Teraz. Fizyka czasu

Co oznacza słowo „teraz”? Co sprawia, że nieuchwytne „teraz” jest tak wyjątkowe? Enigmatyczny charakter tego momentu czasu nękał filozofów oraz fizyków.

Einstein pokazał, że na upływ czasu wpływa zarówno prędkość, jak i grawitacja, był jednak zrozpaczony niemożnością wyjaśnienia znaczenia pojęcia „teraz…”.

Równie zastanawiające jest to, dlaczego czas płynie. Niektórzy fizycy zrezygnowali z próby zrozumienia tego zjawiska i nazwali upływ czasu iluzją, ale wybitny fizyk eksperymentalista Richard A. Muller protestuje.

Jego zdaniem, fizyka powinna wyjaśniać rzeczywistość, a nie jej zaprzeczać. W “Teraz” Muller nie tylko poddaje krytyce dawne idee, ale przedstawia swą własną rewolucyjną teorię, która daje testowalne przewidywania. Zaczyna od wyłożenia solidnego i niezwykle jasnego wytłumaczenia podstaw, które opierają się na teorii względności, teorii splątania i teorii Wielkiego Wybuchu.

Muller wskazuje, że trwającą wciąż ekspansję wszechświata standardowa teoria Wielkiego Wybuchu wyjaśnia jako ciągłe tworzenie się nowej przestrzeni. Twierdzi, że razem z przestrzenią powstaje również nowy czas i że granicą nowego czasu jest to, co przeżywamy jako teraz. Ta pobudzająca wyobraźnię wizja ma implikacje dla pewnych zagadnień rozważanych nie tylko w fizyce. Co więcej, teoria Mullera jest sprawdzalna.

Muller ma niezwykle świeże i ekscytujące podejście do analizy czasu. Wykłada jasno i dowcipnie, poczynając od solidnie ustalonych zasad – a każda z opowieści jest fascynująca sama w sobie – ale kiedy dociera do znaczenia upływu czasu i momentu zwanego teraz, ukazuje nam zupełnie nową drogę. Spodziewam się wielu kontrowersji!
Saul Perlmutter, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.

Prowokacyjna książka o podstawowych własnościach czasu, oparta na solidnych dowodach. Jako eksperymentalny kosmolog, który zainicjował niektóre z najważniejszych eksperymentów naszych czasów, Muller dobrze wie, gdzie znajdują się granice nauki, i trzyma nas w napięciu blisko tej krawędzi.
Lee Smolin, autor “Czasu odrodzonego”.

Richard A. Muller jest amerykańskim fizykiem. Pracuje na wydziale nauk ścisłych w Berkeley, gdzie wcześniej uzyskał doktorat. Zaczynał karierę, pracując pod kierunkiem noblisty, Luisa Alvareza. Jest członkiem Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego (APS) i laureatem wielu nagród.

Teraz – enigmatyczny i ulotny moment zmieniający się co chwilę – z ważnej przyczyny sprawiał kłopot kapłanom, filozofom i fizykom. Zrozumienie, czym jest teraz, wymaga bowiem zaznajomienia się z teorią względności, pojęciem entropii, z fizyką kwantów, z antymaterią, z podróżowaniem w czasie wstecz, z pojęciem splątania kwantowego, z Wielkim Wybuchem i ciemną energią. Dopiero pod tym warunkiem ma się pod ręką całą fizykę niezbędną do zrozumienia, czym jest teraz.
Trudne do zdefiniowania znaczenie teraz stanowiło przeszkodę w rozwoju fizyki. Rozumiemy dylatację czasu dzięki prędkości i grawitacji, a nawet przeskok czasu w teorii względności. Nie dokonaliśmy jednak postępu w wyjaśnianiu najbardziej znamiennych aspektów czasu, jego upływu i znaczenia pojęcia teraz. Podstawowy rysunek fizyki, zwany diagramem czasoprzestrzennym, ignoruje to zagadnienie, a fizycy ów brak nierzadko przewrotnie traktują jak zaletę i na tej podstawie twierdzą, że upływ czasu jest iluzją. Oznacza to cofanie się. Dopóki umyka nam znaczenie teraz – najważniejszego aspektu rzeczywistości – dopóty dalsze postępy w rozumieniu istoty czasu utkną w martwym punkcie.
W tej książce moim celem będzie złożenie łamigłówki składającej się z pewnych podstawowych aspektów fizyki, aż powstanie jasny obraz tego, co uważamy za teraz. Aby to osiągnąć, musimy także usunąć z łamigłówki te jej elementy, które zostały ułożone w nieodpowiednich miejscach.
Obszerny materiał z odpowiednich działów fizyki wyjaśnia, dlaczego ta zagadka jest tak trudna do wyjaśnienia. Fizyka nie jest łatwa ani linearna i z konieczności książka ta obejmuje ogromną ilość materiału, być może zbyt wiele jak na jeden tom. Dlatego czujcie się usprawiedliwieni, jeśli będziecie musieli od czasu do czasu opuszczać jakieś zagadnienie, i używajcie indeksu, aby powracać do głównych idei, które pominęliście. Książka ta jest także tajemniczą opowieścią, w której wszystkie tropy stopniowo prowadzą do niezwykłego rozwiązania.
Dziedziną mojej działalności naukowej jest głównie fizyka doświadczalna, budowa nowej aparatury i za jej pomocą od czasu do czasu poznawanie jakichś prawd fizycznych, które dotąd były ukryte. Dwa z moich projektów były bezpośrednio związane ze zrozumieniem istoty czasu. Pierwszy to pomiar mikrofalowego promieniowania tła stanowiącego resztki po Wielkim Wybuchu, drugi – precyzyjne wyznaczenie tempa ekspansji Wszechświata w przeszłości, łącznie z odkryciem ciemnej energii, która powoduje przyspieszanie tego procesu. Chociaż przyznaję się do napisania kilku czysto teoretycznych publikacji, zrobiłem to głównie wtedy, gdy wyczerpywały się fundusze na prowadzenie eksperymentów lub gdy uważałem, że teoria zanadto zbacza z poprawnego szlaku. O ile mi wiadomo, jest to obecnie jedyna książka na temat czasu napisana przez fizyka głęboko zaangażowanego w eksperymentalny aspekt tej nauki, i dlatego postaram się przekazać kilka spostrzeżeń na temat trudności i frustracji, z którymi ta praca jest związana.
Droga wiodąca ku zrozumieniu pojęcia teraz składa się z pięciu części.
Część I, Zdumiewający czas, zaczynam od rozważań dobrze już poznanych, choć wciąż zaskakujących aspektów czasu, w zasadzie odkrytych przez Alberta Einsteina. Czas może doznać rozciągnięcia, skrócenia lub przeskoku i to może oddziaływać na nasze życie codzienne. System satelitarny zwany GPS wspomaga nas w nawigacji i zależy całkowicie od równań Einsteina bazujących właśnie na tych dziwnych własnościach czasu. To teoria względności doprowadziła nas do czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Najważniejszym przesłaniem części I jest to, że wiele wiemy o czasie i że własności czasu nie są proste, ale dobrze określone. Tempo upływu czasu zależy od prędkości i lokalnych własności pola grawitacyjnego, a kolejność zdarzeń – to, które zdarzenie zachodzi najpierw – nie jest prawdą absolutną. Ponadto teoria grawitacji Einsteina dostarcza niezbędnej struktury pojęciowej do zrozumienia, czym jest teraz.
W części II, Złamana strzałka, usuwam jeden element układanki, który został ulokowany w niewłaściwym miejscu, teorię w największym stopniu przeszkadzającą w zrozumieniu, czym jest teraz. Owym niepoprawnie umieszczonym elementem układanki jest teoria fizyka Arthura Eddingtona, rzekomo mająca wyjaśnić kierunek strzałki czasu, czyli fakt, że przeszłość określa przyszłość, a nie na odwrót. Najpierw przedstawiam najlepszy przykład mający dowieść tej teorii, a dopiero potem pokazuję jej zgubne w skutkach błędy.
Eddington powiązał upływ czasu ze wzrostem entropii, która jest miarą nieporządku we Wszechświecie. Teraz wiemy o wiele więcej o entropii Wszechświata niż Eddington w 1928 roku, gdy proponował swą teorię, i postaram się dowieść, że jest na odwrót. To upływ czasu powoduje wzrost entropii, a nie odwrotnie. Jej poziom nie jest aż takim tyranem, jak się mu przypisuje. Okazuje się, że aby zrozumieć teraz, istotna staje się kontrola nad entropią.
Część III, Upiorna fizyka, wprowadzi inny istotny element rozumienia teraz: tajemniczą fizykę kwantów. Fizyka kwantów osiągnęła największy sukces pośród wszystkich dotychczas istniejących teorii – zgodność jej przewidywań z obserwacją sięga dziesięciu miejsc dziesiętnych – a jednak jest to teoria wprawiająca uczonych w zakłopotanie i wywołująca ich niepokój. Charakter fal kwantowych, a także ich pomiar rażąco naruszają zasadę względności Einsteina, ale nie w taki sposób, który można bezpośrednio zaobserwować lub wykorzystać. To zachowanie fali kwantowej jest wyzwaniem dla naszego poczucia rzeczywistości, poczucia, które okaże się istotne dla wyjaśnienia teraz. Najbardziej niepokojącą – lub być może wyzwalającą – konsekwencją fizyki kwantowej jest to, że przeszłość już nie określa przyszłości, przynajmniej niezupełnie. Niektóre z najbardziej nieintuicyjnych aspektów fizyki kwantowej, szczególnie dziwna własność zwana splątaniem, zostały potwierdzone doświadczalnie, a te eksperymentalne rezultaty (zadziwiające!) sugerują, że słabością fizyki pozostanie na zawsze ograniczona zdolność przewidywania przyszłości.
W części IV, Fizyka i rzeczywistość, wykorzystam to ograniczenie nauki. Nie martwcie się – czas i teraz nie należą do tej dziedziny; powstają z fizyki, ale nasza percepcja obu pojęć zależy od poczucia rzeczywistości, poczucia, które wykracza poza fizykę. Matematyka reprezentuje świat rzeczywisty, którego nie sposób zweryfikować fizycznym eksperymentem; przykładem może być nawet coś tak prostego jak niewymierność pierwiastka kwadratowego z dwóch. Jednakże istnieją zagadnienia, które są rzeczywiste, lecz nie należą do domeny fizyki, pytania takie jak: „Jak wygląda kolor niebieski?”. Odrzucenie tych prawd, które nie mają charakteru fizycznego i matematycznego, nazywa się w filozofii fizykalizmem. Fizykalizm opiera się na wierze i ma wszystkie cechy religii. Niestety, wbrew nadziejom Einsteina dowody prowadzą do wniosku, że fizyka jest niezupełna, że nigdy nie będzie w stanie opisać całości rzeczywistości.
W części V, Teraz, wszystkie wskazówki ułożą się w całość łamigłówki i stworzą jednolity obraz upływu czasu oraz ukażą znaczenie efemerycznego momentu, który nazywamy teraz. Rozwiązania należy szukać w modelu Wielkiego Wybuchu 4D. Eksplozja Wszechświata wciąż wytwarza nie tylko nową przestrzeń, lecz także nowy czas. Pierwszą linią rozszerzającej się krawędzi czasu jest to, co nazywamy teraz, a jego upływ stanowi nieustanną kreację coraz to nowych takich krawędzi. Odczuwamy nowy moment odmiennie niż te poprzednie, ponieważ jest on jedynym, w którym korzystamy z wyboru, naszej wolnej woli, umożliwiającej zmianę przyszłości. Pomimo argumentacji filozofów klasycznych wiemy już, że wolna wola jest zgodna z fizyką. Ci, którzy dowodzą czegoś innego, czynią to z pozycji religii fizykalizmu. My mamy możliwość wpływania na przyszłość. Posługując się nie tylko wiedzą naukową, lecz także niefizyczną (empatią, cnotą, etyką, uczciwością, sprawiedliwością), możemy kierować przepływem entropii i przyczyniać się do wzmocnienia cywilizacji lub jej upadku.
Zbadam dwie możliwe wersje przebiegu czasu w tym modelu 4D. Obserwowanemu przyspieszeniu rozszerzania się Wszechświata, związanemu z ciemną energią, powinno towarzyszyć przyspieszone tempo czasu. Powyższa teoria zakłada, że obecny czas płynie o wiele szybciej niż ten w przeszłości, co prowadzi do przewidywania nowej i (być może) możliwej do zaobserwowania dylatacji czasu, nowego przesunięcia ku czerwieni. Skutki mogą także pojawić się już w najwcześniejszych momentach Wielkiego Wybuchu, w erze inflacji, epoce, którą mamy nadzieję zbadać dzięki detekcji wytworzonych wtedy fal grawitacyjnych. Fale te możemy obserwować niebezpośrednio za pomocą pewnych wzorców polaryzacji występujących w mikrofalowym promieniowaniu tła.
Dla czytelników ciekawych dalszych analiz matematycznych, szczegółów teorii względności i jej rezultatów matematycznych na końcu zamieszczono kilka dodatków wraz z zabawnymi wierszykami i przemyśleniami na temat rzeczywistości niefizycznej.
Zacznijmy składanie elementów tej łamigłówki.

Czas leci jak wiatr –
Owoce lecą jak banany.
Dziecięca wyliczanka

Oto pewien fakt o was, taki, o którym wie niewiele osób – być może nikt inny, tylko wy sami – czytacie tę książkę właśnie teraz. W istocie mogę być bardziej precyzyjny: właśnie teraz czytacie słowo teraz.
Ponadto wyraziłem coś, o czym wiedzieliście, że jest prawdą, ale ja osobiście nie wiedziałem i wciąż nie wiem. Czytacie słowo teraz właśnie teraz, lecz ja zupełnie nie jestem świadomy tego faktu – no, chyba że stoję za waszymi plecami, a wy wskazujecie palcem słowa, które czytacie.
Teraz to niezwykle prosta, a mimo to fascynująca i tajemnicza koncepcja. Wiemy, co oznacza, ale trudno ją zdefiniować, nie wpadając w błędne koło. „Teraz to moment, który oddziela przeszłość od przyszłości”. No dobrze, ale spróbujcie zdefiniować przeszłość i przyszłość, nie używając słowa teraz. Chwilę temu czytanie tego akapitu to była przyszłość. Teraz jego większość jest już w przeszłości.
A teraz cały akapit znalazł się już w przeszłości (o ile nie przeskakiwaliście akapitów do przodu). Teraz odnosi się do konkretnego czasu. Jednak czas, do którego się odwołuje, bezustannie się zmienia. Dlatego używamy zegarów. Podają one liczbę związaną z teraz, nazywa się to czasem bieżącym. Zegary wciąż aktualizują czas, zwykle co sekundę. Jego postęp jest nieustanny. W przestrzeni możemy stać nieruchomo, ale nie w czasie. Poruszamy się w nim, ale nie mamy wpływu na ten ruch – oczywiście dopóty, dopóki podróże w czasie nie są możliwe.
Istota tego, co nazywamy teraz, jest właśnie jedną z zagadek związanych z tym dziwnym zjawiskiem. Zadziwiające, że aż tyle zrozumieliśmy na temat czasu, dziwnego i sprzecznego z intuicją aspektu teorii względności Einsteina – czym on jest i w jaki sposób wiąże się z rzeczywistością. Treścią tej książki jest czas – to, co o nim wiemy, i to, czego nie wiemy.
Czy czas płynie? 18 kwietnia 1906 roku o godzinie 5.12 ogromne trzęsienie ziemi nawiedziło San Francisco. Moment wystąpienia tego zdarzenia nie uległ przesunięciu, możecie sprawdzić to w Wikipedii. To, co uległo przesunięciu, co upłynęło, to ta chwila nazywana teraz. Teraz przesuwa się, zmienia się, posuwa się w czasie w przód.
Może bardziej rozsądnie jest powiedzieć, że czas przepływa obok teraz. Całe to zagadnienie „ruchu” jest trudne do opisania. Gdy mówimy, że samochód się porusza, mamy na uwadze jego położenie w jednej chwili, a potem – w innej chwili. Prędkość jest odległością, jaką przebył pojazd, podzieloną przez czas, w jakim tego dokonał – wyrażaną, na przykład, w kilometrach na godzinę. Takie podejście do zagadnienia teraz okropnie zawodzi. Teraz jest właśnie teraz; za chwilę teraz będzie właśnie teraz. Czy się porusza? Tak, ruch czasu ilustruje fakt ciągłej zmiany pojęcia teraz. W jakim tempie się on porusza? Jednej sekundy na sekundę.
Istnieje też trzeci pogląd – taki, że w każdym momencie następuje tworzenie nowego czasu, a każdy taki nowo tworzony czas stwarza teraz. Czy te poglądy można zakwalifikować jako różnice filozoficzne, czy też fizyczne? Czy to tylko kwestia wyboru, czy w jednym z tych założeń tkwi więcej prawdy? To pytanie będzie jednym z tematów omawianych w książce.
Przypuśćmy, że czas się zatrzymał. Czy to zauważymy? A jeśli tak, to jak? Powiedzmy, że płynął on naprzód zrywami albo w zupełnie innym tempie. Czy moglibyśmy wykryć różnicę? Niełatwo, przynajmniej gdybyśmy przyjęli opis czasu wykorzystywany w filmach takich jak Mroczne miasto, Klik, Interstellar albo Lara Croft: Tomb Rider. Wydaje się, że postrzeganie przez ludzi ruchu teraz, czyli ruchu czasu, określa liczba milisekund wymagana do przesłania sygnału z oka albo ucha bądź opuszek palców do mózgu, a następnie zapisania go, uzmysłowienia sobie i zapamiętania. Ludziom potrzeba do tego kilku dziesiątych części sekundy, muchom – kilku tysięcznych sekundy. Dlatego też tak trudno człowiekowi schwytać muchę. Owadowi wydaje się, że grożąca mu śmiercią ręka porusza się w zwolnionym tempie – tak jak w filmie Zatrzymani w czasie.