Tytuł oryginału

NOW

The Physics of Time

Copyright © 2016 by Richard A. Muller

All rights reserved

Projekt okładki

Prószyński Media

Ilustracja na okładce

© Science Photo Library/Indigo Images

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8123-678-2

Warszawa 2018

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Gintrowskiego 28

www.proszynski.pl

Wstęp

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.

Część I

Zdumiewający czas

1

Zawiła zagadka

Wielcy filozofowie potwornie zagmatwali zagadnienie czasu – ale dzięki fizykom istnieje nadzieja na zrozumienie, czym on jest.

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.

Tempo upływu czasu nie jest tylko dylematem fantastyki naukowej. Teoria względności daje nam specyficzne przykłady, takie jak paradoks bliźniąt. Jeden z bliźniaków, podróżując z prędkością bliską prędkości światła, doświadcza wolniejszego upływu czasu niż ten, który pozostaje w domu, a jednak nie odczuwa żadnej różnicy; obaj bliźniacy w taki sam sposób doznają upływu czasu, chociaż dla każdego zachodzi on w różnym tempie. Później omówimy to dziwne zagadnienie bardziej szczegółowo.

Nadzieję na zrozumienie teraz opieramy na ogromnym postępie, jaki dokonał się w fizyce w ciągu XX wieku, najpierw jednak pokrótce zapoznajmy się z frustracją starożytnych zmagających się z tym zagadnieniem.

NIEOPISYWALNE TERAZ

Fizyka Arystotelesa zdominowała nauki ścisłe od starożytności do renesansu. Dla średniowiecznego Kościoła katolickiego była to biblia naukowa. Obalając pewne twierdzenia w niej zawarte, Galileusz naraził się na proces. Arystoteles poświęcił cztery rozdziały swej Fizyki na zmaganie się z koncepcją czasu oraz teraz i wpadł w stan kompletnego zamroczenia. Pisał mianowicie tak:

„Teraz” nie jest częścią, bo część jest miarą całości, a całość musi być złożona z części; czas – jak się wydaje – nie składa się z chwil teraźniejszych. Niełatwo jest też dostrzec, czy chwila obecna, która jakby oddzielała przeszłość od przyszłości, jest zawsze jedna i ta sama czy wciąż inna. Bo gdyby była wciąż inna i gdyby żadna część następstwa czasowego nie współistniała z inną (chyba że jedna część obejmuje, a druga jest obejmowana, tak jak dłuższy czas obejmuje krótszy) i gdyby „teraz”, które aktualnie nie istnieje, a które było przedtem, musiałoby przestać być w pewnym momencie, to również i chwile teraźniejsze nie mogłyby nawzajem współistnieć, lecz wcześniejsze „teraz” musiałoby stale ginąć[1].

Czy są to głębokie przemyślenia, czy tylko mętne sformułowania? Starając się precyzyjnie zdefiniować teraz, Arystoteles zaplątał się we własne słowa. Pociechę może nam przynieść myśl, że dla tak wybitnego myśliciela ten temat okazał się tak trudny do ujęcia.

Święty Augustyn lamentował w Wyznaniach nad swą niemożnością zrozumienia fenomenu upływu czasu. Pisał: „Czym więc jest czas? Jeśli nikt mnie o to nie pyta, wiem. Jeśli pytającemu usiłuję wytłumaczyć, nie wiem”[2]. Ta skarga pisana w V wieku rozbrzmiewa w nas żyjących w XXI stuleciu. Tak, wiemy, czym jest czas. Ale dlaczego nie możemy go opisać? Czym jest ta wiedza, którą posiadamy?

Zagadka Augustyna wywodzi się częściowo z jego aksjomatu zakładającego, że Bóg jest wszechpotężny i wszechwiedzący, że jest wszystkim. Augustyn dokonuje przy tym zaskakującego skoku pojęciowego, twierdząc, że Bóg musi być ponadczasowy. Ta niezwykła myśl przygotowała grunt dla współczesnej fizyki – opisującej zachowanie obiektów w miarę upływu czasu za pomocą diagramów czasoprzestrzennych, które nie odwołują się do faktu jego upływu albo istnienia teraz.

Dla ludzi, mówi Augustyn, nie istnieje przeszłość ani przyszłość, tylko trzy teraźniejszości: „obecnością rzeczy przeszłych jest pamięć; obecnością rzeczy teraźniejszych jest dostrzeganie, obecnością rzeczy przyszłych – oczekiwanie”[3]. (Czy było to inspiracją dla Dickensa do napisania Opowieści wigilijnej?) Jednak jego niezadowolenie z takiego pojmowania czasu aż rzuca się w oczy. Pisze bowiem tak: „Umysł mój goreje pragnieniem rozwikłania tej niezmiernie trudnej zagadki”[4].

Z koncepcją teraz miał kłopot sam Albert Einstein. Filozof Rudolf Carnap pisze o tym w Intellectual Biography (Autobiografii intelektualnej):

Einstein powiedział, że poważnie martwi go problem teraz. Wyjaśnił, że odczuwanie teraz oznacza coś bardzo szczególnego dla człowieka, co istotnie różni się od przeszłości i przyszłości, ale ta ważna różnica nie jest i nie może być częścią fizyki. Niemożność ujęcia tego odczucia w ramach nauki wywoływała w nim bolesną, lecz nieuniknioną rezygnację. Dlatego doszedł do wniosku, że „w teraz zawarte jest coś istotnego, co wykracza poza granice nauki”.

Carnap nie zgadzał się z wnioskiem Einsteina, mówiąc, że „nauka w zasadzie może wyrazić wszystko, co da się wyrazić, nie pozostawia bez odpowiedzi ani jednego pytania, na które można dać odpowiedź”. Jednakże trzeba być bardzo ostrożnym, gdy nie zgadzamy się z Einsteinem. Zbyt łatwo odrzucić jego przemyślenia, bazując na emocji, nie wnikając głębiej w ich sens. Proste stwierdzenia uczonego bowiem nigdy nie są wyrazem prostoty myślenia. Filozofom zbyt często wydaje się, że osiągają niezwykłą głębię myśli, gdy posługują się zlepkami słownymi takimi jak „fatalizm chronogeometryczny” (co oznacza stałą prędkość światła). Natomiast Einstein miał dar wyrażania rzeczy w taki sposób, że nawet dziecko potrafiłoby to zrozumieć – to umiejętność, która uczyniła go najchętniej cytowanym uczonym wszech czasów.

Niektórzy teoretycy, zamiast interpretować brak upływu czasu w fizyce jako jej mankament (tak jak Einstein), potraktowali ten fakt jak głębszą prawdę. Na przykład Brian Greene w swej książce Struktura kosmosu sugerował, że teoria względności „uznaje nasz wszechświat za egalitarny, w którym każdy moment czasu jest tak samo realny jak każdy inny”. Dalej pisze, że mamy „wieczne złudzenie przeszłości, teraźniejszości i przyszłości” – to punkt widzenia przypominający poglądy św. Augustyna. A w konkluzji stwierdza, że ponieważ teoria względności nie zajmuje się upływem czasu, taki upływ musi być raczej iluzją niż częścią rzeczywistości. Dla mnie taka logika jest krokiem wstecz. Zamiast starać się, aby teoria wyjaśniała to, co obserwujemy, w tym podejściu obserwacje muszą być dopasowywane do teorii.

Ateiści kpili z Einsteina w ostatnich latach jego życia, uważając, że odszedł od fizyki i zwrócił się ku wierze religijnej. Nigdy jednak nie wypowiadali się na temat jego obaw, że nauka nie będzie w stanie zajmować się takimi najistotniejszymi aspektami świata, jak upływ czasu i znaczenie teraz. Wielu uczonych zakłada, że coś, czego fizyka nie może zbadać, nie jest elementem rzeczywistości. Czy takie twierdzenie można empirycznie sprawdzić, czy już samo w sobie jest wyrazem wiary religijnej? Temu dogmatowi filozofowie dali nazwę fizykalizmu. Czy jest jakiś sposób zbadania, udowodnienia wiary w to, że fizyka obejmuje wszystko? I czy takiej wiary oczekuje się od wszystkich fizyków, tak jak bycie chrześcijaninem jest nieoficjalnym wymaganiem dla potencjalnego prezydenta Stanów Zjednoczonych? Czy jeśli ktoś będzie podważać fizykalizm, to za domniemany zwrot ku religii stanie się obiektem kpin, tak jak Einstein?

Sir Arthur Eddington jest szanowany przez fizyków za swój wkład zarówno do fizyki doświadczalnej, jak i teoretycznej, lecz szczególnie za przełom w wyjaśnianiu strzałki czasu, tego zagadkowego faktu (dla tych, którzy się nad tym zastanawiają), że pamiętamy przeszłość, a nie przyszłość. Jednak pomimo wyjaśnienia kierunku upływu czasu Eddington nie mógł pojąć samego jego upływu. W swej książce z 1928 roku, The Nature of the Physical World (Natura świata fizycznego), pisał tak: „Wielką zaletą czasu jest to, że płynie”. Lecz zaraz potem biadał: „Ale to jest ten jego aspekt, którego fizycy czasami są skłonni nie dostrzegać”.

W książce Krótka historia czasu Stephen Hawking nawet nie wspomina o zagadce teraz. Jego rozważania koncentrują się bowiem na tym, co wiemy, i na tym, na czym się koncentruje cała aktywność naukowa. Hawking omawia strzałkę czasu, ale nie jego upływ, względność czasu, ale nie zagadkę teraz. W gruncie rzeczy wszystkie niedawno napisane książki o czasie ujmują ten temat podobnie. Skupiają się bardziej na potencjalnych teoriach „unifikacji” równań fizyki niż na teoriach wyjaśniających znaczenie teraz i upływ czasu.

Mimo to jest jeszcze nadzieja.

ZŁAMANA SYMETRIA

Chcąc pojąć koncepcję teraz, musimy się zapoznać z abstrakcyjną i niezwykłą fizyką, fizyką czasu, musimy zrozumieć, jak postrzegamy rzeczywistość, i poznać współczesną analizę wolnej woli. Zaczniemy od rozważań o wspaniałym i dziwnym działaniu czasu, które graniczą z czymś niewiarygodnym, ale mimo to są solidnie ugruntowane. Wielki przełom nastąpił we wczesnych latach XX wieku, gdy Einstein odkrył, że tempo upływu czasu zależy zarówno od prędkości, jak i grawitacji. Czas jest giętki, rozciągalny, a nawet odwracalny. Te efekty są tak podstawowe, że na nich opiera się praca współczesnych satelitów GPS. Gdyby system ten nie stosował się do odkryć Einsteina, wyznaczane położenie na powierzchni Ziemi różniłoby się o kilometry od rzeczywistego. Jeśli macie telefon komórkowy, to nosicie w kieszeni urządzenie, którego działanie opiera się na teorii względności.

Najdziwniejsze aspekty czasu pojawiają się w czarnych dziurach, tych zagadkowych obiektach, które teraz znajdujemy w całym kosmosie. Wpadnijcie do czarnej dziury, a rozszarpywani na atomy, będziecie (zgodnie z najnowszą teorią) podróżować nie tylko do nieskończoności, ale i poza nią, jak się wkrótce o tym przekonamy. Spójrzmy na czarne dziury świeżym okiem, a zobaczymy znacznie więcej niż czerń. Nie musimy wpadać do ich środka, aby nasze poczucie rzeczywistości doznało szoku. Czarne dziury mają także odniesienie do strzałki czasu; obecna teoria (jeszcze nie zweryfikowana) mówi, że (razem z „horyzontem zdarzeń” w nieskończoności) zawierają one większość entropii Wszechświata.

Potem zbadamy świat porelatywistyczny, w którym Eddington rozważał kierunek czasu i doszedł do wniosku, że jest on wyznaczany przez jedno szczególne prawo fizyki, drugą zasadę termodynamiki, prawo głoszące, że stopień nieporządku w świecie, mierzony za pomocą entropii, wzrasta i będzie wiecznie wzrastać. To dziwne prawo, oparte nie tylko na fundamentach fizyki, ale też na fakcie, że nasz Wszechświat jest szczególnie dobrze zorganizowany, a prawa rachunku prawdopodobieństwa wskazują, że nie ma innego kierunku niż powiększanie się chaosu i przypadkowości, co ostatecznie prowadzi do śmierci cieplnej Wszechświata, do Wielkiego Chłodu. Czy taka jest nasza przyszłość? Niekoniecznie. Paradoksalnie, zwiększającemu się chaosowi we Wszechświecie towarzyszy wzrastający stopień organizacji związany z tworzeniem się planet, życia i cywilizacji.

Wykażę, że istnieją poważne alternatywy dla strzałki czasu opartej na entropii połączone z pewnymi zagadkowymi aspektami mechaniki kwantowej, których jeszcze nie rozumiemy. „Teoria pomiaru” jest bardzo często cytowana i umieszczana w bibliografiach (239 milionów cytowań w Google), ale w istocie taka teoria nie istnieje. Najbardziej niesamowitym odkryciem dotyczącym pomiaru było eksperymentalne potwierdzenie pewnych dziwnych własności splątania kwantowego, zjawiska, które wymaga ukrytego działania na odległość z prędkością większą od prędkości światła. Możliwe, że jeszcze nie odkryta teoria pomiaru zawiera w sobie odpowiedź na pewne dylematy związane z czasem. Fizyka kwantowa będzie zapewne odgrywać kluczową rolę w rozplątaniu znaczenia teraz.

Niektórzy sądzą, że czas jest częścią naszej świadomości, której nigdy nie da się sprowadzić do czystej fizyki. Chociaż większość fizyków uważa, że cała rzeczywistość podlega ich zwierzchnictwu, pokażę, że tak nie jest – że istnieje wiedza, która jest tak samo realna jak obserwacje naukowe, ale nigdy nie będzie mogła być odkryta doświadczalnie i nie zdołamy jej potwierdzić pomiarem. Prostym przykładem jest to, że pierwiastka kwadratowego z dwóch nie da się zapisać jako ułamka zawierającego w liczniku i mianowniku tylko liczby całkowite. Innym przykładem jest wiedza o tym, jak wygląda kolor niebieski.

Czy strzałka czasu jest efektem psychologicznym? Gdyby czas płynął wstecz, czybyśmy to zauważyli? Wielki fizyk Richard Feynman wykazał, że pozytony, cząstki antymaterii znane w literaturze fantastycznonaukowej jako napęd przyszłych statków kosmicznych, a obecnie wykorzystywane w szpitalach podczas diagnostyki obrazowej, są elektronami poruszającymi się w czasie wstecz. Czy teraz może także poruszać się w czasie wstecz? A my?

W końcu będę dowodził, że przyczyna czasu oraz sens tajemniczego i nieuchwytnego teraz leżą w sferze nauki – nie w pojęciu entropii, ale w fizyce kosmologii. Aby zrozumieć teraz, musimy nie tylko połączyć teorię względności i Wielki Wybuch, ale także zrozumieć, że napór entropii ma granice. Będziemy musieli zbadać implikacje, jakie fizyka kwantowa wnosi do tego zagadnienia, szczególnie (a może nawet zaskakująco) do znaczenia wolnej woli. To nowe ujęcie wolnej woli, chociaż nie jest potrzebne do wyjaśnienia teraz, będzie mieć znaczenie dla zrozumienia, dlaczego teraz jest dla nas tak ważne.

Przestrzeń i czas wzięte razem tworzą scenę, na której żyjemy i umieramy; to scena, na której fizyka klasyczna dokonuje swych przewidywań. Jednakże aż do początku XX wieku sama ta scena nie była przedmiotem badań. Obserwowaliśmy postaci i zawiłość rozwoju zdarzeń, ale nie samo miejsce akcji. Tymczasem pojawił się Einstein. Jego wielki geniusz polega na rozpoznaniu tego, że sama scena jest zjawiskiem fizycznym, że czas i przestrzeń mają zaskakujące własności, które da się badać i wykorzystywać w celu dokonywania przewidywań naukowych. Nawet jeśli on utracił nadzieję na zrozumienie, czym jest teraz, jego osiągnięcia naukowe są podstawą naszej wiedzy. Einstein obdarzył fizykę czasem.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

Wstęp

Część I. Zdumiewający czas

1. Zawiła zagadka

NIEOPISYWALNE TERAZ

ZŁAMANA SYMETRIA

2. Dziecinne spojrzenie Einsteina

TEORIA WZGLĘDNOŚCI

SPOWOLNIENIE UPŁYWU CZASU

WŁASNY UKŁAD ODNIESIENIA

PODRÓŻ W CZASIE W PRZYSZŁOŚĆ

3. Przeskakujące teraz

PRZESTRZEŃ ŚCIŚNIĘTA, A PROTONY SPŁASZCZONE JAK NALEŚNIKI

EKSPERYMENT MICHELSONA–MORLEYA

CZAS, ENERGIA I PIĘKNO

DLACZEGO PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA JEST TAK WYJĄTKOWA?

CZARNE DZIURY

4. Paradoksy i sprzeczności

DRĄG W STODOLE

PARADOKS BLIŹNIĄT

MORDERSTWO ZA POMOCĄ TACHIONÓW

WOLNA WOLA JEST SPRAWDZALNA

5. Granica prędkości światła i istniejąca w niej luka

ZASADA RÓWNOWAŻNOŚCI EINSTEINA

OSIĄGANIE PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA

CZAS PŁYNIE SZYBCIEJ NA GÓRZE

6. Czas urojony

LICZBY UROJONE, NIEWYMIERNE I ZERO

CZAS UROJONY I CZASOPRZESTRZEŃ 4D

NAJSZCZĘŚLIWSZA MYŚL MOJEGO ŻYCIA

CZASOPRZESTRZEŃ

7. Do nieskończoności i dalej

CZARNE DZIURY NIE WCIĄGAJĄ

OSIĄGANIE PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA I PRZEKRACZANIE NIESKOŃCZONOŚCI

TAK NAPRAWDĘ NIE MA CZARNYCH DZIUR

NASTĘPNA LUKA W GRANICY PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA

TUNELE CZASOPRZESTRZENNE

Część II. Złamana strzałka

8. Strzałka zamieszania

9. Objaśnianie entropii

SIŁA NAPĘDOWA OGNIA

ENTROPIA PRZEPŁYWU CIEPŁA

ENTROPIA MIESZANIA

10. Zdumiewająca entropia

FIZYKA MNÓSTWA OBIEKTÓW

CZYM TAK NAPRAWDĘ JEST ENTROPIA?

TYRANIA ENTROPII

ENTROPIA TO ZAMĘT

ENTROPIA I FIZYKA KWANTOWA

11. Czas objaśniony

JEDYNE, CZYM DYSPONUJEMY

FILMY ODTWARZANE OD TYŁU

PODSTAWOWE I WTÓRNE PRAWA FIZYKI

DLACZEGO ISTNIENIE WSZECHŚWIATA JEST TAK MAŁO PRAWDOPODOBNE?

12. Nasz mało prawdopodobny Wszechświat

SKÓRKA NIEPOTRZEBNA

NA POCZĄTKU…

ROZWIĄZANIE ZAGADKI

13. Erupcja Wszechświata

KULA OGNIA WIELKIEGO WYBUCHU

POSZUKIWANIE POCZĄTKU CZASU

JESTEŚMY FLUKTUACJĄ KWANTOWĄ

WSZECHŚWIAT THURSTONA

14. Koniec czasu

POSZUKIWANIE KOŃCA CZASU

WSZECHŚWIAT PRZYSPIESZAJĄCY EKSPANSJĘ I CIEMNA ENERGIA

NAJWIĘKSZA POMYŁKA EINSTEINA

INFLACJA

15. Wyrzućmy entropię za burtę

UDANY SPRAWDZIAN TEORII

ENTROPIA WSZECHŚWIATA

BOSKA CZĄSTKA ŁAMIE STRZAŁKĘ ENTROPII

JAK EDDINGTON NAS NABRAŁ?

16. Alternatywne strzałki

STRZAŁKA MALEJĄCEJ ENTROPII

STRZAŁKA CZASU CZARNEJ DZIURY

STRZAŁKA PROMIENIOWANIA

POSTĘP DOKONANY PRZEZ FEYNMANA

STRZAŁKA PSYCHOLOGICZNA

STRZAŁKA ANTROPICZNA

ŁAMANIE SYMETRII WZGLĘDEM ODWRÓCENIA CZASU

KWANTOWA STRZAŁKA

STRZAŁKA KOSMOLOGICZNA

Część III. Upiorna fizyka

17. Kot żywy i martwy jednocześnie

KOT SCHRÖDINGERA

INTERPRETACJA KOPENHASKA

UKRYTY DUCH RZECZYWISTOŚCI

TEORIA KWANTÓW NARUSZA TEORIĘ WZGLĘDNOŚCI

18. Łaskotanie kwantowego ducha

FALOCZĄSTKI

ŚLEPA ULICZKA

SAMOISTNA NIEOZNACZONOŚĆ

NAJMNIEJSZA ODLEGŁOŚĆ

NIEOKREŚLONOŚĆ CHAOSU

SZKIELET W KWANTOWEJ SZAFIE

19. Einstein jest przestraszony

ZABÓJCA ZMIENNYCH UKRYTYCH

SPLĄTANIE

WIADOMOŚCI SZYBSZE NIŻ ŚWIATŁO

PROTEZY

A CO TE „UPIORY” SZKODZĄ?

OBLICZENIA Z UPIORAMI

20. Zaobserwowana podróż w czasie wstecz

NAJBARDZIEJ ABSURDALNA TEORIA W TEJ KSIĄŻCE

DIRAC, OCIĄGAJĄC SIĘ, PRZEWIDUJE ISTNIENIE ANTYMATERII

ETER ODRODZONY

FEYNMAN ODWRACA BIEG CZASU

WSZYSCY JESTEŚMY JEDNYM

CZY LUDZIE MOGĄ PODRÓŻOWAĆ W CZASIE WSTECZ?

Część IV. Fizyka i rzeczywistość

21. Poza fizyką

OGRANICZENIA NAUKI

WSTRZĄS WYWOŁANY PRZEZ GÖDLA

JAK WYGLĄDA KOLOR NIEBIESKI?

TELEPORTUJ MNIE, SCOTTY

CZYM JEST NAUKA?

22. Cogito ergo sum

FIZYKALIZM

EMPATIA

COGITO ERGO SUM

23. Wolna wola

Z POWROTEM W MYM LABORATORIUM…

KLASYCZNA WOLNA WOLA

KIEROWANIE ENTROPII

NASTĘPUJĄCE PRAWDY UWAŻAMY ZA OCZYWISTE

WOLNA WOLA I SPLĄTANIE

SAMOLUBNY GEN

Część V. Teraz

24. Wielki Wybuch 4D

KRAWĘDŹ NATARCIA CZASU

CZY WSZYSTKIE TERAZ SĄ JEDNOCZESNE?

POSTRZEGANIE TERAZ

FALSYFIKOWANIE KOSMOLOGICZNEGO ŹRÓDŁA CZASU. CZĘŚĆ I

FALSYFIKOWANIE KOSMOLOGICZNEGO ŹRÓDŁA CZASU. CZĘŚĆ II

PRZYSZŁOŚĆ FIZYKI

25. Znaczenie teraz

Dodatki

Dodatek 1. Matematyka teorii względności

DYLATACJA CZASU

KONTRAKCJA DŁUGOŚCI

JEDNOCZESNOŚĆ

PRĘDKOŚCI I SZYBKOŚĆ ŚWIATŁA

ODWRÓCENIE KOLEJNOŚCI ZDARZEŃ

MATEMATYKA PARADOKSU DRĄGA W STODOLE

MATEMATYKA PARADOKSU BLIŹNIĄT

MATEMATYKA MORDERSTWA ZA POMOCĄ TACHIONÓW

MATEMATYKA WPŁYWU GRAWITACJI A CZAS

Dodatek 2. Czas i energia

Dodatek 3. Dowód niewymierności

Dodatek 4. Stworzenie Wszechświata

Dodatek 5. Matematyka nieokreśloności

Dodatek 6. Fizyka i Bóg

JA

Podziękowania

Źródła ilustracji

1 Arystoteles, Dzieła wszystkie, Fizyka, tom 2, Księga IV, tłum. Kazimierz Leśniak, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003.

2 Tłum. Zygmunt Kubiak (przyp. red.).

3 Ibidem.

4 Ibidem.

Spis treści

Wstęp

Część I. Zdumiewający czas

1. Zawiła zagadka

NIEOPISYWALNE TERAZ

ZŁAMANA SYMETRIA