Tytuł oryginału

SOMETHING DEEPLY HIDDEN

Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime

Copyright © 2019 by Sean Carroll

All rights reserved

Projekt okładki

Magdalena Palej

Ilustracje na okładce

© Nikolay Trebukhin/unsplash.com;

yellow_dust/Shutterstock.com

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8234-541-4

Warszawa 2020

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Wszystkim myślicielom na przestrzeni wieków,

którzy ze słusznych powodów

uparcie trwali przy głoszonych ideach

PROLOG

NIE MA SIĘ CZEGO BAĆ

Nawet ludzie z doktoratem z fizyki teoretycznej mogą czuć się nieswojo w obliczu mechaniki kwantowej. Odrobina lęku jednak nie zaszkodzi.

Może wydawać się to dziwne. Mechanika kwantowa jest najlepszą teorią świata mikroskopowego, jaką udało nam się stworzyć. Opisuje siły natury decydujące o oddziaływaniach atomów i cząstek, formułując niezwykle precyzyjne przewidywania odnośnie do wyników eksperymentów. Niewątpliwie cieszy się opinią dziedziny trudnej, tajemniczej, trochę magicznej. Spośród wszystkich ludzi jednak kto jak nie naukowcy zawodowo zajmujący się fizyką powinni w obliczu takiej teorii czuć się stosunkowo komfortowo? Nieustannie wykonują skomplikowane obliczenia dotyczące zjawisk kwantowych i budują gigantyczne urządzenia mające służyć testowaniu przewidywań formułowanych przez tę teorię. Chyba nie sugerujemy, że fizycy przez cały ten czas zmyślali?

Nie, nie zmyślali, ale też nie byli ze sobą całkowicie szczerzy. Z jednej strony mechanika kwantowa jest sercem i duszą współczesnej fizyki. Astrofizycy, fizycy cząstek, naukowcy zajmujący się atomami i laserami – wszyscy przez cały czas wykorzystują mechanikę kwantową i są w tym bardzo dobrzy. Nie jest to tylko kwestia uprawiania ezoterycznych badań. Mechanika kwantowa jest wszechobecna w nowoczesnych rozwiązaniach technologicznych, stanowi bowiem podstawę działania półprzewodników, tranzystorów, układów scalonych i kości pamięci komputerowych. W tym kontekście jest niezbędna, aby zrozumieć najbardziej podstawowe właściwości otaczającego nas świata. Chemia jest dziedziną, która w gruncie rzeczy w całości opiera się na stosowaniu mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa jest nieodzowna, gdy chcemy zrozumieć, skąd się bierze blask Słońca i dlaczego stoły są ciałami stałymi.

Wyobraź sobie, że zamykasz oczy. Robi się ciemno. Możesz sądzić, że jest to logiczne, do oczu bowiem nie dociera światło. Nie do końca jest to jednak prawda. Światło z zakresu podczerwieni, o nieco dłuższej długości fali od światła widzialnego, nieustannie emitowane jest przez każde rozgrzane ciało, także przez nasz organizm. Jeżeli nasze oczy byłyby wrażliwe na światło w zakresie podczerwieni, tak jak na światło widzialne, to już samo światło emitowane tylko przez nasze własne gałki oczne sprawiałoby, że nawet mimo opuszczonych powiek blask byłby oślepiający. Tak się jednak składa, że pręciki i słupki, pełniące funkcję receptorów światła w naszych oczach, są sprytnie wrażliwe na światło widzialne, a nie na podczerwień. Jak to możliwe? Ostatecznej odpowiedzi udziela mechanika kwantowa.

Mechanika kwantowa to nie magia. Jest to najbardziej pogłębiona, najbardziej wyczerpująca wizja znanej nam rzeczywistości. Zgodnie z obecnym stanem naszej wiedzy nie jest ona przybliżeniem prawdy, ona jest prawdą. Mogłoby się to zmienić w obliczu zaskakujących wyników eksperymentów, lecz na razie nic nie wskazuje, abyśmy mieli natknąć się na takie niespodzianki. Trwający od wczesnych lat XX wieku rozwój mechaniki kwantowej, z którym związane są takie postaci, jak Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger i Dirac, zaowocował ukształtowaniem się do 1927 roku dojrzałego wyobrażenia na temat natury, które bez wątpienia jest jednym z największych intelektualnych osiągnięć w historii ludzkości. Mamy wszelkie podstawy do dumy.

Z drugiej strony wciąż nam w uszach dzwonią pamiętne słowa Richarda Feynmana: „Sądzę, że mogę bezpiecznie stwierdzić, iż nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”. Wykorzystujemy mechanikę kwantową do projektowania nowych technologii i przewidywania wyników eksperymentów, jednak fizycy szczerze przyznają, że tak naprawdę nie rozumiemy mechaniki kwantowej. Dysponujemy formułą, którą możemy bezpiecznie stosować w pewnych ściśle określonych sytuacjach i dzięki której uzyskujemy niewyobrażalnie precyzyjne przewidywania, triumfalnie potwierdzane przez wyniki eksperymentów. Jeśli jednak zechcesz drążyć głębiej i pytać, co rzeczywiście się dzieje, uzyskasz odpowiedź: zwyczajnie nie wiemy. Fizycy przejawiają tendencję do traktowania mechaniki kwantowej jak bezmyślnego aparatu, na którym polegają, gdy przychodzi wykonać określone zadania, a nie jak drogiego sercu przyjaciela, na którym im zależy osobiście.

Taka postawa ludzi zawodowo związanych z nauką odciska swoje piętno na tym, jak mechanika kwantowa jest objaśniana szerszej publiczności. Naszym podstawowym celem byłoby uzyskanie pełnego obrazu natury, ale nie jesteśmy w stanie tego osiągnąć, ponieważ wśród fizyków brak porozumienia w kwestii, jak zasadniczo brzmi przekaz mechaniki kwantowej. Zamiast szukać platformy porozumienia, popularyzatorskie próby skupiają się na podkreślaniu, jaka to mechanika kwantowa jest tajemnicza, zbijająca z tropu, niemożliwa do zrozumienia. Taki przekaz jest niezgodny z podstawowymi zasadami leżącymi u podstaw nauki, wśród których jest pogląd, iż świat jest w fundamentalny sposób zrozumiały. Kiedy w grę wchodzi rozumienie mechaniki kwantowej, napotykamy coś w rodzaju mentalnej blokady. Do jej przełamania potrzebujemy lekkiej terapii kwantowej.

*   *   *

Studentów poznających mechanikę kwantową naucza się wielu regułek. Niektóre z nich wyglądają znajomo: jest to matematyczny opis układów kwantowych i objaśnienie, jak takie układy ewoluują wraz z upływem czasu. Jest jednak jeszcze garść dodatkowych reguł, które nie mają odpowiedników w żadnej innej teorii fizycznej. Te dodatkowe reguły mówią nam, co się dzieje, gdy układ kwantowy jest obserwowany, a zachowanie to jest zupełnie inne, niż gdy ten sam układ nie jest obserwowany. Co, do licha, z tym zrobić?

Zasadniczo istnieją dwie możliwości. Jedna jest taka, że przekazywana studentom powiastka jest żałośnie niekompletna i żeby mechanika kwantowa mogła być zakwalifikowana do grupy poważnych teorii, musimy zrozumieć, czym jest „pomiar” lub „obserwacja” oraz dlaczego nam się zdaje, że tak radykalnie odmieniają one zachowanie układu. Druga możliwość wygląda inaczej. Może mechanika kwantowa odzwierciedla gwałtowne zerwanie z dawnym sposobem myślenia o fizyce, przejście od poglądu, zgodnie z którym świat istnieje obiektywnie i niezależnie od tego, jak go postrzegamy, do punktu widzenia, w którym jakimś sposobem akt obserwacji ma fundamentalne znaczenie dla natury rzeczywistości.

W każdym z tych dwóch przypadków podręczniki powinny koncentrować się na dogłębnej analizie obu możliwości i otwarcie przyznawać, że choć mechanika kwantowa odnosi ogromne sukcesy, nie można powiedzieć, iż jej rozwój jest już zakończony. Próżno szukać tego na ich stronach. W większości kwestia ta jest przemilczana, ich autorzy wolą pozostawać w strefie typowego dla fizyków komfortu, wypisując równania i nakazując studentom szukanie rozwiązań.

To żenujące. A jest coraz gorzej.

Przyglądając się tej sytuacji, można byłoby odnieść wrażenie, iż dążenie do zrozumienia mechaniki kwantowej jest jedynym, najważniejszym celem całej fizyki. Do badaczy w fundacjach zajmujących się fizyką kwantową powinny płynąć miliony dolarów w postaci grantów, wokół rozwiązania problemu powinny się skupiać najtęższe umysły, najważniejsze pomysły powinny się wiązać z nagrodami i rosnącym prestiżem. Uniwersytety powinny wyrywać sobie czołowych przedstawicieli tej gałęzi nauki, przebijając konkurencję przyprawiającymi o zawrót głowy apanażami godnymi gwiazd filmowych.

Smutne, ale nic z tych rzeczy. We współczesnej fizyce poszukiwanie zrozumienia mechaniki kwantowej nie tylko nie jest postrzegane jako szczególnie nobilitujące, lecz w wielu kręgach nie mówi się o nim z szacunkiem, ale wręcz otwarcie się nim pogardza. Na większości wydziałów nie ma nikogo zajmującego się tym problemem, a naukowcom, którzy zdecydowali się z nim zmierzyć, towarzyszą podejrzliwe spojrzenia kolegów. (Całkiem niedawno, gdy pisałem wniosek o udzielenie grantu, poradzono mi, abym się skupił na opisaniu moich prac w dziedzinie grawitacji i kosmologii, dziedziny te bowiem uważa się za godne poważnego naukowca, natomiast całkowicie przemilczał te dotyczące podstaw mechaniki kwantowej, przez nie bowiem sprawiałbym wrażenie mniej poważnego). Przez ostatnie dziewięćdziesiąt lat wykonano wiele ważnych kroków naprzód, jednak na ogół odpowiadały za nie silne osobowości, które mimo zapewnień ze strony kolegów miały świadomość, że problemy są ważne, albo młodzi studenci, którzy z problemów nie zdawali sobie sprawy i później całkowicie wycofywali się z tej dziedziny nauki.

W jednej z bajek Ezopa lis zauważa soczystą kiść winogron i chce po nie sięgnąć, ale nie jest w stanie do nich doskoczyć. Sfrustrowany stwierdza, że winogrona zapewne były kwaśne i tak naprawdę nigdy ich nie chciał. Lis to „fizycy”, a winogrona to „rozumienie mechaniki kwantowej”. Wielu badaczy zdecydowało, że zrozumienie tego, jak w rzeczywistości działa natura, nigdy tak naprawdę nie było ważne. Liczy się tylko zdolność do formułowania określonych przewidywań.

Naukowcy są kształceni, aby cenić konkretne wyniki, nieważne, czy w grę wchodzą ekscytujące rezultaty prac eksperymentalnych, czy kwantytatywne modele teoretyczne. Pomysł, że warto zajmować się zrozumieniem teorii, która już została opracowana, nawet jeśli wysiłek ten może nie prowadzić do żadnych nowych technologii lub przewidywań, może być mało przekonujący. Związane z tym napięcie dobrze zilustrował program telewizyjny The Wire, w którym grupa pracowitych detektywów całymi miesiącami skrupulatnie gromadziła dowody przeciw potężnemu gangowi handlarzy narkotyków. Tymczasem ich szefowie stracili cierpliwość do takiej niemrawej zabawy. Chcieli mieć na stole narkotyki, aby pochwalić się sukcesem na następnej konferencji prasowej, nakłaniali więc policję do podejmowania gwałtownych działań i przeprowadzania spektakularnych aresztowań. Agencje i komitety zarządzające grantami zachowują się jak ci szefowie. W świecie, w którym wszelkie bodźce popychają nas w stronę konkretnych, wymiernych rezultatów, mniej naglące zagadnienia związane z szerszą perspektywą mogą być spychane na bok, podczas gdy śpiesznie dążymy do osiągnięcia kolejnego doraźnego celu.

*   *   *

Zawarłem w tej książce trzy główne myśli. Pierwsza z nich sprowadza się do stwierdzenia, że mechanika kwantowa powinna być zrozumiała – nawet jeśli obecnie wciąż nam do tego daleko – i osiągnięcie tego zrozumienia musi być dla współczesnej nauki celem o najwyższym priorytecie. Pośród wszystkich teorii fizycznych mechanika kwantowa w unikatowy sposób kreśli wyraźną granicę między tym, co widzimy, a tym, co jest naprawdę. Stanowi to szczególne wyzwanie dla umysłów naukowców (i wszystkich innych ludzi), którzy przywykli do myśli, że to, co widzimy, bez żadnych komplikacji jest „realne”, i przyjęli to za punkt wyjścia w dążeniach do objaśnienia zjawisk. Wyzwanie to nie jest jednak nie do przezwyciężenia. Jeśli uwolnimy nasze umysły od pewnego staromodnego i opartego na intuicji sposobu myślenia, przekonamy się, że mechanika kwantowa nie jest beznadziejnie mistyczna lub niewytłumaczalna. To tylko fizyka.

Drugie przesłanie jest następujące: dokonaliśmy autentycznie dużego postępu na drodze do zrozumienia. Skupię się na podejściu, co do którego mam wrażenie, że wyraźnie jest najbardziej obiecujące – sformułowaniu mechaniki kwantowej w ujęciu wieloświatowym Everetta. Teoria wieloświatowa została entuzjastycznie przyjęta przez wielu fizyków, ale dorobiła się podejrzanej reputacji wśród osób, które odstręcza mnożenie innych rzeczywistości zawierających ich wierne kopie. Jeżeli jesteś jedną z nich, chciałbym cię przynajmniej przekonać, że teoria wieloświatowa jest najczystszym sposobem na wydobycie sensu z mechaniki kwantowej – aby do niej dotrzeć, wystarczy w poważnej analizie zjawisk kwantowych podążać po linii najmniejszego oporu. W szczególności Wieloświat jest przewidywany przez formalizm, który już funkcjonuje, nie jest czymś dodanym ad hoc. Jednak teoria wieloświatowa nie jest jedynym uznawanym podejściem, dlatego napomkniemy również o niektórych najważniejszych konkurencyjnych rozwiązaniach. (Dołożę starań, aby zachować uczciwy obiektywizm, jeśli nie konieczną równowagę). Ważne jest to, że wszystkie te różne koncepcje są dobrze skonstruowanymi teoriami naukowymi, z potencjalnie odmiennymi konsekwencjami eksperymentalnymi, a nie wywołującymi mętlik w głowie „interpretacjami”, o jakich można podyskutować przy koniaku i cygarze, gdy już skończymy prawdziwą pracę.

Trzecia myśl podkreśla wagę tego wszystkiego, i to nie tylko dla integralności nauki. Dotychczasowe sukcesy istniejącej struktury mechaniki kwantowej, zadowalającej, ale nie do końca idealnie spójnej, nie powinny przesłaniać nam faktu, że w pewnych okolicznościach i do pewnych zadań takie podejście jest zwyczajnie niewystarczające. W szczególności kiedy chodzi nam o zrozumienie natury samej czasoprzestrzeni, poznanie pochodzenia i losów Wszechświata, podstawy mechaniki kwantowej nabierają absolutnie kluczowego znaczenia. Przedstawię pewne, co prawda nieśmiałe, ale nowe i fascynujące propozycje, które prowokacyjnie wskażą powiązania splątania kwantowego z zakrzywieniem czasoprzestrzeni – zjawiskiem, które ty i ja znamy pod nazwą „grawitacji”. Od wielu lat poszukiwanie zupełnej i przekonującej teorii grawitacji uważane jest za ważny cel naukowy (prestiż, nagrody, zdobywanie posad akademickich i takie tam). Może cała sztuczka polega na tym, że wcale nie należy zaczynać od grawitacji i doprowadzać do jej „kwantyzacji”, ale zagłębić się w samą mechanikę kwantową i znaleźć skrywającą się tam od zawsze grawitację.

Nie mamy pewności, ale właśnie to jest źródłem ekscytacji i rozgorączkowania, jakie towarzyszą nowatorskim badaniom. Nadszedł jednak czas, aby poważnie zabrać się do rozgryzienia fundamentalnej natury rzeczywistości, a to oznacza, że musimy obrać kurs na zderzenie z mechaniką kwantową.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

PROLOG. NIE MA SIĘ CZEGO BAĆ

CZĘŚĆ PIERWSZA. UPIORNOŚĆ

ROZDZIAŁ 1. O CO CHODZI

ROZDZIAŁ 2. ODWAŻNE SFORMUŁOWANIE

ROZDZIAŁ 3. JAK KTOŚ MÓGŁ NA TO WPAŚĆ?

ROZDZIAŁ 4. O CZYM NIE MOŻNA WIEDZIEĆ, BO NIE ISTNIEJE

ROZDZIAŁ 5. SPLĄTANI ZAPLĄTANI

CZĘŚĆ DRUGA. ROZSZCZEPIANIE

ROZDZIAŁ 6. ROZSZCZEPIENIE WSZECHŚWIATA

ROZDZIAŁ 7. PORZĄDEK I LOSOWOŚĆ

ROZDZIAŁ 8. CZY Z TYM ZOBOWIĄZANIEM ONTOLOGICZNYM WYGLĄDAM GRUBO?

ROZDZIAŁ 9. INNE SPOSOBY

ROZDZIAŁ 10. LUDZKA STRONA

CZĘŚĆ TRZECIA. CZASOPRZESTRZEŃ

ROZDZIAŁ 11. DLACZEGO ISTNIEJE PRZESTRZEŃ?

ROZDZIAŁ 12. ŚWIAT DRGAŃ

ROZDZIAŁ 13. ODDYCHANIE W PUSTEJ PRZESTRZENI

ROZDZIAŁ 14. POZA PRZESTRZENIĄ I CZASEM

EPILOG. WSZYSTKO JEST KWANTOWE

DODATEK. HISTORYJKA O CZĄSTKACH WIRTUALNYCH

PODZIĘKOWANIA

POLECANE LEKTURY

BIBLIOGRAFIA