Читать книгу Przestrzeń kwantowa - Jim Baggott - Страница 4

Wstęp

Wyjaśnijmy sobie jedno.

To jest książka o pętlowej grawitacji kwantowej, która stanowi jedną z kilku rozważanych współcześnie dróg dotarcia do kwantowej teorii grawitacji i z tego powodu znajduje się na pograniczu naszego obecnego rozumienia przestrzeni, czasu i fizycznego Wszechświata. Zawsze można mieć nadzieję, że najnowsze badania naukowe okażą się wdzięcznym tematem do napisania pasjonującej książki, ale nie łudźmy się – tak jak w przypadku wszystkich tego typu koncepcji, w chwili obecnej nie mamy ani jednego dowodu obserwacyjnego ani doświadczalnego, który potwierdzałby tę teorię1.

Można by się więc zastanawiać, dlaczego sądzę, że powinno cię to zainteresować.

Oto dlaczego. Nie ulega najmniejszej wątpliwości, że w ciągu tych pierwszych kilku dekad XXI stulecia musimy stawić czoła ogromnym wyzwaniom gospodarczym, politycznym i ekologicznym, a niektóre z nich okażą się zapewne szczególnie skomplikowane i trudne do przezwyciężenia. Jeżeli natomiast chodzi o naszą zdolność do zrozumienia natury przestrzeni i czasu, ogarnięcia umysłem samej tkanki fizycznej rzeczywistości, to największym problemem naukowym naszej epoki jest bez wątpienia kwantowa teoria grawitacji2. Teoria ta dotyka najważniejszego pytania o nasze istnienie. Do rozwiązania tego problemu potrzebna jest naprawdę głęboka wiedza naukowa, a uczeni muszą doznać jeszcze wielu chwil olśnienia i niezwykłej inspiracji. Stworzenie takiej teorii wymaga wykazania się pomysłowością w stopniu, w jakim nie było to jeszcze potrzebne w całej dotychczasowej historii fizyki.

Powód tego jest prosty. Współcześnie możemy się cieszyć dwiema niezwykle udanymi teoriami. Pierwszą z nich jest ogólna teoria względności Alberta Einsteina, która opisuje wielkoskalowe zachowanie materii w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Wyjaśnia ona, w jaki sposób działa grawitacja: materia mówi czasoprzestrzeni, jak ma się zakrzywiać, a zakrzywiona czasoprzestrzeń mówi materii, jak ma się poruszać. Teoria ta jest podstawą tak zwanego modelu standardowego kosmologii Wielkiego Wybuchu. Dzięki niej możemy opisać ewolucję Wszechświata niemal od samego „początku”, który wydarzył się około 13,8 miliarda lat temu, jak przekonują nas zebrane do tej pory dowody. Odkrycie fal grawitacyjnych w obserwatorium LIGO w Stanach Zjednoczonych (a teraz również w obserwatorium Virgo we Włoszech) jest tylko jednym z najnowszych sukcesów tej teorii.

Drugą jest mechanika kwantowa. Ta teoria opisuje własności i zachowanie materii i promieniowania w najmniejszych skalach, na poziomie cząsteczek, atomów, cząstek subatomowych i subjądrowych. Ujęta w postaci kwantowej teorii pola mechanika kwantowa jest podstawą tak zwanego Modelu Standardowego fizyki cząstek, który wyjaśnia, jak ze zbioru kwarków, elektronów i cząstek pośredniczących, takich jak fotony, powstają wszystkie widoczne składniki Wszechświata (włącznie z gwiazdami, planetami i nami). Opisuje, jak działają pozostałe trzy siły natury: elektromagnetyzm, oddziaływanie silne i oddziaływanie słabe. Odkrycie bozonu Higgsa w laboratorium CERN w Genewie jest tylko jednym z najnowszych sukcesów tej teorii.

Choć jednak obie te teorie odniosły ogromny sukces i przyczyniły się do wielu wspaniałych osiągnięć naukowych, to oba modele standardowe mają wiele niedopowiedzeń. Istnieje wiele zagadnień, których nie potrafią wyjaśnić i mnóstwo ważnych pytań pozostawiają bez odpowiedzi. Jeśli już, to sukces tych teorii spowodował jedynie, że Wszechświat wydaje się nam trudniejszy do zrozumienia i bardziej tajemniczy, jeśli nie po prostu dziwaczny. Wygląda na to, że im więcej się dowiadujemy, tym mniej rozumiemy.

Poza tym obu teorii w żaden sposób nie można ze sobą pogodzić. W newtonowskiej mechanice klasycznej wszystko istnieje i dzieje się w „pojemniku” bezwzględnej przestrzeni i czasu, który w jakiś sposób po prostu jest sobie gdzieś w tle. Gdyby udało się nam opróżnić newtonowski wszechświat ze wszystkiego, co w nim jest, to należy przypuszczać, że wciąż pozostałby taki pusty pojemnik. Ogólna teoria względności pozbywa się tego pojemnika. We wszechświecie Einstei­na przestrzeń i czas stają się pojęciami względnymi, a nie absolutnymi, i z racji tego mówi się nawet, że jest to teoria „niezależna od tła”. Czasoprzestrzeń jest dynamiczna: wyłania się w wyniku oddziaływań fizycznych materii i energii.

Mechanikę kwantową, która jest irytująco dziwna, ale mimo to niezmiernie dokładna w przewidywaniach, formułuje się zupełnie inaczej. Zakłada się mianowicie, że oddziaływania między cząstkami elementarnymi materii i promieniowania zachodzą właśnie w takim pojemniku absolutnej czasoprzestrzeni, jakiego udało nam się pozbyć w ogólnej teorii względności. Mechanika kwantowa jest zatem zależna od tła.

I tak to wygląda. Z jednej strony mamy klasyczną (niekwantową) teorię czasoprzestrzeni, która jest niezależna od tła. Z drugiej – kwantową teorię materii i promieniowania, która zależy od tła. Nasze dwie najlepsze teorie fizyczne opierają się na niepasujących do siebie interpretacjach przestrzeni i czasu. Teorie te tworzą tkaniny, w których wykorzystano zupełnie różne rodzaje osnowy – w jednej z nich osnowa powstaje za sprawą samej fizyki, w drugiej zaś jest zadana z góry i absolutna.

Mamy dwa niepasujące do siebie opisy, ale, o ile nam wiadomo (i o ile potrafimy to udowodnić), mamy tylko jeden Wszechświat. I w tym właśnie tkwi kłopot, ponieważ wiemy również, że w pierwszych chwilach po swoich narodzinach w Wielkim Wybuchu Wszechświat musiał istnieć w skali kwantowej i był zdany na łaskę mechaniki kwantowej. No dobrze, przyznaję, że fakt, iż nie potrafimy wyjaśnić pochodzenia Wszechświata i jego pierwszych chwil, nie spędza nam raczej snu z powiek, ale za sprawą ogromnych osiągnięć fizyki w minionym wieku nasz apetyt na kolejne sukcesy znacznie się zaostrzył. Odczuwamy potrzebę odkrycia kwantowej teorii grawitacji.

I co, udało mi się cię zaciekawić?

Chiński filozof Laozi powiedział kiedyś, że nawet najdłuższa podróż zaczyna się od pierwszego kroku. Pierwszą rzeczą, jaką możemy zrobić, jest przyznanie, że jedyną możliwością na pogodzenie ze sobą mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności jest znalezienie jakiejś nowej osnowy dla tych teorii, nowego sposobu rozumienia przestrzeni i czasu, który będzie zgodny z opisem fizyki w dowolnej skali.

Skoro już wytyczyliśmy sobie nowy cel, musimy teraz wybrać drogę, którą chcemy podążyć. Czy powinniśmy wyjść od zadanej z góry, absolutnej tkanki czasoprzestrzennej mechaniki kwantowej? A może naszym punktem wyjścia powinna raczej być dynamiczna tkanka ogólnej teorii względności?

Różne opinie na temat sensowności podążania każdą z tych dróg doprowadziły w ciągu ostatnich czterdziestu lat do podziału społeczności fizyków teoretyków na kilka wyraźnie rozgraniczonych obozów. Podział ten stał się szczególnie widoczny podczas podjętej niedawno próby opisania związków między poszczególnymi sposobami opracowania kwantowej teorii grawitacji. Wyniki tych prac pozwoliły dostrzec wyraźny rozdział na dwie „podstawowe” gałęzie: teorię strun i pętlową grawitację kwantową3. Ten rozłam nie wynika po prostu z różnicy zdań między zwolennikami teorii względności i teorii cząstek, ponieważ uczeni z obu obozów równie chętnie wykorzystują pomysły i techniki wywodzące się z ogólnej teorii względności i kwantowej teorii pola.

Nie rozminiemy się jednak z prawdą, jeśli stwierdzimy, że społeczność fizyków teoretyków jest obecnie zdominowana przez fizyków cząstek, a oni są najczęściej zwolennikami podejścia zakładającego wykorzystanie teorii strun. W ciągu ostatnich dwudziestu lat fizyka cząstek miała niezwykle skuteczny PR, który wpłynął nawet na literaturę popularnonaukową, i w efekcie większość pasjonatów nauki obecnie nawet nie ma pojęcia, że istnieją również inne koncepcje, a do celu może prowadzić więcej niż jedna droga. Na przykład w jednej z wydanych niedawno książek poświęconych grawitacji autor wspomina o pętlowej grawitacji kwantowej tylko mimochodem w jednym z przypisów4. Istnieje wiele przyczyn takiego stanu rzeczy i o niektórych z nich powiemy więcej w dalszej części książki.

Ta książka opowiada o tej mniej uczęszczanej z dróg. Naszą podróż zaczniemy od ogólnej teorii względności, później zaczerpniemy kilka idei z chromodynamiki kwantowej i spróbujemy znaleźć odpowiedni sposób na przekształcenie uzyskanego wyniku w kwantową teorię grawitacji. Po dotarciu do celu odkryjemy tkankę przestrzeni, która nie jest ciągła, lecz skwantowana. Występuje w „paczkach”, tak samo jak materia i promieniowanie. Taka tkanka jest układem połączonych ze sobą „pętli” siły grawitacyjnej, które tworzą razem „sieć spinową”. Istnieją pewne podstawowe ograniczenia na geometrię takich pętli, dzięki którym możemy wyrazić kwanty pola powierzchni i objętości przestrzeni za pomocą tak zwanej długości Plancka – stałej o wartości wynoszącej około 1,6 × 10–35 metra, czyli około jednej stutrylionowej średnicy protonu.

Różne sieci spinowe – różne sposoby łączenia się ze sobą pętli – odpowiadają różnym stanom kwantowym geometrii przestrzeni. Przekształcanie się sieci spinowych (zmiana połączeń podczas przejścia od jednej geometrii do drugiej) prowadzi natomiast do powstania piany spinowej. Dodając do siebie piany spinowe w ramach tak zwanej superpozycji, uzyskamy opis, z którego wyłaniania się czasoprzestrzeń – tkanka wytworzona przez fizykę kwantową.

Właśnie to jest pętlowa grawitacja kwantowa, w skrócie LQG, od ang. loop quantum gravity. Teoria ta liczy już trzydzieści lat i obecnie zajmuje się nią około trzydziestu grup badawczych na całym świecie. Droga wychodząca od teorii względności okazała się trudna i podążający nią uczeni doświadczyli licznych wzlotów i upadków. Wciąż jeszcze pozostało im do pokonania wiele przeszkód, między innymi muszą się uporać z wcale niełatwym zadaniem znalezienia sposobu na zmuszenie teorii do podania jakichś przewidywań, które można będzie zweryfikować doświadczalnie. Jednak, jak stwierdził niedawno Carlo Rovelli, jeden z głównych architektów pętlowej grawitacji kwantowej, „wydaje mi się, że sytuacja kwantowej grawitacji jest […] o wiele lepsza niż jeszcze przed dwudziestu pięciu laty, i co drugi dzień jestem optymistą”5.

Niektórzy czytelnicy książek popularnonaukowych słyszeli już zapewne o teorii LQG – o jej istnieniu mogli się dowiedzieć na przykład z tekstów Lee Smolina, innego twórcy tej teorii, którego książka Trzy drogi do kwantowej grawitacji ukazała się w 2000 roku. Smolin omawia ponownie pętlową grawitację kwantową w Kłopotach z fizyką, które ukazały się przed dziesięciu laty, a ostatnio wspomniał o niej w książce Czas odrodzony. Rovelli opisuje pętlową grawitację kwantową w swoim bestsellerze Siedem krótkich lekcji fizyki oraz w najnowszej książce: Rzeczywistość nie jest tym, czym się wydaje.

Pisząc Przestrzeń kwantową, postawiłem przed sobą zadanie zmniejszenia dysproporcji w postrzeganiu pętlowej grawitacji kwantowej na tle innych teorii. Chciałbym przekonać wszystkich, że LQG jest nie tylko solidną teorią, lecz także prawdziwą, wiarygodną alternatywą dla teorii strun. Aby tego dokonać, przedstawię tu nieco więcej szczegółów, niż można znaleźć w książkach Smolina i Rovellego. Pragnę, by czytelnicy tej książki dowiedzieli się nie tylko, co pętlowa grawitacja kwantowa mówi o przestrzeni, czasie i Wszechświecie, ale także jak i dlaczego wynikają z niej takie wnioski.

Podczas zbierania materiałów do książki i w trakcie samego jej pisania mogłem liczyć na ogromne wsparcie, słowa otuchy i cenne rady zarówno Smolina, jak i Rovellego. Ta książka jest ich opowieścią, ale powinniśmy sobie wyjaśnić kilka kwestii. Teoria pętlowej grawitacji kwantowej jest wynikiem współpracy szerokiego grona fizyków, którzy zajmowali się nią na przestrzeni wielu lat. Dołożyłem wszelkich starań, by wniesiony przez nich wkład znalazł tu należyte odzwierciedlenie – o tyle, o ile jest to możliwe w książce popularnonaukowej – i mogę jedynie serdecznie przeprosić wszystkich, którzy odniosą wrażenie, że ich praca nie została przedstawiona z odpowiednią uwagą lub – co gorsza – przeoczona. Podobnie, ponieważ ta książka skupia się głównie na prezentacji pracy dwóch ważnych twórców tej teorii, nie jest to pełne omówienie wszystkiego, czego kiedykolwiek dokonano w imię rozwoju LQG6.

Książka została podzielona na trzy części. W części I przygotujemy grunt pod dalsze rozważania. Opowiemy w niej o tym, czego dowiedzieli się Smolin i Rovelli o teorii względności, mechanice kwantowej i kosmologii Wielkiego Wybuchu jako młodzi studenci i później, jako dojrzali już uczeni. Czytelnicy znający te zagadnienia mogą bez obaw pominąć tę część (choć mam nadzieję, że tego nie zrobią). Część II traktuje o narodzinach i ewolucji pętlowej grawitacji kwantowej, począwszy od pierwszych prób połączenia teorii względności z mechaniką kwantową pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku przez odkrycie przez Abhaya Ashtekara „nowych zmiennych”, niezbędnych do dokonania takiego mariażu, po wspólne badania prowadzone przez Ashtekara, Smolina i Rovellego (oraz wielu innych uczonych), dzięki którym pod koniec minionego stulecia udało się nam wypracować pojęcia kwantów pola powierzchni i objętości, a także formalizm piany spinowej. Część III przedstawia najnowsze osiągnięcia (w miarę możliwości), podsumowuje próby przeprowadzenia obliczeń znanych wielkości fizycznych za pomocą pętlowej grawitacji kwantowej, a także omawia wnioski płynące z tej teorii dla kwantowej kosmologii i fizyki czarnych dziur. Na tym etapie naszej podróży przyjrzymy się również interpretacji mechaniki kwantowej i zajmiemy się zagadnieniem rzeczywistości (lub nierzeczywistości) czasu.

Chciałbym w tym miejscu wyraźnie podkreślić jedną rzecz. Podobnie jak teoria strun i M-teoria, pętlowa grawitacja kwantowa jest wciąż przedmiotem badań naukowych. W żadnym razie teoria ta nie jest jeszcze skończona i nie znamy wszystkich odpowiedzi. Smolin i Rovelli są oczywiście jej entuzjastami i, choć starałem się nieco wyważyć ich punkt widzenia, to na pewno udzielił mi się ich zachwyt i wpłynął na dobór użytych tu przeze mnie słów. Musimy jednak pamiętać, że nie wolno nam nazbyt poddawać się emocjom. Wielu innych teoretyków, którzy brali udział w pracach na różnych etapach rozwoju tej teorii, już dawno straciło w nią wiarę, a optymizm końca lat dziewięćdziesiątych zmienił się w bardziej trzeźwy (i nieco bardziej ponury) ogląd sytuacji. Niektórzy uczeni zdecydowali się nawet na całkowite porzucenie tej dziedziny i zajęli się zupełnie innymi zagadnieniami. Mam nadzieję, że czytelnicy tej książki uświadomią sobie ogromną skalę tego wyzwania – poszukiwanie teorii kwantowej grawitacji z pewnością nie jest odpowiednim zajęciem dla osób o słabym sercu. Książka kończy się rozmową między Smolinem, Rovellim i mną, w której omawiamy najnowsze osiągnięcia i próbujemy wybiec nieco w przyszłość.

Gra toczy się o ogromną stawkę. Wielkie rewolucje naukowe, które ukształtowały nasze rozumienie rzeczywistości, dokonały głębokich zmian w naszym myśleniu o przestrzeni, czasie i Wszechświecie. Czy to możliwe, że kolejna taka rewolucja jest na wyciągnięcie ręki?

Ta książka nie mogłaby powstać, gdyby Lee i Carlo nie podzielili się ze mną swoją opowieścią. Z prawdziwą więc przyjemnością dziękuję im za udział w tym przedsięwzięciu, za to, że zaglądali mi przez ramię, gdy ślęczałem nad maszynopisem, popychali mnie we właściwym kierunku i sprowadzali na dobrą drogę, gdy zdarzało mi się pobłądzić. Co powiedziawszy, muszę podkreślić, że poglądy wyrażone w tej książce są całkowicie moje i choć Lee i Carlo zgadzają się z wieloma rzeczami, które tu napisałem, nie należy zakładać, że zgadzają się ze wszystkim.

Oprócz słów wdzięczności dla Lee i Carla chciałbym również podziękować wielu innym niezwykle zajętym uczonym, którzy poświęcili swój cenny czas na przeczytanie maszynopisu, poprawienie wielu przeinaczeń i błędów oraz dodanie własnych cennych uwag. Są to między innymi Abhay Ashtekar z Uniwersytetu Stanu Pensylwania, John Baez z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside, Martin Bojowald z Uniwersytetu Stanu Pensylwania, Alejandro Corichi z Narodowego Uniwersytetu Autonomicznego Meksyku, George Ellis z Uniwersytetu Kapsztadzkiego, Ted Jacobson z Uniwersytetu Marylandu, Kiriłł Krasnow z Uniwersytetu w Nottingham, Jorge Pullin z Uniwersytetu Stanu Luizjana i Peter Woit z Uniwersytetu Columbia.

Jak powiedzieliśmy, teoria pętlowej grawitacji kwantowej w żadnym razie nie jest jeszcze ukończona. Oznacza to, że nawet ci, którzy brali bezpośredni udział w jej rozwoju, nie zawsze zgadzają się ze wszystkimi próbami wyjaśnienia wielu kwestii, jakie teoria ta pozostawia na razie bez odpowiedzi. Aby przedstawić odpowiednio spójny i czytelny opis zagadnienia, w którym praktycznie wszystko można podważyć, musiałem dokonać w wielu miejscach autorytarnego wyboru prezentowanych tematów. Jestem przekonany, że mimo starań nie zawsze udało mi się podjąć najlepsze decyzje, i nie muszę chyba dodawać, że biorę całkowitą odpowiedzialność za wszystkie błędy, jakie jeszcze z pewnością pozostały.

Po raz kolejny pragnę podkreślić, że mam ogromny dług wdzięczności wobec Lathy Menon, mojej redaktor w wydawnictwie Oxford University Press, i Jenny Nugee, która nie szczędziła pracy, by mogła powstać książka, którą teraz trzymasz w ręku. Bez ich wysiłku ta książka z pewnością byłaby znacznie gorsza.

Zaczynamy?

Jim Baggott

lipiec 2018

1 W swojej poczytnej i wciągającej książce Why String Theory? (Dlaczego teoria strun?), wydanej w 2016 roku, Joseph Conlon prezentuje takie samo stanowisko odnośnie do dostępności dowodów potwierdzających poprawność teorii strun. Rozdział 7, zatytułowany Bezpośrednie dowody doświadczalne potwierdzające teorię strun, składa się tylko z jednego zdania, które brzmi: „Nie ma żadnych bezpośrednich dowodów doświadczalnych, które potwierdzałyby prawdziwość teorii strun”. Joseph Conlon, Why String Theory? (Dlaczego teoria strun?), CRC Press, Boca Raton 2016, s. 107.

2 Tak przynajmniej ja uważam, ale oczywiście nie wszyscy naukowcy zgadzają się z takim poglądem. Kosmolog George Ellis, pracujący w Republice Południowej Afryki, utrzymuje na przykład, że naszym największym wyzwaniem naukowym jest zrozumienie świadomości (stwierdzenie zaczerpnięte z korespondencji z autorem, 25 października 2017 roku).

3 Jakub Mielczarek, Tomasz Trześniewski, Towards the map of quantum gravity (Próba stworzenia mapy teorii kwantowej grawitacji), arXiv:1708.07445v3, 25 maja 2018 roku.

4 Marcus Chown, The Ascent of Gravity: The Quest to Understand the Force That Explains Everything (Rozwój teorii grawitacji: w poszukiwaniu zrozumienia siły, która wszystko wyjaśnia), Weidenfeld & Nicolson, Londyn 2017. Wspomniany przypis pojawia się na s. 252.

5 Carlo Rovelli, Loop Quantum Gravity: The First 25 Years (Pętlowa grawitacja kwantowa: pierwsze 25 lat), „Classical and Quantum Gravity” 2011, tom 28, id:153002, arXiv:1012.4707v5, 28 stycznia 2012 roku, s. 20.

6 Czytelnicy nieco bardziej obeznani z fizyką mogą zajrzeć do wydanego niedawno zbioru artykułów przeglądowych napisanych głównie przez młodych uczonych zajmujących się pętlową grawitacją kwantową: Abhay Ashtekar [red.], Jorge Pullin [red.], Loop Quantum Gravity: The First 30 Years (Pętlowa grawitacja kwantowa: pierwsze 30 lat), World Scientific, Singapur 2017.