­sie. W rzeczy­wis­toś­ci coś dzieje się nieskończe­nie szy­bko, jak­by przy­ro­da „odkleiła się” na chwilę od cza­su, albo czas – od niej.

Taką sytu­ację moż­na uznać za sen­sowną tylko na grun­cie szczegól­nej inter­pre­tacji mechani­ki kwan­towej (tzw. intepre­tacji kopehnask­iej), gdzie stan układu – funkcję falową – trak­tu­je się jako naszą wiedzę o nim. Wtedy nie ma kłopo­tu, bo czu­je­my, że wiedza może zmieni­ać się skokowo. Jeżeli jed­nak w funkcji falowej jest cokol­wiek real­nego, to takie „odkle­je­nie” się jej od real­nego cza­su stanowi prob­lem. Fizy­cy kwan­towi gorą­co spier­a­ją się o to, czy funkc­ja falowa jest real­na, czy prze­ci­wnie. Jak widać powyżej, wynik tego sporu mógł­by mieć znacze­nie dla kon­kluzji o real­noś­ci cza­su.

Drugą intrygu­jącą kwest­ią jest to, że na grun­cie mechani­ki kwan­towej czas jest para­me­trem zewnętrznym, a nie – wielkoś­cią obser­wowal­ną. Należy do opisu zachowa­nia cząst­ki, ale nie moż­na go mierzyć (co najwyżej w pewnych sytu­ac­jach sam jest miarką, np. gdy mówi, kiedy zaszła emis­ja fotonu przez atom). Wolf­gang Pauli pokazał bowiem, że w prze­ci­wnym razie ener­gia danej cząst­ki przes­tała­by być ogranic­zona od dołu. To ostat­nie oznacza­ło­by, że żad­na cząst­ka nie była­by sta­bil­na, co przeczy doświad­czeniom. Widać zatem, że owa „zewnętrzność” i „nieob­ser­wowal­ność” cza­su w mechan­ice kwan­towej jest pow­iązana w sub­tel­ny sposób ze sta­bil­noś­cią materii. Paradok­sal­nie prob­lem tej teorii z cza­sem mógł­by stanow­ić przewrot­ny argu­ment za jego real­noś­cią. Dlaczego? Otóż każ­da kwan­towa wielkość mierzal­na w pewnych sytu­ac­jach (uza­leżnionych od stanu cząst­ki) nie ma określonej wartoś­ci przed pomi­arem. Jest to zagad­kowa cecha mechani­ki kwan­towej, niez­nana w świecie klasy­cznym. Gdy­by więc czas moż­na było mierzyć (tak jak np. mierzy się położe­nie), to też musi­ał­by on być chwil­a­mi pozbaw­iony swo­jej wartoś­ci. Kłó­ciło­by się to z ewen­tu­al­nym żądaniem przez Naturę real­noś­ci cza­su zawsze, nieza­leżnie od tego, w jakim stanie jest badana cząst­ka ani czy dokonu­je­my jego pomi­aru, czy nie.

Być może jest inaczej: powyższa „bezrad­ność” mechani­ki kwan­towej wobec cza­su to tylko jak­iś – jeszcze dla nas niezrozu­mi­ały – refleks tego, że wszys­tkiego musimy doświad­czać w danym momen­cie cza­su w zupełnie innym sen­sie niż w „momen­cie” przestrzeni. Bliskie jest nam bowiem poję­cie rzeczy równocześnie wys­tępu­ją­cych w przestrzeni (kon­fig­u­rac­ja mebli w poko­ju w danej chwili), ale nie „równocześnie” w różnych chwilach cza­su (nieru­chome krzesło jako jeden byt roz­ciąg­nię­ty na godziny).

Czas emergentny?

Pytanie, czy czas ist­nieje, mogło­by też mieć odpowiedź pośred­nią: fun­da­men­talne rów­nanie świa­ta – tj. bez cza­su jako takiego, a ten ostat­ni pojaw­ił­by się emer­gent­nie (tj. jako wtór­na wielkość) wewnątrz teorii. Znanym przykła­dem jest tutaj rów­nanie Whellera–
–De Wit­ta z lat 60., będące próbą opisu Wszechświa­ta za pomocą rów­na­nia bezcza­sowego. Choć do tej pory nie spełniło swo­jego pier­wot­nego zada­nia (pogodze­nie świa­ta kwan­towego i graw­itacji), stanowi ważną inspirację dla poszuki­wań cza­su emer­gent­nego zami­ast abso­lut­nego.

Intere­su­ją­cym wari­antem takiej kon­cepcji jest pode­jś­cie Page’a i Woot­ter­sa z roku 1983. Tutaj mod­el rzeczy­wis­toś­ci też jest staty­czny i zaw­iera układ zegar–Wszechświat. Glob­al­ny stan tego duop­o­lu jest nieru­chomy, jeśli popa­trzymy na niego z zewnątrz, ale wewnątrz niego Wszechświat ewolu­u­je, nie­jako dziedz­icząc czas zegara. Nota­bene ów glob­al­ny stan to tzw. kwan­towy stan splą­tany – stan, w którym dwa obiek­ty są ze sobą dużo sil­niej związane niż na to pozwala fizy­ka newtonows­ka. Powyższa – nieortodoksyj­na – kon­cepc­ja jest rozwi­jana, ale trud­no wyobraz­ić sobie jej satys­fakcjonu­jącą fal­sy­fikację, bo zegar mieś­ci się tu na zewnątrz Wszechświa­ta.

Czas jest zagad­ką. Powyższa reflek­s­ja pokazu­je, że współcześni fizy­cy zami­ast powtórzyć słyn­ną myśl Augusty­na z Hip­pony mogli­by raczej przyz­nać: nawet gdy nikt nas nie pyta o to, czym jest czas – nie wiemy.

 


Paweł Horodec­ki – Fizyk, pro­fe­sor Politech­ni­ki Gdańskiej, związany z Kra­jowym Cen­trum Infor­maty­ki Kwan­towej na Uni­w­er­syte­cie Gdańskim. Zawodowo zaj­mu­je się mechaniką kwan­tową i jej kon­sek­wenc­ja­mi na grun­cie teorii infor­ma­cji. Ceni sobie dobrą poezję.

Tekst jest dostęp­ny na licencji: Uznanie autorstwa-Na tych samych warunk­ach 3.0 Pol­s­ka.

< Powrót do spisu treś­ci numeru.

Ilus­trac­ja: © by Feodo­ra

 

Dołącz do Załogi F! Pomóż nam tworzyć jedyne w Polsce czasopismo popularyzujące filozofię. Na temat obszarów współpracy można przeczytać tutaj.

1 komentarz

Kliknij, aby skomentować

  • Z zain­tere­sowaniem przeczy­tałam ten artykuł, pomi­mo wielu niełatwych określeń, słów starałam się coś zrozu­mieć, bo Autor też starał się o to. Jestem human­istką, więc… Dzię­ki 😉

Wesprzyj „Filozofuj!” finansowo

Jeśli chcesz wesprzeć tę inicjatywę dowolną kwotą (1 zł, 2 zł lub inną), przejdź do zakładki „WSPARCIE” na naszej stronie, klikając poniższy link. Klik: Chcę wesprzeć „Filozofuj!”

Wesprzyj nasz projekt

Polecamy