To jest trzeci wywiad w serii dotyczącej kwantowej grawitacji. Sugerujemy, żeby zacząć lekturę od "Istniejemy dzięki fizyce kwantowej"

W świetle tego, co powiedział mi prof. Carlo Rovelli, w ogóle nie wypada zadawać fizykom pytań o czas.  

Każdy problem ma wiele aspektów. W tym przypadku Carlo podkreślił jeden aspekt, by zburzyć najbardziej podstawowe oczekiwania i przyzwyczajenia. Ale gdy pracujemy nad tym zrozumieniem grawitacji, to okazuje się, że to ważna jest także materia. Prawa dotyczące materii same w sobie są inne, gdy dołączamy grawitację. Wtedy pojawiają się te wszystkie dziwne zjawiska – nie wiadomo, czy czas jest, czy go nie ma. Bierze się to stąd, że gdy zaczynamy rozwiązywać szereg równań, to zaczynamy widzieć, że jedne pola zależą od drugich i gdy jedno z nich przyjąć za czas, to inne od tego pola zależą jak od czasu. W ten sposób można czysto mechanicznie – nie na polu filozofii czy przekonań, tylko rachunków – dojść do tego, że jedno z pól przyjmuje funkcję czasu. Przy czym nie zawsze to widać, a czasem widać czarno na białym, że wszystkie inne od tego jednego zależą. I choć z rozważań wyrzucamy czas, to wraca on w postaci zależności n pól od n+1 pola. W ten sam sposób pojawia się przestrzeń – trzy jej wymiary: x, y, z.
 
Teoria strun zakłada znacznie bardziej skomplikowane przestrzenie geometryczne. Pętlowa teoria kwantowej grawitacji jest bardzo prosta – trzy wymiary plus czas. Może to jednak nie wystarcza do opisania świata?
 
Teoria strun to pomysł, żeby rozważać strunę gdziekolwiek chcemy. Matematyk może dać nam jakąś – przestrzeń którą wymyślił, np. przestrzeń twistorową albo Calbi-Yau, cokolwiek by to nie znaczyło – a „strunowiec” przychodzi ze struną, puszcza ją i sprawdza, jak by wyglądała i w ten sposób wyciąga bardzo wiele ciekawych matematycznych wniosków. Natomiast nigdy nie zadaje pytania, dlaczego ta przestrzeń, w której puścił strunę w ogóle jest taka, a nie inna. 
 
W naszym przypadku przestrzeń tworzy się razem ze wszystkim. Geometrię Wszechświata tworzymy od początku, nie czerpiemy jej z jakiejś zewnętrznej przestrzeni, jak w przypadku strun. Przy czym jesteśmy troszeczkę konserwatywni, bo wierzymy w tzw. formalizm kwantyzacji Diraca. Dirac kiedyś napisał, jak mając jakąś teorię – np. elektromagnetyzm – odgadnąć jej kwantową wersję. W szczególności długo zastanawiał się, jak to zrobić w przypadku grawitacji. Nie udało mu się to, ale wykonał pierwsze kroki. I my dosyć sumiennie trzymamy się tych kroków. Metoda sprawdziła się we wszystkich innych teoriach pola i gwarantuje, że kwantowa teoria uzyskana przy jej pomocy będzie miała właściwą granicę w teorii klasycznej.
 
Właściwą granicę, czyli ten Wszechświat, jaki widzimy dziś?
 
Ja teraz powiem coś, za co mogę zostać zlinczowany. Kosmologia nie jest fizyką, ponieważ jest to obserwowanie jednego doświadczenia fizycznego, które zaczęło się kiedyś, bardzo dawno temu i cały czas się dzieje. Nie można przerwać tego eksperymentu i zbadać 100 tys. różnych równoległych światów, zobaczyć, jak wyglądają, a potem wracać i poprawiać pomiary, a potem jeszcze powtórzyć wyniki w innym laboratorium. Tak nie możemy operować na Wszechświecie. To jest raczej próba zgadnięcia takiej fizyki, z której praw ten Wszechświat, który widzimy, wynika. Ale też czasem ulegamy łatwo pokusie dyskwalifikowania czegoś, czego nie widzimy i mówienia, że coś jest niefizyczne, bo tego nie widzimy. 
 
Czy to znaczy, że jesteśmy w stanie w laboratorium stworzyć, coś na co pozwala fizyka, a czego nigdy nie zobaczymy we Wszechświecie?
 
To przewrotne pytanie, które mogę sformułować jeszcze dokładniej, a na koniec powiedzieć, że nie znam na nie odpowiedzi. To pytanie dotyczące stałej kosmologicznej Wszechświata. Czy jest mniejsza od zera, czy wnosi zero – czyli jej nie ma – czy może jest większa od zera? Fizyka dopuszcza wszystkie możliwości i każda z nich to przykład innego rozwiązania tej samej teorii Einsteina. Natomiast my z pewnością mamy do czynienia z jedną stałą kosmologiczną. Ale czy inne możliwości nie istnieją, bo nie mają sensu, czy też mają sens, bo fizyka na nie pozwala, tylko akurat tak się składa, że żyjemy w jednym Wszechświecie? Nie znam odpowiedzi.
 
Czy Wielkie Odbicie, o którym mówi pętlowa teoria kwantowej grawitacji można traktować jako „totalny reset” i wymieszanie praw fizyki?
 
My na to tak nie patrzymy. Nie uprawiamy takiego modelu, choć słyszałem, że są takie koncepcje, że za każdym razem, gdy rodzi się Wszechświat z innym zestawem stałych, to i tak hodujemy rodzące się wszechświaty. 
 
No dobrze, a jak mamy rozumieć prędkość światła definiowaną przez metr na sekundę, czyli przestrzeń przez czas, skoro z czasem jest taki problem, że nie wiadomo, czy istnieje i czy jest potrzebny?
 
Akurat ta stała to dobry przykład czegoś, co może istnieć i być dobrze zdefiniowane, podczas gdy pozostałe wielkości, które wykorzystaliśmy, były źle zdefiniowane. Czym jest ta stała? Gdy obserwujemy trajektorię światła, to widzimy, że zależność czasu i położenia jest opisana jakąś regułą, nawet jeśli sam czas i samo położenie nie mają bezwzględnego znaczenia. W tym sensie ta stała jest bardziej uniwersalna niż te dwie rzeczy względne wykorzystane do zdefiniowania jej.
 
Jeżeli możemy wymiennie używać pojęcia masy i energii, to czy tak samo wymiennie możemy używać pojęcia czasu i przestrzeni?
 
Tak. To po prostu kwestia historyczna, że odróżniliśmy jakoś czas od przestrzeni. To nie jest tak, że żyjemy we Wszechświecie, w którym wystarczy pojęcie zmiennych przestrzennych, żeby go opisać. Ale nie ma jednego wyróżnionego kierunku, który byłby kierunkiem czasowym.