Artykuł Epistemologia

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: Oblicza sprawiedliwości

Zapisz się do newslettera:

---

Filozofuj z nami w social media

Najnowszy numer można nabyć od 1 czerwca 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!”

Polecamy