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

Marcin Bójko: Na czym polega upływ czasu?

prof. Carlo Rovelli: – Nauka tworzy wielkie konstrukcje myślowe, które ewoluują. Tak było zawsze i tak jest dziś. Jednym z konceptów, który ulega zmianie, jest czas. Gdy myślimy o czasie, myślimy o czymś, co płynie, o jakimś wielkim zegarze na zewnątrz wszechświata, który tyka i wraz z jego tyknięciami wszystko się zmienia. Ale to, że czas sam z siebie płynie, to pomysł Isaaca Newtona. Myślał on, że istnieje coś takiego jak czas i nawet jeśli nic się nie dzieje, to czas płynie. Użył zmiennej t do opisania upływu czasu i zjawiska opisywał jako funkcje czasu. Jak mierzymy czas? Za pomocą zegara, czyli wahadła. Każdy zegar ma wahadło – coś w jego wnętrzu oscyluje, np. atom. Ten pomiar czasu odkrył Galileusz. Wieść niesie, że siedział w kościele i ponieważ się nudził, obserwował kandelabr, który kiwał się coraz wolniej i wolniej. Ale Galileusz zorientował się, że każde wahnięcie trwa tyle samo – ich czas mierzył za pomocą swojego pulsu. Świetnie. Ale gdy lekarz mierzy pacjentowi puls, porównuje go do wahadła. Więc mierzymy wahadło za pomocą pulsu, puls za pomocą wahadła – mamy zamknięty krąg. Więc czym jest czas? Wahadłem? Pulsem?

M.B.: Jaki był więc pomysł Newtona?

C.R: – Newton powiedział, że nigdy nie mierzymy i nie obserwujemy czasu. Obserwujemy puls, wahadło czy coś, co spada – widzimy tylko zmienne. Czyli widzimy, jak zmienia się jedna zmienna względem drugiej. Widzimy, jak puls zmienia się względem wahadła, a wahadło względem pulsu. Widzimy, jak coś spada względem ruchu wahadła. Newton powiedział: aby to opisać, wyobraźmy sobie zmienną t, której nigdy nie obserwujemy, i opiszmy wszelkie zdarzenia w odniesieniu do niej, bo to czyni obliczenia prostszymi. I to wprowadza pojęcie czasu, który upływa. Ale nie widzimy tego czasu, widzimy jedynie zmienne. Fizyka Newtona działała doskonale do pewnego momentu. Kiedy zajmujemy się grawitacją, a w szczególności grawitacją kwantową, to się już nie sprawdza, ponieważ gdybyśmy chcieli zmierzyć bardzo krótkie odstępy czasu, potrzebowalibyśmy skrajnie precyzyjnego zegara, a taki zegar byłby na tyle masywny, że zapadłby się w czarnej dziurze. Tak więc istnieje maksymalna dokładność, z jaką zegar może odmierzać czas. Przez wiele lat nauka sobie z tym nie radziła – do mechaniki kwantowej nie było dobrych zegarów. Rozwiązanie przyszło około 10–15 lat temu i było proste: zapomnijmy o czasie, po prostu opisujmy świat zmiennymi. Wciąż mamy zmiany, ale odbywają się one jak w tańcu, na parkiecie, gdzie nie ma jednego reżysera mówiącego, kto co ma robić. To, co obecnie próbujemy zrobić, konstruując pętlową teorię grawitacji, to zapisanie podstawowych wartości opisujących świat – czyli pól grawitacyjnych, pól materii – nie jako zmiennych zależnych od czasu, lecz jako zmiennych zależnych jedna od drugiej. Czyli np. jak spada przedmiot, gdy poruszają się wskazówki zegara. Mamy dwa przedmioty materialne i jeden z nich wybrany został jako zegar. Zwłaszcza na podstawowym poziomie musimy przemyśleć świat, zapominając, że jest jeden czas. Musimy zmienić nasze myślenie o czasie. Podobnie jak kiedyś musieliśmy przemyśleć, czym jest pojęcie góry i dołu albo poruszania się, teraz musimy zmienić nasze pojmowanie czasu.

M.B.: A skąd bierze się nasze poczucie upływającego czasu?

C.R.: – W fizyce prawem uwzględniającym to, że czas płynie w jednym kierunku, jest drugie prawo termodynamiki: ciepło płynie z miejsca ciepłego do zimnego. Drugie prawo termodynamiki nie ma sensu w układach znajdujących się w stanie kompletnej równowagi. Na Ziemi powód, dla którego nie doświadczamy równowagi, to fakt, że niebo nad nami jest zimne. Jedynym powodem, dla którego czas płynie, jest ta różnica temperatur. Wydaje mi się więc, że ta specjalna cecha czasu, jaką jest jego upływ, ma swoje źródła w termodynamice. Poczucie upływu czasu bierze się stąd, że wokół nas jest wiele stopni swobody i nie jesteśmy w stanie poznać ich wszystkich. Pozostaje nam opis statystyczny. Wydaje mi się, że czas to nasza ignorancja. Gdybyśmy znali stan wszystkich atomów, ich stan mechaniczny – nawet bez uwzględniania efektów kwantowych – nie widzielibyśmy czasu. Ponieważ tego nie wiemy, mamy jedynie przybliżony ogląd, a ten ogląd automatycznie zakłada upływ czasu. To nie jest precyzyjny pomysł, a jedynie intuicyjny szkic.

M.B.: Jeśli wstrzymamy przepływ ciepła, wstrzymamy również czas?

C.R: – Tak. W systemie w stanie totalnej równowagi przeszłość jest równa przyszłości.

M.B.: Więc podróże w czasie są niemożliwe, bo łamią II prawo termodynamiki?

C.R: – Tak myślę. Choć czas nie jest tym samym, co drugie prawo termodynamiki, i potrzebna jest jakaś generalizacja z nim związana. Gdybyśmy wiedzieli wszystko, nie doświadczalibyśmy czasu.

M.B.: Czy to znaczy, że istnieją bezczasowe stany materii?

C.R: – Dokładny stan materii jest zawsze bezczasowy. Podstawowe równania opisujące świat nie zawierają czasu. Dopiero gdy rozpoczynamy pracę z nimi, wybieramy jedną zmienną, traktujemy ją jak zegar i opisujemy, jak reszta zmiennych ewoluuje względem niej.

M.B.: Jeśli upływ czasu rozumiemy jedynie jako efekt termodynamiczny, jak zrozumieć paradoksy spowodowane grawitacją?

C.R: – To można zrozumieć bez upływu czasu. Popatrzmy na to w ten sposób. Wskazówki tego zegara się obracają, a ta łyżka spada. Gdy łyżka spada, zegar zrobi trzy kroki. Weźmy inny zegar, który zaczął poruszać się w tym momencie bardzo szybko względem łyżki. Gdy wróci na miejsce, okaże się, że gdy łyżka spadła na ziemię, zrobił tylko dwa kroki. W żadnym momencie tego opisu nie wspominam czasu. Jedynie fakt, że gdy te dwa zegary nie poruszały się względem siebie, pokazywały to samo, a gdy zmieniliśmy ich pozycję, przestały pokazywać to samo. To wszystko opisujemy jedynie ich wzajemną pozycją względem siebie, bez przywoływania zmiennej czasowej. Bo czas tak naprawdę nie jest potrzebny.

prof. Carlo Rovelli Włoski fizyk teoretyczny. Studiował w Bolonii i Padwie, pracował we Włoszech i USA, obecnie wykłada w Centre de Physique Théorique na Université de la Méditerranée w Marsylii. Jest jednym z twórców pętlowej teorii grawitacji, nad którą pracują m.in. polscy uczeni pod kierownictwem prof. Jerzego Lewandowskiego.

Zachęcamy do lektury trzeciego wywiadu w serii dotyczącej kwantowej grawitacji. "Wielkie Odbicie zamiast Wielkiego Wybuchu"