Czasu doświadczamy inaczej niż przestrzeni. W przestrzeni możemy się zatrzymać i wrócić do miejsca zajmowanego wcześniej. Czas jednak uparcie zmierza naprzód. To, co się zdarzyło "przedtem", wpływa na to, co się wydarza "potem". Nigdy odwrotnie. Tę własność Wszechświata, przyczynowość, Biblia tak właśnie od czasów starożytnych opisuje, w przeciwieństwie do wówczas, w starożytności, dominujących na Bliskim Wschodzie sposobów myślenia o czasie. [1] Biblijny pogląd, że przyczynowość pochodzi od Stwórcy, został wsparty przez niedawne osiągnięcia uczonych, którzy poszukiwali odpowiedzi na pytanie, jak wygląda związek czasu i przestrzeni.
Biblia wyraźnie stwierdza, że Wszechświat, a w szczególności czas, miał początek. Trzy wielkie osiągnięcia nauki dwudziestego wieku potwierdzają to ujęcie: Einsteinowska ogólna teoria względności, odkrycie przez Hubble'a ekspansji Wszechświata oraz twierdzenia Hawkinga i Penrose'a na temat czasoprzestrzeni. Ale pomimo tych osiągnięć pozostała pewna irytująca zagadka.
W teorii względności grawitacja jest ściśle związana ze strukturą (geometrią) czasoprzestrzeni. Ruchy grawitacyjne są wywołane nie, jak myślał Newton, siłami grawitacyjnymi, ale odchyleniem geometrii od euklidesowości (zakrzywieniem czasoprzestrzeni). Teoria względności dotyczy wielkoskalowej struktury czasoprzestrzeni, nie dotyczy zachowania się cząstek subatomowych. To ostatnie wymaga teorii kwantowej. Mechanika kwantowa przedstawia prawa fizyki w skali mikro - w skali atomowej i cząstek elementarnych, ale pomija całkowicie efekty grawitacyjne. Uczeni zaczęli więc poszukiwać kwantowej teorii grawitacji, której zadaniem byłoby zbadanie obszarów między cząstkami elementarnymi, odnalezienie podstawowych składników czasoprzestrzeni i opisanie ich przy pomocy praw kwantowych.
Najgłośniejszą próbą dostarczenia kwantowej teorii grawitacji jest tzw. teoria strun. Według tej teorii istnieje mnogość konfiguracji czasoprzestrzennych o rozmaitych liczbach wymiarów i odmiennych prawach fizyki. Są to tzw. wszechświaty równoległe. Jednak teoretycy strun nie potrafią wskazać sposobu empirycznego stestowania swoich koncepcji. Jest to wyraźne odejście od dotychczasowego rozumienia naukowości, zaproponowanego przez Karla Poppera. Naukowe, wg tego filozofa nauki, są te teorie, które zakazują zajścia pewnych zdarzeń, a więc takie teorie, które - jeśli te zdarzenia nastąpią - zostaną obalone. Niektórzy filozofowie nauki wyrażają opinię, że żyjemy w okresie, gdy zmienia się rozumienie naukowości na takie, w którym empiryczna testowalność nie odgrywa już takiej roli, jak dawniej. Wypiera ją możliwość modelowania matematycznego, symulacji komputerowych itp. Opinię tę zaczyna podzielać coraz więcej osób.
Niedawno podjęto próbę ujawnienia własności czasoprzestrzeni inną metodą symulacji komputerowych, niż robią to teoretycy strun. [2] Zamiast budowania nadrzędnej teorii, obejmującej zarówno grawitację, jak i mechanikę kwantową, to alternatywne podejście stara się, używając podstawowych zasad mechaniki kwantowej, zbudować taką czasoprzestrzeń (dokładniej: zmodelować ją komputerowo), która przypomina nasz Wszechświat. W procesie tym gwarantuje się jedynie to, by powstała czasoprzestrzeń była zgodna z mechaniką kwantową, ale nie ustala się z góry ani liczby, ani kształtu jej wymiarów. Te własności same ujawniają się w trakcie modelowania.
Autorzy tego podejścia, wśród których jest polski fizyk Jerzy Jurkiewicz, wychodzą od niezwykle drobnych elementów czasoprzestrzeni (czterowymiarowych uogólnień trójkątów, tzw. czterosympleksów), jakby jej cegiełek, i stosują do nich znane prawa z teorii grawitacji i mechaniki kwantowej. W rezultacie cegiełki te same układają się w harmonijną strukturę, podobnie jak robią to cząsteczki w procesie samoorganizowania się kryształu.
Obiekty w bardzo małej skali zachowują się inaczej niż przedmioty, jakie widzimy wokół nas. Te ostatnie nazywa się obiektami klasycznymi, gdyż są opisywane w klasyczny sposób, przy pomocy dobrze określonego zbioru liczb. Inaczej jest z obiektami kwantowymi. Znajdują się one jednocześnie w różnych miejscach i poruszają z różnymi prędkościami. Stan układu kwantowego jest więc bogatszy niż stan układu klasycznego - jest sumą (fizycy mówią dokładniej: superpozycją) wszystkich możliwych układów klasycznych.
Jurkiewicz i jego współpracownicy badali, jakie są skutki superpozycji czasoprzestrzeni silnie zakrzywionych w bardzo małej skali. Okazało się, że takie wszechświaty są niestabilne. Fluktuacje kwantowe, czyli odstępstwa od klasycznego zachowania się, w przypadku omawianych czasoprzestrzeni nie znoszą się, lecz przeciwnie - najczęściej wzmacniają, co prowadzi do zgniecenia całej przestrzeni w małą kulę o nieskończonej liczbie wymiarów. Nawet gdyby taka przestrzeń miała olbrzymią objętość, odległość między dwoma dowolnymi jej punktami nie może być duża. W innych badanych przypadkach przestrzeń staje się bardzo cienka i rozciągnięta jak polimer z wieloma odgałęzieniami.
Chociaż wyjściowe cegiełki (czterosympleksy) miały cztery wymiary, ułożona z nich przestrzeń, w której dopuści się silne kwantowe fluktuacje, degeneruje się albo do takiej, która posiada nieskończenie wiele wymiarów (wszechświat zgnieciony), albo do takiej, która posiada tylko dwa wymiary (wszechświat polimerowy). Degeneruje się, gdyż w najmniejszym stopniu nie przypomina wszechświata, w którym żyjemy - dużego, gładkiego i czterowymiarowego.
Najwyraźniej czegoś brakowało w wyjściowych danych. Tylko czego? Teoria kwantowej grawitacji, którą rozwijał Jurkiewicz ze współpracownikami, miała charakter euklidesowy. Znaczy to, że wszystkie wymiary są traktowane na równych prawach. Budowane przez uczonych wszechświaty posiadały cztery wymiary przestrzenne, zamiast - jak jest w naszym wszechświecie - trzech wymiarów przestrzennych i jednego czasowego. Nie pozwala to na porządkowanie zdarzeń według relacji "wcześniej - później", co z kolei jest niezbędne dla związków przyczynowych, w których przyczyna jest wcześniejsza od skutku. W teorii względności (szczególnej i ogólnej) zasada przyczynowości obowiązuje, ale w euklidesowej kwantowej teorii grawitacji - już nie.
Wcześniejsi badacze euklidesowej kwantowej teorii grawitacji, jak Hawking, zakładali, że czas jest urojony i że przyczynowość w jakiś sposób sama pojawi się z kwantowych fluktuacji i ujawni w dużej skali. Najwyraźniej jednak mylili się. Żeby modelowana czasoprzestrzeń przypominała realny Wszechświat, należy do podstawowych cegiełek czasoprzestrzeni dołączyć jeszcze przyczynowość. Jurkiewicz ze współpracownikami przypisali każdemu sympleksowi tzw. strzałkę czasu, wskazującą kierunek od przeszłości do przyszłości, oraz tak sklejali sympleksy, by w sąsiadujących strzałki były tak samo skierowane. Dzięki temu zabiegowi cała czasoprzestrzeń zachowywała wspólne przemijanie czasu, czas płynął w wybranym kierunku, nie zatrzymując się ani nie zawracając.
Pierwsze uproszczone modele takiego budowania czasoprzestrzeni miały miejsce w 1998 roku. Bardziej złożone - w 2004 roku. Okazało się, że w tym ostatnim przypadku otrzymany numeryczny model czasoprzestrzeni dokładnie odpowiada temu, co obserwujemy w realnym świecie - czterowymiarowy wszechświat. Jeśli czas stale płynął w tym samym kierunku, to kwantowe fluktuacje krzywizny przestrzeni znosiły się w dużej skali, tworząc normalnie wyglądający wszechświat.
Wyniki tych badań mają dalekosiężne implikacje. Okazuje się bowiem, że strzałka czasu, która pozwala odróżniać przeszłość od przyszłości, pochodzi od czegoś spoza czasu i przestrzeni. Innymi słowy, coś spoza Wszechświata zakodowało związek przyczynowo-skutkowy w samej strukturze czasoprzestrzeni.
Pojęcia przeszłości i przyszłości wydają się każdemu oczywiste, ale nie są takie w perspektywie naturalistycznej. Podstawowe prawa fizyki funkcjonują tak samo niezależnie od kierunku czasu. Prawa te pozwalają przewidzieć stan układu w każdym dowolnie wybranym momencie czasu (przeszłym, obecnym czy przyszłym). Astronomowie na przykład mogą przewidywać zaćmienia Słońca, jakie dopiero zajdą, ale i te, które miały miejsce już dawno temu. Dla większości praw fizyki (poza termodynamiką) kierunek upływu czasu nie ma znaczenia. Ale ludzie znają przeszłość, żeby zaś znać przyszłość, muszą na nią poczekać.
Przy obecnych prawach fizyki życie wymaga wszechświata o trzech dużych wymiarach przestrzennych i jednym wymiarze czasu. Wszechświat z mniejszą ilością wymiarów przestrzennych uniemożliwiłby przestrzenną złożoność organizmów żywych. Ale z drugiej strony we wszechświecie z większą ilością wymiarów przestrzennych atomy oraz orbity planetarne stają się niestabilne - a jedne i drugie są istotne dla życia. Sytuacja, w której istnieje więcej niż jeden wymiar czasu, powoduje, że przyszłe i przeszłe stany układu nie wiążą się z teraźniejszością. Innymi słowy, hipotetyczny żywy organizm w takim wszechświecie nie znalazłby pożywienia ani nie uniknąłby niebezpieczeństwa, ponieważ przeszłość byłaby niepoznawalna, a przyszłość - nieprzewidywalna. Nałożenie przyczynowości na strukturę czasoprzestrzeni powoduje powstanie wszechświata z trzema dużymi wymiarami przestrzennymi i jednym wymiarem czasu. Przyczynowość umożliwia życie we Wszechświecie.
W XX wieku odkryto początek Wszechświata, co wskazuje na pochodzącą spoza przyrody przyczynę jego zaistnienia. Istnienie we Wszechświecie strzałki czasu również jest dowodem, że jakiś nadnaturalny czynnik wpłynął na strukturę czasoprzestrzeni, umożliwiając istnienie życia.
Marta Cuberbiller
(Jeff Zweerink, Ph.D., "Built-In" Causality Allows Universe's Habitability, "New Reasons to Believe" 2009, vol. 1, no. 2, s. 3-5)
Przypisy:
[1] R. Lair Harris, Gleason I. Archer, Jr., and Bruce K. Waltke (eds.), Theological Wordbook of the Old Testament, Moody Press, Chicago 1980, s.370-371.
[2] Jej popularne przedstawienie oraz dalszą bibliografię por. w: Jan Ambjorn, Jerzy Jurkiewicz i Renate Loll, "Samoorganizujący się kwantowy Wszechświat", Świat Nauki sierpień 2008, s. 26-33.
