Einstein opisał kiedyś swojego przyjaciela Michele Besso jako „najlepszą w Europie deskę rozdzielczą” dla pomysłów naukowych. Razem studiowali na uniwersytecie w Zurychu; później byli kolegami w urzędzie patentowym w Bernie. Kiedy Besso zmarł wiosną 1955 roku, Einstein – wiedząc, że jego własny czas również się kończy – napisał słynny już list do rodziny Besso. „Teraz odszedł z tego dziwnego świata trochę przede mną” – pisał Einstein o odejściu przyjaciela. „To nic nie znaczy. Dla nas, wierzących fizyków, rozróżnienie między przeszłością, teraźniejszością i przyszłością jest tylko uparcie trwającą iluzją.”
Oświadczenie Einsteina nie było jedynie próbą pocieszenia. Wielu fizyków twierdzi, że stanowisko Einsteina jest implikowane przez dwa filary współczesnej fizyki: arcydzieło Einsteina, ogólna teoria względności, oraz Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych. Prawa, na których opierają się te teorie, są czasowo-symetryczne – to znaczy, że fizyka, którą opisują, jest taka sama, niezależnie od tego, czy zmienna zwana „czasem” rośnie, czy maleje. Co więcej, nie mówią one nic o punkcie, który nazywamy „teraz” – szczególnym momencie (lub tak się wydaje) dla nas, ale pozornie niezdefiniowanym, gdy mówimy o wszechświecie w ogóle. Wynikający z tego bezczasowy kosmos jest czasami nazywany „blokowym wszechświatem” – statycznym blokiem czasoprzestrzeni, w którym jakikolwiek przepływ czasu lub przejście przez niego musi być przypuszczalnie konstrukcją umysłową lub inną iluzją.
Wielu fizyków pogodziło się z ideą blokowego wszechświata, argumentując, że zadaniem fizyka jest opisanie, jak wszechświat jawi się z punktu widzenia poszczególnych obserwatorów. Aby zrozumieć różnicę między przeszłością, teraźniejszością i przyszłością, musisz „zanurzyć się w tym blokowym wszechświecie i zapytać: 'Jak obserwator postrzega czas?”, powiedział Andreas Albrecht, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis i jeden z twórców teorii kosmicznej inflacji.
Inni stanowczo się z tym nie zgadzają, twierdząc, że zadaniem fizyki jest wyjaśnienie nie tylko tego, jak czas wydaje się płynąć, ale dlaczego. Dla nich, wszechświat nie jest statyczny. Upływ czasu jest fizyczny. „Mam dość tego blokowego wszechświata”, powiedział Avshalom Elitzur, fizyk i filozof, dawniej z Uniwersytetu Bar-Ilan. „Nie sądzę, żeby następny czwartek miał taką samą podstawę jak ten czwartek. Przyszłość nie istnieje. Nie istnieje! Ontologicznie jej nie ma.”
W zeszłym miesiącu około 60 fizyków, wraz z garstką filozofów i badaczy z innych dziedzin nauki, zebrało się w Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie, aby debatować nad tym pytaniem na konferencji Time in Cosmology. Współorganizatorem konferencji był fizyk Lee Smolin, zdecydowany krytyk idei block-universe (między innymi). Jego stanowisko zostało wyłożone dla laików w książce Time Reborn oraz w bardziej technicznej pracy The Singular Universe and the Reality of Time, której współautorem jest filozof Roberto Mangabeira Unger, który również był współorganizatorem konferencji. W tej ostatniej pracy, odzwierciedlając odczucia Elitzura dotyczące braku konkretności przyszłości, Smolin pisał: „Przyszłość nie jest teraz realna i nie może być żadnych ostatecznych faktów dotyczących przyszłości”. To, co jest realne, to „proces, w którym przyszłe wydarzenia są generowane z obecnych wydarzeń”, powiedział na konferencji.
Ci, którzy wzięli udział w konferencji zmagali się z kilkoma pytaniami: rozróżnieniem pomiędzy przeszłością, teraźniejszością i przyszłością; dlaczego czas wydaje się poruszać tylko w jednym kierunku; oraz czy czas jest fundamentalny czy emergentny. Większość z tych kwestii, co nie jest zaskoczeniem, pozostała nierozwiązana. Jednak przez cztery dni uczestnicy z uwagą słuchali najnowszych propozycji rozwiązania tych kwestii – a zwłaszcza sposobów, w jakie moglibyśmy pogodzić nasze postrzeganie upływu czasu ze statycznym, pozornie bezczasowym wszechświatem.
Czas zamieciony pod dywan
Jest kilka rzeczy, co do których wszyscy się zgadzają. Kierunkowość, którą obserwujemy w makroskopowym świecie jest bardzo realna: Filiżanki rozbijają się, ale nie składają się spontanicznie; jajka mogą być jajecznicą, ale nie są odkręcane. Entropia – miara nieporządku w systemie – zawsze wzrasta, co jest zakodowane w drugim prawie termodynamiki. Jak w XIX wieku rozumiał to austriacki fizyk Ludwig Boltzmann, drugie prawo wyjaśnia, dlaczego wydarzenia mają większe szanse rozwijać się w tym, a nie innym kierunku. To wyjaśnia strzałkę czasu.
Ale sprawy stają się bardziej skomplikowane, gdy cofniemy się i zapytamy, dlaczego żyjemy we wszechświecie, w którym takie prawo obowiązuje. „Boltzmann naprawdę wyjaśnił, dlaczego entropia wszechświata będzie większa jutro niż dzisiaj” – powiedział Sean Carroll, fizyk z California Institute of Technology, gdy siedzieliśmy w hotelowym barze po drugim dniu prezentacji. „Ale gdyby to było wszystko, co wiedziałeś, powiedziałbyś również, że entropia wszechświata była prawdopodobnie większa wczoraj niż dzisiaj – ponieważ wszystkie podstawowe dynamiki są całkowicie symetryczne w odniesieniu do czasu”. To znaczy, jeśli entropia jest ostatecznie oparta na podstawowych prawach wszechświata, a te prawa są takie same idąc do przodu i do tyłu, to jest tak samo prawdopodobne, że entropia wzrośnie idąc do tyłu w czasie. Ale nikt nie wierzy, „e entropia faktycznie działa w ten sposób. Jajecznica zawsze pojawia się po całych jajkach, nigdy odwrotnie.
Aby nadać temu sens, fizycy zaproponowali, że wszechświat rozpoczął się w bardzo szczególnym stanie niskiej entropii. W tym ujęciu, które David Albert, filozof fizyki z Uniwersytetu Columbia, nazwał „hipotezą przeszłości”, entropia wzrasta, ponieważ Wielki Wybuch spowodował powstanie wszechświata o wyjątkowo niskiej entropii. Nie było dokąd pójść, tylko w górę. Hipoteza przeszłości sugeruje, że za każdym razem, gdy gotujemy jajko, korzystamy z wydarzeń, które miały miejsce prawie 14 miliardów lat temu. „To, czego potrzebujesz, aby Wielki Wybuch wyjaśnił, to: 'Dlaczego kiedykolwiek istniały nierozbite jajka?'” powiedział Carroll.
Niektórzy fizycy są bardziej zaniepokojeni niż inni przez hipotezę przeszłości. Branie rzeczy, których nie rozumiemy w fizyce dzisiejszego wszechświata i mówienie, że odpowiedź można znaleźć w Wielkim Wybuchu, może być postrzegane jako przerzucanie odpowiedzialności – lub zamiatanie naszych problemów pod dywan. Za każdym razem, gdy powołujemy się na warunki początkowe, „stos rzeczy pod dywanem staje się coraz większy”, powiedziała Marina Cortes, kosmolog z Królewskiego Obserwatorium w Edynburgu i współorganizatorka konferencji.
Dla Smolina hipoteza z przeszłości jest bardziej jak przyznanie się do porażki niż użyteczny krok naprzód. Jak to ujął w The Singular Universe: „Faktem, który należy wyjaśnić, jest to, dlaczego wszechświat, nawet 13,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, nie osiągnął równowagi, która z definicji jest stanem najbardziej prawdopodobnym, i nie wystarczy wyjaśnić tego przez twierdzenie, że wszechświat rozpoczął się w stanie jeszcze mniej prawdopodobnym niż obecny.”
Inni fizycy zwracają jednak uwagę, że normalnym jest rozwijanie teorii, które mogą opisać system, biorąc pod uwagę pewne warunki początkowe. Teoria nie musi dążyć do wyjaśnienia tych warunków.
Inna grupa fizyków uważa, że przeszła hipoteza, choć lepsza niż nic, jest raczej miejscem, niż ostateczną odpowiedzią. Być może, jeśli będziemy mieli szczęście, wskaże ona drogę do czegoś głębszego. „Wielu ludzi twierdzi, że hipoteza przeszłości jest po prostu faktem i nie ma żadnego ukrytego sposobu na jej wyjaśnienie. Nie wykluczam takiej możliwości” – powiedział Carroll. „Dla mnie hipoteza przeszłości jest wskazówką, która pomoże nam rozwinąć bardziej wszechstronny pogląd na wszechświat.”
The Alternative Origins of Time
Czy strzałka czasu może być zrozumiana bez powoływania się na hipotezę przeszłości? Niektórzy fizycy twierdzą, że to grawitacja – a nie termodynamika – kieruje strzałką czasu. W tym ujęciu grawitacja powoduje zlepianie się materii, definiując strzałkę czasu, która dostosowuje się do wzrostu złożoności, powiedział Tim Koslowski, fizyk z Narodowego Uniwersytetu Autonomicznego w Meksyku (opisał ten pomysł w pracy z 2014 roku, której współautorami są brytyjski fizyk Julian Barbour i Flavio Mercati, fizyk z Perimeter). Koslowski i jego koledzy opracowali proste modele wszechświatów złożonych z 1000 punktowych cząstek, podlegających jedynie prawu grawitacji Newtona, i odkryli, że zawsze będzie istniał moment maksymalnej gęstości i minimalnej złożoności. W miarę oddalania się od tego punktu, w dowolnym kierunku, złożoność wzrasta. Naturalnie, my – złożone istoty zdolne do obserwacji – możemy ewoluować tylko w pewnej odległości od tego minimum. Mimo to, gdziekolwiek znajdziemy się w historii wszechświata, możemy wskazać erę o mniejszej złożoności i nazwać ją przeszłością, powiedział Koslowski. Modele są globalnie czasowo-symetryczne, ale każdy obserwator doświadczy lokalnej strzałki czasu. Istotne jest to, że niskoentropowy punkt wyjścia nie jest dodatkiem do modelu. Raczej naturalnie się z niego wyłania. „Grawitacja w zasadzie eliminuje potrzebę hipotezy przeszłości,” powiedział Koslowski.
Pomysł, że czas porusza się w więcej niż jednym kierunku, i że tak się składa, że zamieszkujemy część kosmosu z pojedynczą, lokalnie zdefiniowaną strzałką czasu, nie jest nowy. W 2004 roku Carroll, wraz ze swoją studentką Jennifer Chen, wysunął podobną propozycję opartą na wiecznej inflacji, stosunkowo dobrze znanym modelu początku wszechświata. Carroll uważa pracę Koslowskiego i jego kolegów za pożyteczny krok, zwłaszcza że dopracowali oni szczegóły matematyczne swojego modelu (on i Chen tego nie zrobili). Mimo to, ma pewne obawy. Na przykład powiedział, że nie jest jasne, czy grawitacja odgrywa tak ważną rolę, jak twierdzą autorzy pracy. „Gdybyśmy mieli cząstki w pustej przestrzeni, otrzymalibyśmy dokładnie takie samo zachowanie jakościowe” – powiedział.
Wzrastająca złożoność, jak twierdzi Koslowski, ma jeden istotny efekt uboczny: prowadzi do tworzenia się pewnych układów materii, które zachowują swoją strukturę w czasie. Struktury te mogą przechowywać informacje; Koslowski nazywa je „zapisami”. Grawitacja jest pierwszą i podstawową siłą, która umożliwia tworzenie się zapisów; inne procesy prowadzą do powstania wszystkiego, od skamielin i słojów drzew po dokumenty pisane. Wspólną cechą wszystkich tych bytów jest to, że zawierają one informacje o jakimś wcześniejszym stanie wszechświata. Zapytałem Koslowskiego, czy wspomnienia przechowywane w mózgach są innym rodzajem zapisu. Tak, odpowiedział. „Idealnie byłoby, gdybyśmy mogli budować coraz bardziej złożone modele i dojść w końcu do pamięci w moim telefonie, pamięci w moim mózgu, w książkach historycznych”. Bardziej złożony wszechświat zawiera więcej zapisów niż mniej złożony wszechświat, i to, powiedział Koslowski, jest powodem, dla którego pamiętamy przeszłość, ale nie przyszłość.
Ale być może czas jest jeszcze bardziej fundamentalny niż to. Dla George’a Ellisa, kosmologa z Uniwersytetu w Cape Town w RPA, czas jest bardziej podstawowym bytem, który można zrozumieć poprzez wyobrażenie sobie wszechświata blokowego jako ewoluującego. W jego modelu „ewoluującego blokowego wszechświata”, wszechświat jest rosnącą objętością czasoprzestrzeni. Powierzchnia tej objętości może być postrzegana jako chwila obecna. Powierzchnia ta reprezentuje moment, w którym „nieokreśloność przyszłości zmienia się w określoność przeszłości”, jak to opisał. „Sama czasoprzestrzeń rośnie w miarę upływu czasu”. Można rozróżnić kierunek upływu czasu, patrząc na to, która część wszechświata jest stała (przeszłość), a która się zmienia (przyszłość). Chociaż niektórzy koledzy się z tym nie zgadzają, Ellis podkreśla, że model ten jest modyfikacją, a nie radykalnym przewartościowaniem standardowego poglądu. „To jest blokowy wszechświat z dynamiką objętą równaniami pola ogólnej teorii względności – absolutnie standardowy – ale z przyszłością, która jest ciągle zmieniającą się teraźniejszością”, powiedział. W tym ujęciu, podczas gdy przeszłość jest stała i niezmienna, przyszłość jest otwarta. Model ten „oczywiście reprezentuje upływ czasu w bardziej zadowalający sposób niż zwykły wszechświat blokowy”, powiedział.
W przeciwieństwie do tradycyjnego widoku blokowego, obraz Ellisa wydaje się opisywać wszechświat z otwartą przyszłością – pozornie w konflikcie z rządzonym prawem wszechświatem, w którym przeszłe stany fizyczne dyktują przyszłe stany. (Chociaż kwantowa niepewność, jak zauważył Ellis, może być wystarczająca, aby zatopić taki deterministyczny pogląd). Na konferencji ktoś zapytał Ellisa, czy mając wystarczającą ilość informacji o fizyce kuli o pewnym promieniu skupionej w brytyjskim Midlands na początku czerwca, można by przewidzieć wynik głosowania w sprawie Brexitu. „Nie przy użyciu fizyki” – odpowiedział Ellis. Do tego, powiedział, potrzebowalibyśmy lepszego zrozumienia tego, jak działają umysły.
Inne podejście, które ma na celu pogodzenie pozornego upływu czasu z blokowym wszechświatem, nosi nazwę teorii zbiorów przyczynowych. Po raz pierwszy opracowana w latach 80. jako podejście do kwantowej grawitacji przez fizyka Rafaela Sorkina, który również był na konferencji, teoria ta opiera się na założeniu, że czasoprzestrzeń jest raczej dyskretna niż ciągła. Zgodnie z tym poglądem, chociaż wszechświat wydaje się ciągły na poziomie makroskopowym, gdybyśmy mogli spojrzeć w dół do tak zwanej skali Plancka (odległości około 10-35 metrów), odkrylibyśmy, że wszechświat składa się z elementarnych jednostek lub „atomów” czasoprzestrzeni. Atomy te tworzą coś, co matematycy nazywają „zbiorem częściowo uporządkowanym” – tablicę, w której każdy element jest powiązany z sąsiednim elementem w określonej kolejności. Liczba tych atomów (szacowana na 10240 w widzialnym wszechświecie) daje objętość czasoprzestrzeni, a ich kolejność – czas. Zgodnie z teorią, nowe atomy czasoprzestrzeni ciągle powstają. Fay Dowker, fizyk z Imperial College London, określiła to na konferencji mianem „czasu akrecyjnego”. Zaprosiła wszystkich do myślenia o czasoprzestrzeni jako o akrecji nowych atomów czasoprzestrzeni w sposób mniej więcej analogiczny do dna morskiego, na którym z czasem odkładają się nowe warstwy osadów. Ogólna względność daje tylko blok, ale zbiory przyczynowe wydają się pozwalać na „stawanie się”, powiedziała. „Blokowy wszechświat jest czymś statycznym – statycznym obrazem świata – podczas gdy ten proces stawania się jest dynamiczny”. W tym ujęciu upływ czasu jest fundamentalną, a nie emergentną cechą kosmosu. (Jak zauważył Dowker, teoria zbiorów przyczynowych dokonała co najmniej jednego udanego przewidywania dotyczącego wszechświata, ponieważ została wykorzystana do oszacowania wartości stałej kosmologicznej jedynie na podstawie czasoprzestrzennej objętości wszechświata.
Problem z przyszłością
W obliczu tych konkurencyjnych modeli, wielu myślicieli przestało się martwić i nauczyło się kochać (lub przynajmniej tolerować) blokowy wszechświat.
Prawdopodobnie najmocniejsze oświadczenie złożone na konferencji na rzecz zgodności blokowego wszechświata z codziennym doświadczeniem pochodziło od filozofa Jenanna Ismaela z Uniwersytetu Arizony. Według Ismaela, właściwie rozumiany blokowy wszechświat zawiera w sobie wyjaśnienie naszego doświadczenia pozornego upływu czasu. Uważne spojrzenie na konwencjonalną fizykę, uzupełnione o to, czego nauczyliśmy się w ostatnich dekadach z kognitywistyki i psychologii, pozwala odzyskać „przepływ, szum doświadczenia”, powiedziała. W tym ujęciu czas nie jest iluzją – w rzeczywistości doświadczamy go bezpośrednio. Przytoczyła badania, które pokazują, że każdy moment, którego doświadczamy, reprezentuje skończony przedział czasu. Innymi słowy, nie wnioskujemy o przepływie czasu; jest on częścią samego doświadczenia. Wyzwaniem, powiedziała, jest ujęcie tego pierwszoosobowego doświadczenia w ramy statycznego bloku oferowanego przez fizykę – zbadanie, „jak świat wygląda z ewoluującego układu odniesienia osadzonego postrzegacza”, którego historia jest reprezentowana przez krzywą w czasoprzestrzeni blokowego wszechświata.
Prezentacja Ismael spotkała się z mieszaną reakcją. Carroll powiedział, że zgadza się ze wszystkim, co powiedziała; Elitzur powiedział, że „chciał krzyczeć” podczas jej wystąpienia. (Później wyjaśnił: „Jeśli walę głową w ścianę, to dlatego, że nienawidzę przyszłości”). Sprzeciw wyrażany wielokrotnie podczas konferencji dotyczył tego, że blokowy wszechświat zdaje się sugerować, w jakiś istotny sposób, że przyszłość już istnieje, a przecież stwierdzenia dotyczące, powiedzmy, pogody w przyszły czwartek nie są ani prawdziwe, ani fałszywe. Dla niektórych wydaje się to być problemem nie do pokonania w poglądzie blokowego wszechświata. Ismael słyszała te zastrzeżenia wiele razy wcześniej. Przyszłe wydarzenia istnieją, powiedziała, tylko nie istnieją teraz. „Wszechświat blokowy nie jest zmieniającym się obrazem,” powiedziała. „To obraz zmiany.” Rzeczy dzieją się wtedy, kiedy się dzieją. „To jest moment – i wiem, że wszyscy tutaj będą tego nienawidzić – ale fizyka może zrobić z jakąś filozofią”, powiedziała. „Istnieje długa historia dyskusji o wartościach prawdy przyszłych warunkowych stwierdzeń – i to naprawdę nie ma nic wspólnego z doświadczeniem czasu”. A dla tych, którzy chcieliby przeczytać więcej? „Polecam Arystotelesa” – powiedziała.
Sprostowanie: Podpis pod zdjęciem został poprawiony 25 lipca 2016 r., aby poprawić pisownię nazwiska Jenann Ismael.
Ten artykuł został przedrukowany na TheAtlantic.com.
.