Otwórz schowek Brak ulubionych odcinków
Czas – czy musi płynąć w jednym kierunku? | prof. Jerzy Lewandowski

Czas – czy musi płynąć w jednym kierunku? | prof. Jerzy Lewandowski

Nr 177
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Nr 177
Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Dodaj do ulubionych
Pobierz odcinek

Udostępnij odcinek

Gość odcinka

Profesor Lewandowski. Mężczyzna w średnim wieku, wysoki, w czerwonej marynarce i czarnym golfie. Łysy, w okularach o ciemnych oprawkach

prof. Jerzy Lewandowski

Kierownik Katedry Teorii Względności i Grawitacji w Instytucie Fizyki Teoretycznej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Prezes Polskiego Towarzystwa Relatywistycznego. Zainteresowania badawcze: ogólna teoria względności oraz jej modele kwantowe, pętlowa grawitacja kwantowa, geometria horyzontów czarnych dziur.

Czas to chyba największa zagadka fizyki – mówi na wstępie prof. Jerzy Lewandowski, specjalizujący się w fizyce relatywistycznej, gość tego odcinka. To dobrze, bo jest o czym rozmawiać, ale czasem było też trudno, bo na proste pytania fizyka nie ma prostych odpowiedzi. Albo wręcz nie ma ich wcale. – Teoria względności nie mówi nam wszystkiego – przyznaje naukowiec.

Prof. Jerzy Lewandowski jest kierownikiem Katedry Teorii Względności i Grawitacji w Instytucie Fizyki Teoretycznej, prezesem Polskiego Towarzystwa Relatywistycznego. Jednym z jego głównych zainteresowań są czarne dziury.

Proponuję więc wycieczkę w okolice czarnej dziury. – Powiedzmy, że jesteśmy oboje w statku kosmicznym, ja zostaję na orbicie wokół czarnej dziury, pan postanawia wreszcie zajrzeć do wnętrza tego tajemniczego obiektu – snuję wizję, a profesor na szczęście nie protestuje. – Ale im bliżej jest pan czarnej dziury, tym z mojej perspektywy pana czas płynie wolniej, wolniej się pan porusza – opowiadam. – Tak, jak mucha w smole – zgadza się fizyk. – Czy zatem skoro czarna dziura to ekstremalny obiekt, ekstremalnie spowalniający czas, kiedykolwiek zobaczę, jak wpada pan do środka? – pytam. – Otóż nie! – odpowiada zdecydowanie naukowiec. Co więcej, obserwujemy takie „zawieszenie” w przypadku dysków akrecyjnych, kiedy to czarna dziura przyciąga do siebie świecącą masę z pobliskiej gwiazdy.

To dziwne – przyznacie – zjawisko nie jest postulatem teoretycznym. Jest faktem. Im bliżej jesteśmy masywnego obiektu, tym wolniej płynie nasz czas – z perspektywy obserwatora, który jest dalej. Różnice są mierzalne nawet w przypadku zegarów przebywających w piwnicy i np. na 10. piętrze. To tzw. grawitacyjna dylatacja czasu. Ale zjawisko spowalniania upływu czasu istnieje również w układach podlegających przyspieszeniu (statek kosmiczny odlatujący od Ziemi; opowiada o tym słynny paradoks bliźniąt). Przy czym uwaga: w odbiorze osób żyjących w piwnicy albo pędzących w statku kosmicznym nic się nie zmienia, sekunda trwa tyle samo.

Różnica jest, kiedy dokona się porównania, odpowiednio z zegarem na piętrze i zegarem, który pozostał na Ziemi. Pamiętajcie: to jest ogólna teoria WZGLĘDNOŚCI. Nazwa nie jest przypadkowa. Chociaż nawet profesjonalistom trudno było w to uwierzyć.

– Kiedy wysłano zegarek na pokładzie rakiety kosmicznej, podobno nawet inżynierowie byli naprawdę ciekawi, czy będzie ta różnica. Fizycy, którzy znali teorię względności, wiedzieli, że sprawa jest jasna. I różnica była, doskonale zgadzała się z przewidywaniem obliczonym na podstawie wzorów teorii względności – opowiada prof. Lewandowski.

Posłuchacie o wpływie na nowe postrzeganie czasu (czasoprzestrzeni) Maxwella, Lorentza, Poincaré czy Minkowskiego. Einstein nie był w tej rewolucji sam.

Rozmawiamy w związku z tym, czy fizyka w istocie opisuje nam rzeczywistość, co ze zjawiskiem splątania kwantowego a brakiem jednoczesności, o tym, czy entropia (ogólnie mówiąc: wzrost chaosu) jest słusznie uważana za wyznacznik strzałki (kierunku płynięcia) czasu, a także o tym, czy czas był przed przestrzenią i czy w ogóle mogą istnieć niezależnie.

Polecam i zachęcam do wysłuchania w skupieniu.

 

TRANSKRYPCJA

Jerzy Lewandowski: W fizyce jest tak, że jak powstaje nowa teoria, to okazuje się też, że pewne sposoby myślenia są nieaktualne i że pewnych zjawisk nie ma.

Kiedy Albert Einstein wyszedł do świata z teorią względności, zachwiał rozumieniem czasu. Zabrał czas absolutny, zabrał jednoczesność. Nie istnieje żadne wspólne „teraz” dla nas wszystkich. Zostawił nas z kolei z szaloną dylatacją czasu czy dziwnym faktem, że istnieją takie zdarzenia, które nie są dla pewnego punktu odniesienia ani w przeszłości, ani w przyszłości. Na wiele pytań nie dał odpowiedzi. Czas to do dziś jedna z największych zagadek fizyki. Zapnijcie pasy, bo będziemy wędrować po teoriach fizycznych, ale wybierzemy się też w okolice czarnych dziur. Nazywam się Karolina Głowacka, to jest Radio Naukowe – działamy dzięki wsparciu na patronite.pl/radionaukowe. Bardzo dziękuję. Zaczynamy – odcinek numer sto siedemdziesiąt siedem. 

K.G.: Profesor Jerzy Lewandowski, kierownik Katedry Teorii Względności i Grawitacji na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego odwiedził studio Radia Naukowego. Dzień dobry, panie profesorze.

J.L.: Dzień dobry, pani redaktor, witam słuchaczki i słuchaczy.

K.G.: Wybitny specjalista w dziedzinie, prezes Polskiego Towarzystwa Relatywistycznego. Panie profesorze, po pierwsze dziękuję, że znalazł pan czas dla Radia Naukowego, a po drugie proszę mi wybaczyć, że rozpocznę może nawet trochę zużytym klasykiem, ale z drugiej strony nieprzypadkowo jest to cytat popularny. Mianowicie cytat ze świętego Augustyna: „Czymże więc jest czas? Jeśli nikt mnie o to nie pyta, wiem. Jeśli pytającemu usiłuję wytłumaczyć, nie wiem”. Czymże więc jest czas dla fizyka?

J.L.: Czas jest chyba największą zagadką fizyki. I być może zaczynając historię od końca, jest to zagadka, która nie zna wyjaśnienia we współczesnej fizyce.

K.G.: Nie zna wyjaśnienia w pełni – to zgoda, ale jakoś jednak się tym czasem operuje. Czas jest jednym z wymiarów?

J.L.: Kiedyś, zanim jeszcze zrozumiano, że należy opisywać czas przy pomocy tego, co dzisiaj nazywamy teorią względności, stosowaliśmy w fizyce zasadę podobną do świętego Augustyna, czyli po prostu nie zastanawiano się nad tym, co to jest czas. Wiadomo było, jak tego czasu używać i to wystarczyło. Może to jest jednak dobry moment, żeby zacząć od znaczenia słowa „zrozumieć”. Nie jestem psychologiem, więc nie będę za dużo mówił, ale nawet dla laika jest chyba zrozumiałe, że przez „zrozumieć” mamy na myśli, że coś nam przypomina jakieś znane sytuacje, w których wiemy, jak jest. Wobec tego „rozumieć” oznacza, że odwzorowujemy jakiś problem na znany, którego rozumieć nie potrzebujemy, bo każdy wie, jak jest. W fizyce przez „rozumieć” mamy na myśli istnienie pewnej prostej przyczyny, która się wyraża przez pewien prosty sposób obliczania czy przewidywania jakichś zjawisk, czy obliczania jakichś wielkości związanych z tymi zjawiskami i sposób, który zawsze działa, który pozwala nam przewidzieć zjawiska, czy ilościowo, czy jakościowo, nawet takie, których jeszcze nie widzieliśmy. Czyli np. nikt jeszcze nie mierzył albo nie mamy pod ręką wyniku pomiaru, jak leci kamień czy pocisk wystrzelony pod jakimś kątem z jakąś prędkością przy jakichś warunkach ośrodka. Umiemy obliczyć i możemy ufać naszym obliczeniom, bo rzeczywiście ten pocisk będzie tak leciał, to wtedy mówimy, że rozumiemy. Nawet jeżeli każdej linijki obliczeń nie staramy się jakoś zrozumieć, to na tym polega zrozumienie, ponieważ to wszystko działa. W ten sposób rozumiano czas. Wiadomo było, że trzeba w obliczeniach stosować jakieś równania i w tych równaniach występował czas. Wiadomo było, jak te równania napisać i jak je rozwiązać, więc po co było zadawać jakieś pytania? Wydawało się, że zadawanie pytań nie jest konieczne. Ale w pewnym momencie przyszedł rozwój fizyki, pojawiły się nowe teorie. Głównie była to teoria elektromagnetyzmu, którą Maxwell zunifikował, już w pełni wypisując równania, które opisują zarówno pole elektryczne, jak i magnetyczne oraz ładunki występujące. I wtedy okazało się, że czas w tej teorii nabiera innych własności, niż było to dotychczas. Że nie da się pogodzić własności, które miał czas w takiej zwykłej mechanice, jaką wcześniej doprowadzono do mistrzostwa i w której wszystko było zrozumiałe, z teorią Maxwella, z teorią pola elektromagnetycznego, w której są dosyć jasno zarysowane własności czasu, ale one są inne niż te własności w mechanice Newtonowskiej.

K.G.: To ciekawe, bo co takiego jest w elektromagnetyzmie, w tym, co zapisał Maxwell, co dotyczy czasu? Bo zwykle kojarzy się tę rewolucję tylko i wyłącznie z Einsteinem. Był Newton, po czym długo, długo nic, przychodzi Einstein i mówi, że z tym czasem jest inaczej. Newton mówił, że czas jest absolutny i Einstein mówi, że jest względny. A pan nam wprowadza nową postać w takim popularnym myśleniu.

J.L.: Co jest takiego innego w elektrodynamice? My rozróżniamy teorię takiego czystego pola elektromagnetycznego od pola elektromagnetycznego plus ładunki. W tym przypadku chodzi o to czyste pole elektromagnetyczne. Otóż z równań wynikło, że każda fala elektromagnetyczna ma tę samą prędkość, którą nazywamy prędkością światła. A wiemy z mechaniki, że to jest niemożliwe, żeby coś poruszało się ze stałą prędkością niezależnie od układu odniesienia. W tym momencie pojawiła się sprzeczność i później zrozumiano, że to nie jest tylko jakiś jeden epizod, jakiś jeden marginalny fakt, którego może nie rozumiemy, ale możemy przejść nad nim do porządku dziennego, tylko wyłoniła się cała nowa symetria. W fizyce zrozumiano – stoją za tym takie nazwiska jak Lorentz, później Poincaré – że czas transformuje się razem z przestrzenią w taki sposób, że nie można go oddzielić i wiedzieć, w jaki sposób się zmienił, tylko że czas wie również o tym, jakie było położenie w przestrzeni jakiegoś obiektu, zwłaszcza jeśli się zmieniało. I odkryto nową grupę transformacji.

Ta stara znana grupa to były po prostu obroty i ewentualnie transformacja do układu, który się porusza z jakąś prędkością. To taka prosta transformacja, wiadomo, że tam wtedy wszystko zaczyna jechać, no to trzeba dać temu wyraz we wzorach, że te położenia zaczynają się przesuwać z jednakową prędkością, a okazało się, że prawa pola elektromagnetycznego nie są niezmiennicze ze względu na taką grupę transformacji, tylko że trzeba te transformacje zmienić. No i Lorentz napisał, jak te transformacje zmienić, a Poincaré później już jako bardziej matematycznie ukierunkowany to zrozumiał. Zrozumiał, że odkryto w przyrodzie nową symetrię. I wtedy był taki moment zawieszenia, kiedy traktowano to troszkę jako taką ciekawostkę matematyczną, ale Poincaré i grupa teoretyków, którzy to rozumieli, postawili sprawę bardzo mocno, że to nie może być tak, że z jednej strony mamy tę mechanikę Newtonowską, która jest, jaka jest, a z drugiej, że mamy teorię pola elektromagnetycznego, która jest z nią sprzeczna. Skoro teoria pola elektromagnetycznego ma być słuszna, to trzeba w odpowiedni sposób przeformułować nasze rozumienie własności czasu i przestrzeni.

Einstein pojawił się właśnie jako taki młody człowiek, który podjął to wyzwanie. Oczywiście on później przedstawiał to troszeczkę inaczej – twierdził, że nie potrzebował teorii Maxwella, że nie potrzebował też później tego słynnego doświadczenia Michelsona-Morleya, które potwierdzało, że prędkość światła jest taka sama we wszystkich układach. On tego nie potrzebował, ponieważ sam z siebie to wiedział, już jako dziecko sobie wyobrażał, czy to jest możliwe, żeby zatrzymać światło i stwierdził, że nie. Może rzeczywiście tak było, ale dla mnie to by nie było wystarczające. I nawet jeśli Einstein naprawdę miał taką intuicję, to oczywiście chwała dla niego, ale jednak wydaje się, że odpowiednia kolejność była taka, że najpierw zrozumiano na gruncie badania teorii pola elektromagnetycznego, że jest taka własność czasu i przestrzeni, której wcześniej nie dostrzegano, a później Einstein pojawił się jako ten genialny, młody ochotnik, który powiedział: to ja w takim razie przeformułuję fizykę tak, żeby była prawidłowa. No ale oczywiście przeformułowanie całej fizyki to jest ogromne zadanie i dlatego właśnie trzeba być Einsteinem, żeby móc podołać.

K.G.: Faktycznie jakoś tak mam wrażenie, że w przestrzeni publicznej czy wśród osób, które się interesują fizyką nie na takim poziomie, jak pan, ale gdzieś tam starają się to zrozumieć, to jednak raczej ten Einstein faktycznie wygląda jak taki człowiek, na którego spadła iluminacja. Wszyscy mówili, że okej, działamy, pracujemy według Newtona, a nagle przychodzi Einstein i to kwestionuje. A tutaj właśnie widać, że każdy gdzieś tam jest na ramionach tych swoich kolegów i poprzedników. No to przychodzi Einstein i czy ma iluminację, czy nie, to inna rzecz, ale jednak przychodzi z pewnym rozwiązaniem. W takim razie czy to on skleja na stałe w fizyce czas z przestrzenią i powstaje czasoprzestrzeń? To on nam to mówi?

J.L.: Co dostał Einstein? Einstein dostał tzw. transformację Lorentza, która właściwie technicznie, matematycznie zawiera w sobie esencję tych nowych własności czasu i przestrzeni, tylko że Lorentz i inni traktowali to troszkę jako jakiś formalny wzór matematyczny.

K.G.: Czy skrócenie Lorentza to jest właśnie ta historia z tym, że można wsadzić dwudziestometrową belkę do dziesięciometrowej szopy? To jest to?

J.L.: Tak.

K.G.: To bardzo proszę o wyjaśnienie – jak to? [śmiech]

J.L.: Przez długi etap rozwoju teorii względności cała ta teoria sprowadzała się do transformacji z jednego układu do drugiego. Jest to też sposób, w jaki uczymy teorii względności w szkole, bo tak jest najłatwiej. I wtedy rzeczywiście jest wiele takich paradoksów, w których musimy wiedzieć, jak odpowiednio zadać pytanie, bo z jednej strony mamy jakiś jeden zespół położeń i czasu, a z drugiej strony jakiś drugi. Pytanie, jak my je mamy zastosować, żeby dokładnie opisać jakieś zjawisko, właśnie tak jak z tą szopą? I człowiekiem, który zrozumiał to poprawnie, był Minkowski, który zresztą wcześniej był nauczycielem Einsteina – może dlatego przywiązywał wagę do tych jego prac. Einstein definitywnie zrozumiał, że czas trzeba łączyć z przestrzenią, że nie można ich oddzielać. Ale to był Minkowski, który zrozumiał, co to znaczy, wprowadził pojęcie czasoprzestrzeni i nadał czasowi charakter czwartego wymiaru, który ma wiele podobnych cech do pozostałych trzech wymiarów, ale też ma pewne cechy, które odróżniają czas od tych pozostałych przestrzennych wymiarów. Tak jak wiemy, że jak opisujemy jakiś obiekt trójwymiarowy, np. wnętrze pokoju, studio, w którym jesteśmy, to można wprowadzić osie współrzędnych, poprowadzić współrzędną XYZ i napisać współrzędne krzesła, na którym siedzę, krzesła, na którym siedzi pani redaktor, ale to jest taki sposób analityczny, gdybyśmy chcieli coś obliczać. Ten sposób nie jest potrzebny do opisu geometrii, bo mamy takie pojęcia jak pojęcie odległości, którą możemy obliczyć przy pomocy współrzędnych, ale tak naprawdę ta odległość istnieje w jakiś sposób niezależny od tego, jakich współrzędnych użyjemy. I to właśnie zrobił Minkowski – wprowadził taką odległość czasoprzestrzenną, która wyraża się zarówno przez czas i przestrzeń w sposób niezależny od współrzędnych. Czyli i zależny, i niezależny. Niezależny w tym sensie, że nie zależy od tego, jakich użyjemy współrzędnych. Jeżeli rozumiemy, czym jest ta odległość, to zawsze obliczymy ją tak samo.

K.G.: Rozumiem – na tyle, na ile jestem w stanie bez aparatu matematycznego to zrozumieć – że w czasoprzestrzeni Minkowskiego teraz to są punkty w tej czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Czyli moje „teraz” jest jednak odrobinę inne od pana „teraz”. Chociaż w takim naszym codziennym rozumieniu jesteśmy oboje w tej samej teraźniejszości. Ale jeśli bylibyśmy takimi czepliwymi fizykami, to jak rozumiem, nasze „teraz” są minimalnie, ale jednak inne?

J.L.: Tak. Należałoby każde z nas opisywać w pewnym przybliżeniu, ale ignorując nasze rozmiary trójwymiarowe jako taką krzywą. Krzywą ze względu na to, że cały czas się przemieszczamy.

K.G.: W tym wymiarze czasowym?

J.L.: Tak. Nawet jak siedzimy sobie spokojnie na krześle i się nie ruszamy, i w takim podejściu Newtonowskim opisywalibyśmy naszą pozycję kropką, to w teorii względności zawsze się poruszamy po jakiejś trajektorii, ponieważ płynie czas. Czyli pani redaktor to jest jedna trajektoria, a ja druga. Nim tu przyjechałem, to nasze trajektorie w ogóle o sobie nie wiedziały, no ale jak pani do mnie dzwoniła, to z pani trajektorii wyleciały jakieś trajektorie do mnie i w końcu do mnie dotarły. Z tym że jak jesteśmy blisko siebie, blisko w sensie prędkości światła, czyli że bardzo szybko ten sygnał między nami dochodzi, to możemy pomijać fakt, że jest pewne opóźnienie i możemy zakładać, że właściwie istnieje coś takiego jak jednoczesność, czyli ja i pani rozmawiamy jednocześnie, w tym samym momencie. Ale nawet nie znając teorii względności, jest oczywiste, że gdybym był na Księżycu czy gdzieś jeszcze dalej, gdzie jest opóźnienie, to wtedy już byłoby wyraźne, że w pewnym momencie pani do mnie mówi, a w innym momencie dociera ode mnie odpowiedź, i że to już jest jakieś przesunięcie. Każdy jest taką trajektorią i jak te trajektorie się ze sobą komunikują, to z jednej do drugiej wysyłana jest jakaś inna trajektoria. Jak odpowiadam, to wysyłam do pani, jak się widzimy, to ja też cały czas emanuję jakieś światło, które dochodzi do pani, pani emanuje jakieś światło, które dochodzi do mnie. Jesteśmy trajektoriami i jest ten moment, kiedy punkt, w którym jedna trajektoria dostaje jakąś informację od drugiej, ale tutaj jest taki brak symetrii.

K.G.: Ale czy ta informacja jest konieczna? Bo ja pamiętam, jak jako dziecko dowiedziałam się, że jest ograniczona prędkość światła i że te gwiazdy, które widzę, mogą już nie istnieć. No i rozumiałam to tak, że one mogą nie istnieć w jakimś „teraz”, w tym „teraz”, w jakim ja funkcjonuję. Zakładałam więc, że może tamta gwiazda już nie istnieje, ale jest jednak jakieś wspólne „teraz”, tylko to światło leci sobie dłużej, ale to nie przeszkadza w tym, żeby istniało jakieś „teraz”, które znaczy, że ja sobie tutaj siedzę na Ziemi, a tej gwiazdy już w tym naszym wspólnym „teraz” nie ma. Ale rozumiem, że jednak nie ma czegoś takiego?

J.L.: Nie ma. Tutaj można stopniować to, jak źle jest z tym teraz. Po pierwsze według teorii względności nie ma czegoś takiego jak jednoczesność. Jeśli wybierzemy za punkt odniesienia jakieś jedno wydarzenie, czyli panią redaktor w danej chwili, która już minęła, to wtedy wszystkie inne wydarzenia, które istnieją, można podzielić na trzy grupy. Jedne to są takie, które są zdecydowanie w przyszłości od pani, czyli do których może dotrzeć od pani informacja. Druga klasa to są takie, które są w przeszłości, od których informacja może dotrzeć do pani, i jest jeszcze taka duża klasa wydarzeń, które nie są ani w przyszłości, ani w przeszłości. Nie można powiedzieć, które z nich są jednoczesne. To są wydarzenia, które są po prostu gdzieś daleko, chociaż nie muszą być aż tak bardzo daleko. Są po prostu za daleko, żeby informacja mogła od nich dojść z prędkością światła lub mniejszą.

K.G.: Czyli np. coś, co jest poza obserwowalnym Wszechświatem?

J.L.: Proszę zauważyć, że jednak przez słowo „Wszechświat” rozumiemy obiekt Newtonowski, czyli trójwymiarowy. Wszechświat to nie jest ta czasoprzestrzeń Einsteina. Wszechświat to jest pewien układ materii, np. gwiazd. I każda taka gwiazda się jakoś w czasie przesuwa. Zdarzeniem, które nie jest ani w przyszłości, ani w przeszłości jest np. gwiazda, która jest w takiej odległości i w takiej chwili czasu, z której nie mógł do nas ani od nas dolecieć sygnał świetlny. Ale to nie chodzi o to, że od nas nigdy nie mógł dolecieć, tylko od nas z tej chwili. To jest taki punkt, który jest niewidoczny w tej chwili. Często słyszymy, że widzimy jakąś gwiazdę, ale tak naprawdę to było ileś milionów lat temu. Nie widzimy, co było troszkę później. I to jest właśnie to wydarzenie, które nie jest ani w naszej przyszłości, ani w naszej przeszłości. Można by się zawsze upierać, że ono jest jednoczesne z nami, ale ono tak naprawdę nie jest jednoczesne. Tylko po prostu nie jest ani w przyszłości, ani w przeszłości. I już.

K.G.: Czy ja dobrze pamiętam, że w czasoprzestrzeni Minkowskiego rysuje się takie stożki? Nasze „teraz” jest punktem centralnym i mamy w dół w przyszłość i w górę w przeszłość. Czyli to, co nie jest ani w przyszłości, ani w przeszłości, jest poza tymi stożkami?

J.L.: To może być z nami pod wieloma względami uważane za jednoczesne, ale tak naprawdę to nie jest już taka jednoczesność. Jeśli weźmiemy dwa wydarzenia – jedno to ja teraz, a drugie to jakaś gwiazda, ale w takim momencie w swojej historii, którego my jeszcze teraz nie widzimy, ale też takim, do którego nie dochodzą od nas informacje, to można zawsze znaleźć obserwatora, który będzie myślał, że te dwa zdarzenia są jednoczesne, ale też będzie można znaleźć innego obserwatora, który będzie myślał, że jesteśmy troszkę w przyszłości względem tamtego, a można znaleźć jeszcze jednego obserwatora, który będzie myślał, że jest jeszcze odwrotnie, czyli że tamto jest w przyszłości.

K.G.: Czy pan się do tego przyzwyczaił?

J.L.: Tak, ponieważ przyzwyczajenie polega na tym, że wiemy, jak coś obliczać, jakie coś ma własności, więc jak już wiemy, to jesteśmy przyzwyczajeni. Muszę jeszcze podkreślić, że to nie chodzi tylko o takie liczenie jak dodawanie i odejmowanie, tylko o to, że wiemy, co i w jaki sposób liczyć. To jest najtrudniejsza rzecz w teorii względności – żeby dokładnie umieć od praw podstawowych każdy rachunek zapisać tak, żeby wiedzieć, że to, co się liczy, to jest właśnie to, co się miało liczyć.

K.G.: W pewnym sensie efektem przeciwzmarszczkowym jest mieszkanie na parterze, przynajmniej jeśli chcemy się porównywać z sąsiadami mieszkającymi na dziesiątym piętrze. Bo o ile dobrze rozumiem, czas płynie wolniej dla osób, które mieszkają na parterze w porównaniu z osobami, które mieszkają na piętrze, chociaż to nie znaczy, że wydłużymy odczuwany przez nas czas życia, bo on będzie taki sam, ale w porównaniu będziemy odrobinę młodsi. Wiem, że ten efekt jest mierzalny, że to jest fakt, a nie postulat, ale przecież to jest kompletnie szalone. Z czego to wynika?

J.L.: Przede wszystkim z teorii względności wynika, że nie ma czegoś takiego jak chwila czasu, nie można mówić, że jednocześnie dla wszystkich zdarzeń wszędzie ten świat płynie tak samo, ale czas ma jedną bardzo prostą własność, którą pani bardzo dobrze uchwyciła tym pytaniem, że każdy może mieć na ręku swój zegarek. Tylko teraz jest ważne, żeby to nie była komórka, bo komórka najczęściej pokazuje jakiś czas centralny – przyjeżdżamy do Szanghaju, włączamy komórkę, a komórka już wie, która jest godzina. Ale wie to nie dlatego, że sama mierzyła, tylko dlatego, że…

K.G.: To nie jest nasza godzina, tylko tego zegara.

J.L.: Tak. To musi być komórka odłączona od sieci, która mierzy swój czas – powiedzmy po staroświecku, zegarek. Więc każdy ma swój zegarek i ten zegarek mierzy nasz czas. Ale czas ma bardzo podobne własności i geometrycznie jest tym samym co długość krzywej. Więc nasze życie jest taką krzywą i tutaj teoria względności bardzo dokładnie, bez żadnych paradoksów pozwala nam obliczyć, jaki upłynął czas na naszym zegarku, wykonując rachunki podobne do wykorzystania twierdzenia Pitagorasa w takiej zwykłej przestrzennej geometrii. Z jedyną różnicą, że w tym twierdzeniu Pitagorasa Minkowskiego, które stosuje się w teorii względności, czas odejmuje się od przestrzeni, a nie dodaje. Albo innymi słowy, od czasu odejmuje się przestrzeń. To, co teraz powiedziałem, nie tłumaczy tak dobrze, dlaczego pole grawitacyjne wpływa na ten pomiar, ale tłumaczy, czym w ogóle jest czas. Nie można powiedzieć absolutnie, że ten czas płynie dla wszystkich, natomiast dla każdej takiej trajektorii płynie z bardzo dużą dokładnością i tak jak każdy samochód ma licznik, który pokazuje, ile samochód przejechał, tak ten nasz zegarek jest takim licznikiem, który mówi, jaką odległość przez czasoprzestrzeń przebyła nasza trajektoria. Ale to na razie dobrze tłumaczy, dlaczego czas zależy od prędkości. No bo rzeczywiście, skoro w tym wzorze Pitagorasa bierze się pod uwagę przesunięcie, to widać, że jeżeli się przesuwamy, to od tego czasu odejmie się to przesunięcie, czyli w sumie tego czasu trochę mniej przepłynie. Ale też nie widać, gdzie tu pole grawitacyjne. No więc pole grawitacyjne pojawia się w tym wszystkim w ten sposób, że czasoprzestrzeń jest zakrzywiona. I w istocie rzeczy nie wystarczy taki prosty wzór z pomocą wzoru Pitagorasa i pierwiastków, żeby nam dawał odległość. Zakrzywienie powoduje, że prawdziwa długość w tych różnych kierunkach jest opisywana. Trzeba jeszcze znać jakieś funkcje, które mówią, przez jaką funkcję trzeba pomnożyć to przesunięcie, żeby nam wyszła taka prawdziwa odległość. I tak naprawdę to już nie jest czysta geometria, tylko po prostu prawo fizyki. Czyli okazuje się, że ta odległość zależy od tego, czy jest grawitacja. Albo innymi słowy, że grawitacja jest właśnie oznaką tego, że czas płynie inaczej w różnych punktach i że to jest taka zakrzywiona zależność. Zmienia się od punktu do punktu, nie można ustalić tych przeliczników raz na całą czasoprzestrzeń.

K.G.: Podejmę pewne ryzyko, ponieważ postaram się opowiedzieć, jak to rozumiem, i zapytam pana, czy dobrze. Mamy czasoprzestrzeń, która akurat nie jest zakrzywiona, i wsadzamy tam masywne ciało, które dokonuje tego zakrzywienia. Jest to popularnie pokazywane w ten sposób, że mamy materiał i kładziemy na niego np. kulkę i to dokonuje zakrzywienia. Wiadomo, że to porównanie ma swoje ograniczenia, bo mamy więcej wymiarów w rzeczywistości, ale ono jednak pomaga. I pojawia się ta masa, która powoduje, że zmieniają się odległości w przestrzeni. Mamy światło, które pokonuje te odcinki w przestrzeni i zależnie od tego, ile de facto ma tej przestrzeni do pokonania, to bliżej tego masywnego ciała ma mniej do pokonania. Więc sekunda trwa krócej, a te fotony, które są dalej od masywnego obiektu, mają tam więcej do przebycia i dlatego ten czas płynie inaczej. Czy to o to chodzi? No bo jeśli prędkość światła jest stała i ona ciągle nam powraca w tej historii, to jakoś tak przyszło mi do głowy, że to z tego może wynikać.

J.L.: Uprawiając ogólną teorię względności, tak naprawdę w ogóle nie posługujemy się pojęciem prędkości – nie musimy się posługiwać. Oczywiście jak chcemy coś przetłumaczyć na język prędkości, to wiemy, jak to zrobić. Według teorii względności, zwłaszcza ogólnej, chociaż szczególnej też, prędkość światła wynika tylko z tego, że nauczyliśmy się inną jednostką mierzyć czas, a inną odległość przestrzenną. To C to jest tylko przelicznik, który mówi nam, jak przeliczyć jedne jednostki na drugie. Czyli mówi nam, że jeśli pomnożymy czas wyrażony w takich jednostkach, jakich używamy przez prędkość wyrażoną w tych jednostkach, to otrzymamy jednostkę długości, która odpowiada tej jednostce czasu. C pojawiło się tylko stąd, że jednak jest pewna różnica pomiędzy kierunkami czasowymi a przestrzennymi. I jeśli się nie doszło do tego, od czego zaczęliśmy naszą rozmowę, to wydaje się, że tę odległość w kierunkach czasowych należy mierzyć inną jednostką, która nie ma a priori związku z tym, jak mierzymy odległość. No a potem dopiero fizyka nam mówi, że nie, że mierzymy podobne wielkości tego samego rodzaju, a żeby móc je ze sobą porównywać, trzeba wprowadzić ten przelicznik. I ten przelicznik to jest to C. Ale światło odgrywa rolę w tej zakrzywionej czasoprzestrzeni i pani redaktor bardzo dobrze to ujęła. Mianowicie światło to są właśnie te stożki, które rysujemy. I rzeczywiście, możemy najlepiej charakteryzować tę geometrię czasoprzestrzeni, jeśli podamy punkt i jednocześnie podamy ten stożek. Bo wtedy wiemy, które punkty można połączyć wzdłuż stożka lub wewnątrz stożka, a których punktów nie można. Można powiedzieć, że grawitacja charakteryzuje się tym, że ten stożek jest albo podłużny, albo bardziej rozszerzony, i na tej podstawie można analizować, jak płynie czas. Jeszcze jedna rzecz związana ze światłem – wiemy, że im coś porusza się szybciej, tym dla tego czegoś wolniej płynie czas. Trzeba to oczywiście w odpowiedni sposób rozumieć. Ale jakby tego nie rozumieć, to dla światła czas w ogóle nie płynie.

K.G.: Czyli jakby ten bliźniak zapierniczał z prędkością światła, to w porównaniu ze swoim bratem, który by został na Ziemi, już w ogóle by się nie zestarzał.

J.L.: Dokładnie. Światło jest troszeczkę niebezpieczne, jeśli chodzi o pomiar czasu, ponieważ jakby foton miał taki swój zegarek, to by ten zegarek ciągle stał. Dla nas prędkość światła w języku geometrii czasoprzestrzeni to jest po prostu krzywa, wzdłuż której ta odległość nazywana czasem wynosi zero.

K.G.: A efekty tej dylatacji czasu są duże? Jeśli mówimy np. o Ziemi a astronautach, którzy sobie wiszą na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

J.L.: Dokładnie nie wiem, ale pamiętam, że zwykle takim rzędem wielkości, o jakim się mówi w tego typu problemach, jest dziesięć do minus dziewiątej sekundy. To jest taka charakterystyczna liczba. Dlaczego? Żeby GPS działał, trzeba brać pod uwagę to, że czas inaczej płynie na Ziemi, a inaczej gdzieś na satelicie, który krąży nad Ziemią. Wiemy, że te dokładności czy niedokładności, czy błąd, który by z tego wynikał, są rzędu dziesięciu do minus dziewiątej jednej nanosekundy.

K.G.: Co wydaje się niewiele, ale jak się pozbiera, to potem, jak wiemy, GPS-y muszą brać poprawkę na efekty relatywistyczne.

J.L.: Jak jest rakieta wystrzeliwana w Kosmos, to bardzo często jest też konkurs, co tam na tej rakiecie umieścimy, np. doniczkę z kaktusem – żartuję, brzmi to trochę prześmiewczo. Coś tam umieścimy i potem jak wróci na Ziemię, to patrzymy na to i a nuż zobaczymy jakąś różnicę. I za którymś razem zaproponowano, żeby umieścić zegarek, jak już były takie bardzo dokładne zegarki, i sprawdzić, czy rzeczywiście będzie różnica w tym, co on pokazuje. Podobno do ostatniej chwili wszyscy inżynierowie biorący udział w tym doświadczeniu byli naprawdę ciekawi, czy będzie ta różnica, czy nie. Oczywiście fizycy, którzy znali teorię względności, wiedzieli, że jasna sprawa, natomiast inni z zainteresowaniem oczekiwali powrotu tego zegarka, żeby zobaczyć i potwierdzić, że rzeczywiście czas płynął dla niego troszeczkę… Nie umiem powiedzieć, czy szybciej, czy wolniej, bo jest to nałożenie dwóch efektów. Jeden – nałożenie przesuwania się w czasie, a drugi to to, że ten zegarek był wyżej, wobec tego czas płynął tam troszeczkę szybciej. Niemniej jednak ta różnica bardzo dokładnie zgadzała się ze wzorem obliczonym z teorii względności.

K.G.: A dlaczego jest tak, że te efekty związane z dylatacją czasu są zarówno przy masywnych obiektach, jak i przy tym przyspieszeniu? Dlaczego przyspieszenie wpływa na nieodczuwanie czasu? Bo nasz czas wewnętrzny, lokalny nie zmienia się, kiedy jesteśmy w tej rakiecie, ale dla obserwatora z zewnątrz…

J.L.: Dla mnie to wynika w sposób całkowicie oczywisty ze wzoru. Proszę zauważyć, że jeśli chodzi o przyspieszenie, to tutaj jeszcze nie jest potrzebna fizyka. To jest efekt czysto geometryczny. Czyli możemy być w takiej pustej czasoprzestrzeni, gdzie nie ma żadnych ciężkich obiektów, których pole grawitacyjne trzeba brać pod uwagę. Jakiś testowy punkt czy zegarek może się poruszać z przyspieszeniem, ale wtedy to przyspieszenie nie występuje tam jako jakaś nowa, dodatkowa cecha, którą musimy brać pod uwagę. Można powiedzieć, że ten obiekt, który się porusza z przyspieszeniem, na takich krótkich odcinkach porusza się ze stałą prędkością. I my obliczamy ten czas na takich krótkich odcinkach, tylko że w sposób zależny od prędkości, a potem to dodajemy do siebie. Z tego wychodzi, jak się porusza pod wpływem przyspieszenia, i okazuje się, że rzeczywiście, to przyspieszenie powoduje, że ten czas płynie krócej i im to przyspieszenie jest większe. Ale to jest taki efekt czysto kinematyczny. To wynika po prostu z tej zwykłej dylatacji czasu przy przejściu do poruszającego się zestawu prędkości, tylko w takich małych kawałeczkach.

Natomiast drugie pytanie, dlaczego masa powoduje ten efekt – to jest właśnie to trudniejsze pytanie. To pierwsze pytanie to jest jeszcze tysiąc dziewięćset piąty rok i szczególna teoria względności, a to drugie pytanie z masą to już jest tysiąc dziewięćset piętnasty rok. I tutaj Einstein już dochodzi do tego, jak masa zakrzywia czasoprzestrzeń. Jeśli włączamy masę, to włączamy już jej oddziaływanie na czasoprzestrzeń. Pytanie, dlaczego masa tak oddziałuje na czasoprzestrzeń, że nakazuje nam w taki sposób liczyć odległość. Czyli, że taki jest przelicznik jakiegoś przesunięcia w jakiejś tam jednostce, takiej umownej. Żeby wyjaśnić, jak my to w ogóle liczymy – jeśli jest w środku jakaś masa, nic się nie dzieje i ona sobie jest, to można przyjąć czas obserwatora gdzieś bardzo daleko, gdzie już nie czuje tego przyciągania. I on ma swój zegarek. Jeżeli ta masa, która jest w środku, się nie obraca, to możemy stosować pojęcie jednoczesności i czas tego obserwatora, który jest daleko, z tym że to nie jest prawdziwy czas. To jest tylko taki czas porównawczy. Teraz możemy zbliżyć się do środka masy i pytać – to jak w takim razie ten czas, który tam płynie, wyraża się przez ten czas porównawczy daleko? Mamy po prostu wzór, który bardzo przypomina wzór Newtona. Tam też się pojawia wyrażenie „masa podzielona przez odległość”. I wiemy, że normalnie byłoby jeden, czyli według teorii nierelatywistycznej ten czas w nieskończoności płynąłby tak samo, jak czas bliżej. Ale w tym wzorze, który nam dał Einstein, okazuje się, że od tego jeden trzeba odjąć masę podzieloną przez R, może dokładnie dwie masy podzielone przez R. Są tam jeszcze jakieś inne wynikające z tego współczynniki i stała grawitacyjna, dokładnie tak jak we wzorach Newtona. I to jest ten prawdziwy czynnik, z którym należy brać pod uwagę czas w nieskończoności. Ale to już jest fizyka, która właśnie mówi, że masa działa tak, a nie inaczej – trudno powiedzieć dlaczego. To nie jest coś takiego, co można by wywnioskować. Można to wywnioskować z pewnych prostych zasad ogólnej teorii względności. Jest tutaj wnioskowanie, ale ono nie opiera się na jakiejś naszej intuicji, na czymś, co każdy by zrozumiał a priori, z czym się rodzi i rozumie, tylko to się opiera na pewnym genialnie zgadniętym prawie, którym są równania Einsteina. Są to właśnie równania na te przeliczniki, które mówią nam, jak prawdziwa odległość i prawdziwy czas zależą od takich odległości i czasów takiego obserwatora, który jest gdzieś bardzo daleko, gdzie to pole nie działa, oraz jak należy przeliczać te odległości i czas tego obserwatora daleko na takie prawdziwe.

K.G.: Jak wiemy, bardzo masywnymi obiektami są czarne dziury. Pan jest specjalistą w tym zakresie. Zróbmy sobie wycieczkę w pobliżu czarnej dziury. To nie jest tak, że ona nas wessie tak nagle, to jest bardziej skomplikowane. No ale powiedzmy, że jesteśmy w statku kosmicznym, ale ja zostaję na orbicie, a pan postanawia jako specjalista, powiedzmy, na koniec życia uznać: to ja chcę zobaczyć, jak to jest we wnętrzu tej czarnej dziury. Jak rozumiem, z mojej perspektywy pana czas płynie coraz wolniej. Jakbym mogła pana obserwować, to pan by się coraz wolniej poruszał, jak mucha w miodzie. Czy kiedykolwiek zobaczę, że pan znika za tym horyzontem zdarzeń?

J.L.: Nie. To jest taka własność, o której właściwie nie wiemy, czy w tym się kryje coś głębszego, czy nie. Bo to jest taki efekt czysto kinematyczny. Dzielę efekty na kinematyczne czy geometryczne, w których nie odgrywają roli prawa fizyki, tylko ta geometria. No i to jest właśnie taki kinematyczny efekt. Załóżmy, że jesteśmy w statku, który się utrzymuje na jakiejś wysokości nad Ziemią. Właściwie w tej chwili jesteśmy w takiej sytuacji, bo teraz nie spadamy do środka Ziemi, tylko jest tu takie ułatwienie, że jest powierzchnia Ziemi, która jest dosyć solidna jak na nasze potrzeby i ona nas utrzymuje nad środkiem. Ale co my robimy? Cały czas poruszamy się z przyspieszeniem. Gdybyśmy się nie poruszali z przyspieszeniem, swobodnie byśmy spadali. Ale z punktu widzenia teorii względności jest odwrotnie – to my poruszamy się z przyspieszeniem, czyli od czegoś uciekamy. Uciekamy od tego środka Ziemi. Akurat Ziemia nie jest czarną dziurą. Widzimy cały czas jej powierzchnię i te efekty są bardzo małe. Ale gdyby tutaj nie było tej powierzchni, gdyby skurczyć Ziemię do rozmiarów odpowiednich, żeby się stała czarną dziurą, to pojawiłaby się taka odległość, z której jak wysyłamy światło, to patrząc na taki wykres, co się dzieje, sytuacja wyglądałaby tak: poruszamy się cały czas z przyspieszeniem, uciekając od tego światła, a to światło próbuje nas dogonić. Więc jeżeli to światło wysyłamy z jakiejś pozycji nam troszeczkę bliższej, które jest jeszcze w tym obszarze, gdzie nie wytworzyła się czarna dziura, to mimo że cały czas uciekamy, to to światło nas dogoni. Ale im ten punkt, z którego wysłano światło, jest bliżej środka grawitacji, tym temu światłu jest trudniej nas dogonić. I jest takie graniczne położenie, z którego to światło już nas dogonić nie może.

Ale mogłaby być inna sytuacja, która też by miała ten sam skutek. Mianowicie, gdyby jakaś fala niosąca zagładę leciałaby na nas z prędkością światła, to wtedy wszystko, co by ogarnęła, to by ogarnęła i byłoby to zgładzone. No ale jakaś cywilizacja mogłaby sobie wyobrazić, że w takim razie zbudujemy statek, który będzie stale od tej fali uciekał. Mimo że ta fala leci na nas z prędkością światła, to jeśli jest daleko, to nie musimy mieć zdolności ruchu z prędkością światła, żeby utrzymywać się od niej w stałej odległości. Możemy ten efekt uzyskać, mając po prostu stałe przyspieszenie. I właśnie wtedy miałoby miejsce podobne zjawisko, że powierzchnia tej lecącej na nas fali zachowywałaby się jak powierzchnia czarnej dziury. Czyli jakbyśmy z naszego poruszającego się ze stałym przyspieszeniem statku chcieli zobaczyć, co ta fala robi z pochłanianymi przedmiotami, to nigdy byśmy tego nie zobaczyli. Widzielibyśmy tylko, jak ta fala się do niego zbliża, ale nigdy byśmy nie zobaczyli, jak ten przedmiot rzeczywiście za nią znika. Widzielibyśmy tylko ten przedmiot coraz wolniej, ale nie widzielibyśmy, że wpada. Ten przedmiot by coraz słabiej świecił. Widzielibyśmy po prostu coraz więcej przedmiotów, które z jakichś względów tak jakby się przykleiły do tej fali. Ale to nie jest tak, że te rzeczy naprawdę nie wpadają.

K.G.: Czyli wpadnie pan do tej czarnej dziury, tylko bym tego nie zobaczyła.

J.L.: Tak. Pani nigdy by nie zobaczyła, ale dla mnie wydarzenia potoczyłyby się bardzo szybko. Jedyny sposób, żeby pani mogła zobaczyć coś więcej… Jest pani w tym statku kosmicznym, który nie wpada do czarnej dziury, trzyma się nad tą dziurą i widzi pani, że jakieś różne przedmioty najpierw leciały szybko, a potem tak jakby się zamroziły i leciały coraz wolniej. W momencie, kiedy zacznie pani poruszać się w kierunku czarnej dziury, te przedmioty troszkę ożyją, ale też jeszcze nie wpadną. Dopiero w momencie, jak będzie pani będzie sama przekraczać powierzchnię czarnej dziury, to nagle zobaczy pani te wszystkie wpadające przedmioty. Gdyby jednak w ogóle pani nie decydowała się na ten statek, tylko po prostu była jednym z tych obiektów wpadających np. ze swoim długopisem do czarnej dziury, to jeśli spadałaby pani swobodnie, to cały czas widziałaby pani ten długopis i on by się ani na chwilę nie zatrzymał na powierzchni horyzontu. I w ogóle horyzont niczym by się nie różnił od jakichś innych punktów czasoprzestrzeni. Po prostu by pani leciała ze swoim długopisem i nagle znalazłaby się z nim pani po drugiej stronie tego horyzontu.

K.G.: Obserwujemy coś takiego jak dyski akrecyjne, czyli mamy czarną dziurę, a w pobliżu, powiedzmy, gwiazdę. Grawitacja czarnej dziury podkrada trochę masy gwiazdy i wokół czarnej dziury robi się taki świecący okrąg, koło, kula. I to jest tak, że my faktycznie nie obserwujemy tego, że ta masa jakkolwiek wpada do tej czarnej dziury? Widzimy ten efekt, że tego nie widać?

J.L.: Tak. Nie jesteśmy w stanie zobaczyć, że wpada. I to prowadzi do różnych pytań, zarówno czysto praktycznych – czy my naprawdę widzimy te czarne dziury – jak i bardziej filozoficznych – czy w takim razie istnieje coś, czego nigdy nie zobaczymy? Ale na to drugie pytanie odpowiedź jest bardzo prosta, przynajmniej jeśli ta teoria jest prawdziwa. Gdybyśmy jednak wsiedli w statek kosmiczny i tam polecieli, to zobaczylibyśmy, że to wpada.

K.G.: Ale to musi być strasznie jasne. Bo jak rozumiem, te fotony się tam gromadzą i jest jasno. A jakbyśmy przekroczyli ten horyzont, to nagle widzielibyśmy je jednak w środku?

J.L.: Tak. Wtedy byśmy zobaczyli wszystko, co tam wpada. Trudno powiedzieć, jak tam się widzi. Na początku nie widzielibyśmy różnicy, bo horyzont – szczególnie w przypadku astronomicznej czarnej dziury, która jest bardzo duża – niczym się nie wyróżnia. Nawet byśmy niczego nie zauważyli. Jedyna różnica, jaka jest, to to, że na zewnątrz czarnej dziury czasoprzestrzeń jest stacjonarna. Czyli mimo że ta czarna dziura nas przyciąga, to jednak jeśli potrafimy się temu przyciąganiu przeciwstawić, to nic się nie zmienia. Natomiast pod horyzontem czarnej dziury cała czasoprzestrzeń się zapada. To jest tak, jakbyśmy wskoczyli do rzeki, która leci już nieuchronnie do jakiegoś wodospadu i z każdą chwilą jesteśmy gdzie indziej, jest inne pole grawitacyjne, w inną stronę nas rozciąga, wydłuża, ściska, zgniata.

K.G.: Jak to jest z tym, że nie istnieje jednoczesność, a istnieje zjawisko splątania kwantowego? Pyta o to pan Andrzej, jeden z patronów Radia Naukowego. Pytanie brzmi: czy to jest prawo natury? I co w takim razie ze zjawiskami natychmiastowymi, np. splątaniem kwantowym? Czyli mamy splątane kwantowo dwie cząstki, jedną wysyłamy hen daleko, one są w pudełkach. Otwieramy jedno – następuje kolaps, wiemy, czym jest to, co mamy w jednym pudełku, i natychmiast wiemy, co jest w tym pudełku hen daleko. No to to jest jednoczesność czy nie jest?

J.L.: Teoria, w ramach której mówimy o stanach splątanych, to jest mechanika kwantowa. Mechanika kwantowa ma swoją wersję, która jest zgodna z teorią względności, która się nazywa mechanika relatywistyczna. Krótko mówiąc, to są dwie różne teorie, które opierają się na różnych założeniach i stosują się do różnych sytuacji. Moim ulubionym porównaniem jest jak jakiś kraj, taki jak Polska, pod koniec lat osiemdziesiątych przechodzi z systemu niewolnego rynku do systemu wolnorynkowego. I nagle nadal obowiązują te stare prawa, ale też wchodzą prawa nowe. To jest troszeczkę złośliwe porównanie – wiemy, że wtedy niektórzy ludzie potrafili wymyślić bardzo wiele różnych ciekawostek, które normalnie się nie dzieją. Tu jest trochę podobna sytuacja, że stosujemy jednocześnie dwa sposoby myślenia i dwie teorie, które tak naprawdę się dobrze jednocześnie nie stosują. Bo tam, gdzie się jedna zaczyna, druga się kończy.

K.G.: Proszę się nie obrazić, ale opowiada mi pan o teoriach, a ja bym chciała wiedzieć, jak jest. Rozumiem, że fizycy posługują się teoriami, bo tak musi to wszystko funkcjonować, ale w tym momencie obudziło się we mnie jakieś takie dziecko, które chce powiedzieć: ale jak jest naprawdę, a nie we wzorach? 

J.L.: Mogę na to bardzo jasno odpowiedzieć. W fizyce jest tak, że po prostu pytania, które zadajemy, najczęściej też opierają się na pewnej teorii czy na pewnej fizyce, tylko takiej, która się dobrze sprawdza w zakresie, który widzimy. Wobec tego zadajemy pytanie, które można zadać w obrębie tych zjawisk, które normalnie obserwujemy, i chcemy, żeby to pytanie miało odpowiedź też w tym języku. W fizyce jest tak, że jak powstaje nowa teoria, czyli jak zaczynamy rozumieć pewne nowe fakty o otaczającym świecie, to okazuje się też, że pewne sposoby myślenia są nieaktualne i że pewnych zjawisk nie ma. I że po prostu nie można o nie spytać, bo pytamy o coś, czego nie ma. Więc ja od razu powiem, jak nie jest. Nie jest tak, że mamy w pudełeczku jakieś dwa obiekciki i gdzieś jest podobne pudełeczko i też jakieś dwa obiekciki, i w momencie, kiedy spojrzeliśmy i dokonaliśmy pomiaru, i okazało się, że jeden ma spin do góry, a drugi na dół, to że jeszcze chwilę wcześniej nie było wiadomo o tamtym pudełeczku, a w momencie, jak dokonaliśmy pomiaru, to tam coś nagle się ustaliło odwrotnie. Bo po prostu nie ma innego jednoczesnego punktu, nie ma tej jednoczesności. Wobec tego taki obraz splątania jest obrazem niesłusznym. Ludzie, którzy dokonują doświadczeń w ramach teorii kwantowej, mierzą to, co mierzą. I to jest to, co przewidują, że zmierzą. Ale to, co mierzą, nie jest takie proste, jak to, co powiedzieliśmy. Nie można w ten sposób przekazać jakiejś informacji – z prędkością większą niż światło – mimo że to splątanie i rozplątanie jest faktem.

K.G.: Czyli dla cząstek w tych pudełkach dalej nie ma jednoczesności?

J.L.: Nie ma, jeżeli w grę wchodzi ogólna teoria względności, czyli jej efekty. To po prostu nie jest tak. Jest jakoś inaczej. Rzecz polega na tym, że jeśli robimy doświadczenia z teorii kwantowej, to w tych doświadczeniach wszystko wychodzi tak, jak należy. Mamy teorię, która dobrze opisuje to, co potem mierzymy, i jest tak, jak przewidziała. Tylko że po prostu taki obrazek jak jednoczesne tam rozplątanie się stanu z dokonaniem tutaj pomiaru nie istnieje.

K.G.: Trudne to jest, wie pan? [śmiech]

J.L.: Tak naprawdę to troszeczkę problem polega na tym, że zakres zasad teorii względności nie jest dobrze połączony z zakresem zasad mechaniki kwantowej. Raczej należy do tego stosować kwantową teorię pola, więc w obrębie, w której nie wchodzi w grę przyciąganie grawitacyjne. Czyli jeśli tylko chcemy uwzględnić fakt, że czas i przestrzeń tworzą jedną czasoprzestrzeń, to dobrze rozumiemy kwantowe własności świata połączone z własnościami relatywistycznymi, ale już z tego połączenia wynika dla nas bardzo istotna informacja, że mechanika nie jest właściwym opisem – właściwym opisem jest kwantowa teoria pola. Mechanika kwantowa to jest tylko przybliżenie kwantowej teorii pola, którą się bardzo dobrze stosuje do opisu rzeczywistości, ale z pewnymi ograniczeniami. Jeżeli chcemy zadać pytanie, w którym bardzo silny jest zarówno ten aspekt relatywistyczny, jak i aspekt kwantowy, to musimy od mechaniki kwantowej przejść do kwantowej teorii pola.

K.G.: Która bierze pod uwagę zarówno mechanikę kwantową, jak i szczególną teorię względności, tak? A nie ogólną – bo od razu zaznaczę tym, którzy zakrzykną, że przecież nie ma połączenia – nie ma, ale właśnie z ogólną teorią.

J.L.: Ale już nie jest mechaniką kwantową. To już jest kwantowa teoria pola, to już jest coś innego. W mechanice kwantowej jest dobrze określone położenie. To znaczy, mechanika kwantowa nam mówi, jakie są ograniczenia na dokładność pomiaru tego położenia, ale przynajmniej pojęcie położenia jest dobrze określone i można o nie pytać. Natomiast w kwantowej teorii pola pojęcie położenia nie jest już dobrze określone, czyli innymi słowy, jest to coś, o co nie pytamy.

K.G.: Czy dla fotonów istnieje czas? Pan Bartosz o to pyta – „Czym dla obserwatora, jakim jest foton, jest czas? Z tego, co wyczytałem z książek popularnonaukowych, foton nie odczuwa upływu czasu, ale z naszej perspektywy przemieszczanie się fotonu z punktu A do punktu B trwa jakiś czas. Jeżeli foton został wyemitowany w galaktyce i po milionie lat świetlnych dotarł do mojej siatkówki, to czy dla niego moment emisji i trafienia do tej siatkówki to jest ta sama chwila”?

J.L.: W jakimś sensie to jest ta sama chwila. Wydaje się, że w takim razie w ogóle nie można myśleć o fotonie jako o jakimś obserwatorze. Jedni się poruszają z taką prędkością, a on ma tak, że się porusza akurat z prędkością światła. Być może teoria względności mówi nam po prostu, że taki obserwator nie może się poruszać z prędkością światła, bo rzeczywiście jego zegarek by stał w miejscu. Muszę tutaj dodać takie zastrzeżenie – pomimo że tak jest w przypadku fotonów, istnieje dla nich pewien substytut upływu czasu. I to jest taki inny czas. Jeśli słucha to ktoś, kto zna geometrię, to jest to tzw. czas afiniczny. Dla fotonu ma wiele własności prawdziwego czasu. I rzeczywiście, jak opisujemy trajektorię, po jakiej mógłby poruszać się foton, to często używamy właśnie takiego czasu. To jest wiadomość, że jest coś takiego pośredniego, co wprawdzie nie daje upływu czasu, ale jest takim substytutem jego mierzenia, z tym że ten czas afiniczny nie jest jednoznacznie określony. Można go pomnożyć przez dowolną liczbę i nadal go używać. Można powiedzieć, że fotony nie znają skali – może to jest lepsze określenie. Czyli taki foton mógłby jakoś sobie mierzyć ten czas, istnieje taki geometryczny czas, który nazywa się czasem afinicznym, ale ten czas nie ma zadanej skali. Wobec tego foton mógłby sobie całe życie używać jakiegoś jednego czasu, ale równie dobrze mógłby używać takiego przemnożonego o milion i wszystko byłoby takie samo.

K.G.: Ale co jeśli taki foton np. wpada do ośrodka – bo jak mówimy „prędkość światła”, to mamy na myśli prędkość światła w próżni – jakim jest woda? Skoro przemieszczałby się trochę wolniej, to ten zegarek by mu odrobinę ruszył? 

J.L.: Tak naprawdę to, że światło przemieszcza się wolniej w ośrodku, to jest efekt pozorny. Ten ośrodek składa się z jakichś małych drobinek i nadal porusza się między nimi z prędkością światła taką samą jak w próżni, tylko to jest taka efektywna prędkość, którą widzimy, bo światło, oddziałując z tym ośrodkiem, będzie się jakoś między tymi drobinkami zatrzymywać. I na skutek tego wychodzi inna prędkość.

K.G.: Czy dla elektronów, protonów, w ogóle świata cząstek elementarnych, tego mikroświata istnieje czas?

J.L.: Tak. To jest inne bardzo dobre pytanie, bo do tej pory rozmawialiśmy o tym, jakie własności ma czas z punktu widzenia takich obszarów rzeczywistości, w których trzeba stosować teorię względności, a teraz pytamy o takie obszary rzeczywistości, w których z kolei w grę wchodzi mechanika kwantowa. Nie ma jakiejś jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie. Po pierwsze, wiedząc, że gdzieś tam jest ta teoria względności, można zawsze powiedzieć, że na skutek efektów tej teorii czas ma inne własności niż Newtonowskie. Ale teraz jest jeszcze inne pytanie. Załóżmy, że taki czas naprawdę istnieje. To jeśli istnieje, to w jaki sposób możemy go mierzyć? Bo jeżeli czegoś nie możemy mierzyć, to właściwie powiedzenie, że to coś istnieje, jest troszeczkę na wyrost. No więc pytanie, jak możemy w mechanice kwantowej ten czas mierzyć. Staroświeckie podejście jest takie, że okej, jest tutaj jakieś zjawisko kwantowe, ale my jesteśmy klasyczni i sobie mierzymy takim normalnym, zwykłym zegarkiem. No ale tutaj jest pytanie, czy ten czas jest na poziomie mikroskopowym i co by to oznaczało. To by oznaczało, że jeżeli chcemy mierzyć czas na poziomie mikroskopowym, to musimy mieć jakiś mikroskopowy zegarek i mierzyć metodą porównawczą. Czyli jest jakiś stan kwantowy i porównujemy czy opisujemy jego własności w zależności od własności innego stanu kwantowego. Ale własności tego innego stanu mogą się zmieniać. Mowa jest tutaj nie tylko o stanie, ale też o jakimś układzie. Mamy jakiś stan kwantowy jednego układu kwantowego, np. jakiegoś elektronu lub atomu i ten zegarek, który mierzymy, jest jakimś innym atomem czy innym kwantowym układem i porównujemy. Jesteśmy w stanie opisać ten czas tylko porównawczym. Czyli porównujemy, w jaki sposób ewoluuje ten jeden układ w porównaniu z ewolucją innego układu. Ale ewolucja tego innego układu też może być – i pewnie będzie – kwantowa. Wobec tego to nie będzie już taki czas płynnie zmieniający się, tylko to może być czas, który bardzo silnie zależy od tego, jaki wybraliśmy. Czyli innymi słowy, ten czas może zależeć od tego, jaki sobie wybraliśmy kwantowy zegarek. Kwantowe zegarki mogą być bardzo różne – jedne mogą przesuwać się w sposób skwantowany, inne mogą robić to płynniej. I to jest jakieś ograniczenie, które teoria kwantowa narzuca, jeżeli chcemy potraktować czas w taki sposób doświadczalny, operacyjny, że chcemy mieć taką definicję czasu.

K.G.: Co takiego jest w czasie jako wymiarze, że nie mogę się w nim cofnąć? Mogę pójść do przodu, mogę zrobić krok do tyłu w przestrzeni, mogę podskoczyć. Wy, fizycy, mówicie mi, że czas jest wymiarem. To dlaczego nie mogę się w nim poruszać?

J.L.: Tutaj doszliśmy do takiego problemu, na który teoria względności ani żadna inna teoria nie dała nam do końca rozwiązania. W każdym razie fundamentalne teorie nie dają nam na to rozwiązania. Właściwie teoria względności nas cofnęła, przesunęła nas wstecz, jeśli chodzi o zrozumienie tego pytania. No bo w obrębie teorii Newtonowskiej też nie wiemy, dlaczego, ale przynajmniej wiemy, że tak jest, że po prostu jest jakieś „teraz” i już. Natomiast według ogólnej teorii względności nie ma czegoś takiego jak bezwzględne „teraz” dla wszystkich, ale pozbawiając nas tego „teraz”, nie wytłumaczyła nam zupełnie, dlaczego w takim razie jakieś „teraz” jest przynajmniej dla każdego z nas. Ja mam jakieś swoje „teraz”, pani ma jakieś swoje „teraz”, każdy inny obserwator ma jakieś swoje „teraz”. Nawet nie możemy powiedzieć, że mamy jednocześnie swoje „teraz”, ponieważ nie ma czegoś takiego jak jednocześnie. Więc niestety te teorie, które mamy, opóźniły nas w zrozumieniu tego.

K.G.: Czyli odpowiedź na moje pytanie, dlaczego nie mogę się cofnąć w czasie, jest taka, że pan nie wie?

J.L.: Mówię, że współczesna fizyka w miarę swojego rozwoju utrudniła nam zrozumienie tego. Przynajmniej ogólna teoria względności odsłania pewne nowe własności, ale utrudnia nam zrozumienie starych. Ale są pewne koncepcje, dlaczego tak jest, tylko nie są one dobrze uzasadnione. To są takie podejrzenia. Jednym z nich jest to, że być może czas jest taką własnością makroskopową, czyli własnością układów opierających się na podobnych prawach jak prawa termodynamiki. W skrócie te prawa wynikają z tego, że na nasz stan składają się jakieś bardzo drobne, skomplikowane zależności, stopnie swobody. Czyli, że takich mikroskopowych stanów, które opisujemy jako jeden stan, jest bardzo, bardzo dużo i w jakimś statystycznym sensie własności takiego bardzo skomplikowanego stanu muszą zmierzać w jednym kierunku, a nie mogą w innym, bo takie coś byłoby zupełnie nieprawdopodobne. Innymi słowy, tak jak entropia, mimo że takie mikroskopowe prawa są symetryczne ze względu na kierunek czasu i zawsze można odwrócić, i coś, co leciało w górę, będzie lecieć w dół z taką samą prędkością, to jeśli już takich cząstek jest bardzo, bardzo dużo i one w troszeczkę przypadkowy sposób zostały wybrane, to okazuje się, że one lecą w kierunku statystycznie bardziej prawdopodobnym. To jest taka statystyczna definicja czasu, że być może czas bierze się stąd, że świat jest bardziej skomplikowany i na to, co widzimy, wpływają jakieś różne bardzo duże stany mikroskopowe. Ale kontrargumentem typowym dla takiego sposobu tłumaczenia jest tzw. kot Schrödingera. Statystyczny opis może się stosować zarówno do jakichś drobnych stanów kwantowych, jak i do stanów klasycznych, nie ma różnicy. W każdym razie nie na tym różnica polega. Ale zawsze jest ten argument: no dobrze, ale możemy mieć jakiś taki detektor, który mierzy drobniutki, pojedynczy, prawdziwy stan mikroskopowy i jeżeli dla tego stanu czas będzie płynął wstecz, to możemy od razu przetłumaczyć to na nasz język. Czyli innymi słowy, jakiś efekt kwantowy albo zabił kota, albo nie. Z jednej strony jest ten efekt mikroskopowy, ale może on powodować efekt makroskopowy. I jeżeli coś jest prawdą dla tych efektów mikroskopowych, to również zostaje przełożone.

K.G.: Ten efekt kwantowy powoduje uwolnienie jakiegoś gazu dla tego nieszczęsnego kota. I on przez godzinę jest jednocześnie żywy i martwy. 

J.L.: Tak, więc jeżeli próbujemy to, że czas płynie w jedną stronę, tłumaczyć tym, że jest to własność wielu, wielu stanów, to ktoś zawsze może powiedzieć: ale być może potrafimy wybrać jeden malutki stan, przyjąć jego własność i przetłumaczyć, i on zdeterminuje jakąś własność naszego urządzenia pomiarowego. I wtedy byśmy mogli zobaczyć, że czas płynie w drugą stronę, gdyby taka teoria czasu była prawdziwa. To jest słabość takiej teorii.

K.G.: Ale to by znaczyło, że ta pojedyncza cząstka lokalnie mogłaby się w swoim świecie cofnąć w tym czasie?

J.L.: Powiedzmy. Drugi sposób takiego niestandardowego tłumaczenia czasu, czyli nieodwołującego się do tego, że czas to jest zjawisko wynikające z podstawowych praw, tylko że to jest jakieś takie zjawisko wynikające z tego, co się dzieje, czyli np. własność stanu. Pytanie, czy czas to jest własność podstawowa natury, czy jest to pewna własność jakichś stanów? My akurat jesteśmy w takim stanie, że Wszechświat się rozszerza przez cały czas od wybuchu, więc być może to jest właśnie ten czas.

K.G.: No bo czy czas by istniał w pustym Wszechświecie? Nie ma żadnej masy, nic się nie dzieje, jest sobie czasoprzestrzeń. Czy w ogóle coś takiego istnieje? Czy tak naprawdę przestrzeń i czas to jest relacja między obiektami? Bo czytałam, że jest też taka koncepcja.

J.L.: Tak, fantastycznie pani to ujęła. Czas zrozumieć jest bardzo trudno na bardzo wielu poziomach. Mechanika kwantowa czy jakiś mikroświat. Ale jeśli sprawdzić w ogólnej teorii względności, to tutaj sytuacja jest wręcz beznadziejna. Ogólna teoria względności mówi, że jeśli weźmiemy pod uwagę cały system, cały układ, włącznie ze wszystkimi wchodzącymi w skład tego układu częściami, to nie ma czegoś takiego jak czas. Po prostu ten układ jest, jaki jest i nie możemy powiedzieć o czymś takim jak jego ewolucja w czasie, bo ten czas jest już tam jakby wewnętrznie zamontowany. Czym w takim razie jest czas? Bo jest jakaś rzeczywistość, my w rzeczywistości mierzymy czas. I to jest właśnie ta względna zależność różnych części tego układu. Czyli, jeżeli porównujemy własności jednej części tego układu z własnością jego innej części, to wtedy w miarę jak się zmienia własność jednej części układu, który pełni funkcję zegara, wtedy z jakąś szybkością zmienia się własność tej drugiej części i wtedy ta druga część odczuwa to jako upływ czasu.

K.G.: Czyli ja się starzeję wyłącznie w kontekście.

J.L.: Tak. [śmiech] Według ogólnej teorii względności.

K.G.: Bo to nie jest tak, że czasoprzestrzeń jest taką pustką, w której istnieją obiekty. Nie tak mamy to rozumieć.

J.L.: Nie. Nawet jak czasoprzestrzeń jest pusta, to jest wypełniona polem grawitacyjnym. Więc według teorii względności efekt czasu jest względny. Czyli jedne części tego układu względem drugich części zmieniają swoje własności.

K.G.: Ale to wszystko brzmi tak abstrakcyjnie i dziwacznie. Podchodzę do tego lustra, no i widzę, że się zmieniam, widzę, że moje dziecko rośnie, że ludzie się starzeją. To co to jest, jeśli nie jakiś konkretny upływ czasu? Zdejmuję pana z teorii i każę zmierzyć się z rzeczywistością. [śmiech]

J.L.: Ja żyję w tej samej rzeczywistości. [śmiech] Po prostu ogólna teoria względności tutaj nie wystarczy. Ona mówi, że właściwie można by ten czas wybrać dowolnie. I daje nam konsystentny opis przy dowolnym wyborze. A rzeczywistość nam pokazuje, że coś w świecie dokonuje tego wyboru i sprawia, że właśnie taki wybór tego czasu jest dokonany. Czyli, że istnieje jeszcze jakiś inny mechanizm, który niekoniecznie jest w sprzeczności z teorią, tylko którego teoria nam nie dostarcza, który trzeba zrozumieć, znaleźć.

K.G.: Nie do końca rozumiem powiązania strzałki czasu, czyli właśnie kierunku, w którym płynie czas, że zasadniczo się starzejemy, a nie nagle młodniejemy, z entropią. Ja entropię w sposób popularyzatorski rozumiem tak, że chodzi o prawdopodobieństwo, że teoretycznie jak uderzę szklanką o ziemię, to ona się rozbije i chaos, nieporządek wzrośnie. Jest bardzo mało prawdopodobne, żeby ona się sama skleiła z powrotem i uporządkowała. I to ma być ta strzałka czasu. Tylko dlaczego nie bierze się pod uwagę tego, że Wszechświat się uporządkował w jakieś struktury i to się wydarzyło w czasie? Najpierw były te wszystkie cząstki, a teraz my sobie tutaj siedzimy jednak jako względnie uporządkowane organizmy. Ja tego nie rozumiem.

J.L.: Te części układu, które się porządkują, robią to dzięki temu, że oddziałują ze sobą. Czyli w przypadku, o którym pani powiedziała, jak Wszechświat ewoluuje, to dzięki temu, że jest – już może nawet nie wnikając w najbardziej wyrafinowane teorie, co tam się działo na samym początku – jakiś gaz, jakaś materia we Wszechświecie, to na skutek przyciągania grawitacyjnego ta materia się ze sobą skleja. Można sobie wyobrazić, że mamy rozpuszczoną jakąś substancję, ale ona ma skłonności do tworzenia zawiesiny, do sklejania się w jakieś większe kawałki. No więc wszędzie, gdzie dostatecznie blisko siebie były takie kawałki materii, połączyły się ze sobą w gwiazdy, w galaktyki, w nas. I to uporządkowanie w znaczny sposób wzrosło. Ale wzrosło kosztem tego, że w innych częściach Wszechświata z kolei drastycznie zmalało.

K.G.: Czyli statystycznie, patrząc szeroko, ten chaos dalej rośnie?

J.L.: Tak. Podsumowując, cały chaos z całego Wszechświata rośnie, ale skupiając się na jakimś małym kawałeczku, można powiedzieć, że fabryka produkuje jakieś piękne, foremne urządzenia, dzięki którym rośnie porządek, ale jednocześnie produkuje dużo zanieczyszczeń, przez które zanieczyszcza otoczenie.

K.G.: Ale czytałam też, że są bardzo poważni fizycy, którzy mówią, że wiązanie strzałki czasu z entropią jest niesłuszne i trzeba poszukać innej możliwości.

J.L.: Tak. Bo to wszystko jest na zasadzie hipotezy. Po prostu poszukujemy pewnych zjawisk we Wszechświecie, w których widzielibyśmy tę strzałkę. No i właśnie ten wzrost nieuporządkowania jest takim zjawiskiem.

K.G.: Bo w wielu obszarach tego nie widzimy. Mówiliśmy o tym, że to jest bardzo często odwracalne.

J.L.: Tak. No i właśnie wadą tego opisu jest to, że to jest wzrost totalnego nieporządku, natomiast nie ma to charakteru lokalnego. A jednak czas płynie lokalnie, więc zgadzam się ze sceptycyzmem, ponieważ to jest tylko hipoteza, że być może dałoby się jakoś opisać czas właśnie w ten sposób. Rozumiem, że może być ktoś, kto widzi trudności i sądzi, że są one tak duże, że ten pomysł nie jest właściwy.

K.G.: Zmierzając do końca, dwa pytania. Pan Paweł: „Co było wcześniej? Odkąd jest czas, a odkąd przestrzeń?”. I pan Kamil: „Czy czas płynie tak samo? Czy np. dwa miliardy lat temu mógł płynąć wolniej?”.

J.L.: Oczywiście, że czas może płynąć z różnymi prędkościami.

K.G.: Ale nie ma takiego ogólnego czasu. Bo wydaje mi się, że w tym pytaniu pana Kamila jest jednak wizja, że ponad Wszechświatem jest taki zegar, który mierzy, jak on się rozwijał. Ale wiem, z czego to się bierze, bo przecież opowiada się o tym, że Wszechświat powstał czternaście miliardów lat temu, więc tak jakby był ten jakiś absolutny czas.

J.L.: No właśnie, dokładnie ten sam trop chciałem podjąć. Z jednej strony mamy bardzo ogólne prawa dotyczące w założeniu wszystkich możliwych sytuacji, ale z drugiej strony mamy ten jeden Wszechświat, w którym wszyscy żyjemy. Czy możemy np. mówić, jakby było w jakimś innym Wszechświecie, skoro innego Wszechświata nie ma, skoro jest tylko ten jeden? Być może w ogóle nie ma sensu wykraczanie poza nasz Wszechświat. A jeżeli mamy nasz Wszechświat, to się go trzymajmy, trzymajmy się jego własności i tłumaczmy wszystko jedynie jego własnościami. To jest takie podejście na wpół kosmologiczne. No i to prawda, wtedy pan Kamil ma rację. Rzeczywiście, wydaje się, że w miarę upływu czasu było rozszerzanie się, a Wszechświat rozszerzał się z różnymi prędkościami. Wobec tego można interpretować to w ten sposób, że to nie Wszechświat rozszerzał się z różnymi prędkościami, tylko rozszerzał się cały czas tak samo, a ten czas płynął różnie.

K.G.: A pytanie pana Pawła – odkąd jest czas, a odkąd przestrzeń? Trudno skonstruować to pytanie, no bo jak zadać pytanie, co było wcześniej: przestrzeń czy czas, skoro w tym samym pytaniu jest już założenie o istnieniu czasu? Ale ludzie zadają sobie takie pytania: czy istniał jakiś czas przed Wielkim Wybuchem? Fizyk może tu coś powiedzieć?

J.L.: Rozumiem, że w sformułowaniu pytania „przed” wyróżniamy już pewną rolę czasu, a wydaje się, że czas był związany z tą przestrzenią, więc właściwie wygląda na to, że nie było czegoś takiego jak najpierw sam czas, a potem dopiero dołączyła przestrzeń, tylko że było wszystko razem.

K.G.: Panie profesorze, czy pan jako człowiek, a nie fizyk nie ma takiego wrażenia, że ustalenie współczesnej fizyki, dylatacja czasu, relatywizm, mechanika kwantowa, splątanie, te wszystkie upiorne żywe i martwe jednocześnie koty osuwają nam grunt spod nóg? Bo nasze doświadczanie rzeczywistości jest zasadniczo inne od tego, co fizyka proponuje w teoriach, ale też mierzy. Wiele z tych efektów jest po prostu mierzalnymi faktami. Jak to jest?

J.L.: Odpowiedź fizyka, a nie człowieka jest taka, że zawsze należy opisywać świat w jakiejś skali. Skala to nie tylko zakres odległości, ale także zakres prędkości, temperatur. No i nasza intuicja działa bardzo dobrze w pewnej określonej skali, która odpowiada warunkom na powierzchni Ziemi, które tu panują, od kiedy wytworzyło się życie. Ale istnieją inne warunki, inne układy mogą być w innych warunkach i wtedy mamy jakieś zupełnie inne zjawiska, których sami byśmy nie wymyślili, gdybyśmy nie wiedzieli, że tak jest. Po prostu tak jest. To jest odpowiedź typu wszystko jest w porządku, proszę siedzieć spokojnie w domu, my tutaj czuwamy.

Ale jest też inna odpowiedź, która być może jest troszeczkę bardziej anarchizująca, że jest inne niepokojące zjawisko w nauce – coraz częściej potwierdzamy jakieś fakty pośrednio. Przykład – wszyscy wiemy, że odkryto boską cząstkę Higgsa. Tak naprawdę tej cząstki nikt nie zobaczył, nie potwierdził jej istnienia, łapiąc ją. Obserwowaliśmy pewne zjawiska i ustaliliśmy, że nie potrafimy ich inaczej wytłumaczyć, jak tylko tak, że brała w nich udział cząstka Higgsa. Czyli na gruncie istniejących teorii tłumaczymy te zjawiska, nawet bardzo dobrze, ale pod warunkiem, że gdzieś wystąpiła ta cząstka Higgsa. W podobny sposób mówimy np. o tzw. wartości stałej Hubble’a, czyli z jaką szybkością rozszerza się Wszechświat. To też ustalamy, porównując to, co obserwujemy z pewnymi modelami. Mamy jakiś standardowy model, w który wierzymy w tym sensie, że on się bardzo dobrze sprawdza i tłumaczy wszystko, co może tłumaczyć, i na jego podstawie potrafimy przełożyć obserwację na obliczenie pewnej wielkości. Ale my tej wielkości tak naprawdę nie obserwujemy.

K.G.: Czyli to jest pytanie, czy zajmujecie się rzeczywistością? 

J.L.: Dokładnie. W rzeczywistości mierzymy coś innego, a następnie patrzymy na różne teoretyczne opisy i mówimy: żeby te wszystkie modele były prawdziwe, stała Hubble’a musi wynosić tyle i tyle. Ale jeżeli ktoś nas przekona, że tak naprawdę to jest jeszcze jakiś inny model i że to właśnie on jest prawdziwy, to wtedy te same obserwacje i pomiary, które robimy, możemy zinterpretować w inny sposób. Więc przykład pomiaru bezpośredniego to jest np., to, że rzucamy kamień, liczymy, ile leciał i jeśli rzucimy go z jakiejś większej wysokości, to możemy nawet ustalić później jakieś prawa, w jakich odcinkach czasu, jakie odległości przemierzał. I to jest taki pomiar bezpośredni, my to wszystko widzieliśmy na własne oczy. Ale takie pomiary coraz trudniej wykonać w fizyce. Najczęściej widzimy coś, a następnie modele mówią nam, że tam był ten kamień. No i jeżeli te modele są prawdziwe, to miało miejsce to i to. Ale zawsze w pewnym momencie okazuje się, że coś w tych modelach nie grało i wtedy mamy wielki wrzask, bo okazuje się, że jest ciemna materia. Bo nagle te modele, które były, nie wystarczą do tego, nie potrafią opisać tego, co się dzieje, więc znajdujemy na to ciekawą nazwę, która oznacza, że jest coś, czego te modele nie dotyczyły.

K.G.: Panie profesorze, dziękuję panu za tę wycieczkę intelektualną, również w okolice czarnej dziury. To była wielka przyjemność. Profesor Jerzy Lewandowski.

J.L.: Dziękuję bardzo.

Dziękuję serdecznie za uwagę. A ta uwaga była potrzebna – czas i współczesne teorie fizyczne to nie jest łatwa materia. Ale przy tym wszystkim jakże jest to frapujące. Zostawcie komentarze, jestem bardzo ciekawa waszych odczuć. A w kolejnym odcinku wielki powrót do Radia Naukowego – wystąpi profesor Robert Wiśniewski. A mówić będzie o apokryfach opowiadających o dzieciństwie Jezusa i Maryi. A trzeba wam wiedzieć, że w jednym z takich apokryfów mały Jezus był bardzo nieprzyjemny, mówiąc oględnie. Kto i po co pisał takie teksty? To już w odcinku numer sto siedemdziesiąt osiem. A tymczasem do usłyszenia.

Dodane:
3,4 tys.

Gość odcinka

Profesor Lewandowski. Mężczyzna w średnim wieku, wysoki, w czerwonej marynarce i czarnym golfie. Łysy, w okularach o ciemnych oprawkach

prof. Jerzy Lewandowski

Kierownik Katedry Teorii Względności i Grawitacji w Instytucie Fizyki Teoretycznej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Prezes Polskiego Towarzystwa Relatywistycznego. Zainteresowania badawcze: ogólna teoria względności oraz jej modele kwantowe, pętlowa grawitacja kwantowa, geometria horyzontów czarnych dziur.

Obserwuj Radio Naukowe

Ulubione

Skip to content