Ten artykuł mógłby śmiało nosić tytuł ”Wiara czyni cuda, czyli rzecz o współczesnej fizyce”. Gdy przez ostatnie stulecia nauka o prawach rządzących naszą rzeczywistością uwiązana była na smyczy empirycznego dowodu, w ostatnich dekadach z tej smyczy urwała się i hasa teraz po teoretycznej łączce. Ewentualnie pluska w czasoprzestrzennej pianie.

Problem, który wymyka się możliwości doświadczalnej weryfikacji i potrafi niejednego fizyka na skraj rozpaczy doprowadzić, to próba odpowiedzi na pytanie o tkankę budującą Wszechświat. Z czego właściwie wszystko wokół nas się składa? Próby rozprawienia się z tym utrudnia fakt, że najlepsze dostępne teorie stoją w sprzeczności z obserwacjami wszechświata.

 

Jak kule na trampolinie

- Ogólna Teoria Względności (OTW) Alberta Einsteina wyjaśnia geometrię czasoprzestrzeni [zdarzenia zlokalizowane w dowolnym czasie i dowolnej przestrzeni trójwymiarowej – red.]  jako trampolinę na którą spada kula do kręgli; planety niczym owe kule zakrzywiają powierzchnię, tworząc wypukłości. Gdyby obok położyć małą kulkę, potoczyłaby się wzdłuż krzywizny ruchem zbliżonym do orbitujących planet. Tutaj więc orbity nie wynikają z działania siły grawitacji a zakrzywienia czasoprzestrzennego – zauważa magazyn Vice

Wszystko zgadzało się, gdy teorię przykładano do małego wycinka czasoprzestrzeni. Gdy jednak Einstein próbował odnieść swoją teorię do większego obszaru, całego Wszechświata, nic nie pasowało. Zaproponował więc pojęcie stałej kosmologicznej. Oznaczana wielką literą lambda (Λ), będąca niezależną od czasu i przestrzeni ”poprawiała” OTW w wyjaśnianiu modelu kosmologicznego Wszechświata jako czegoś niezmiennego. Stała kosmologiczna reprezentowała coś na wzór antygrawitacji, antymasy czy antyenergii.

Po tym, jak w 1929 roku potwierdzono, że Wszechświat rozszerza się, zakwestionowano wprowadzenie stałej a sam Einstein nazwał ja swoim największym błędem. Dla tamtego rozumienia modelu wszechświata faktycznie wydała się sztucznym tworem. 60 lat później, poprzez obserwację dalekich supernowych zaczęto traktować rozszerzanie się Wszechświata jako proces stale przyśpieszający a stała kosmologiczna (lub jej inna wersja) nagle okazała się niezbędna do wyjaśniania rzeczywistości. Tak doszliśmy do Teorii Kwantowej Grawitacji.

Coś, co dotąd uważano za pustą przestrzeń we Wszechświecie nagle zaczęto uznawać za pełną tajemniczej antyenergii. Problem w tym, że w pełnym obrazie Wszechświata tej dodatkowej energii zdaje się brakować. Zatem albo jest ona dobrze ukryta, albo jej natura jest nam zupełnie obca. I tutaj właśnie współcześni fizycy zrywają się ze swojej empirycznej smyczy i zaczynają snuć opowieści o tym, co może istnieje.

- Fizycy teoretyczni próbują pogodzić znane i zbadane z przypuszczanym poprzez badanie struktury czasoprzestrzeni w najmniejszej możliwej skali. Dochodzą wówczas do zaskakującego wniosku: czasoprzestrzeń nie jest tą płaszczyzną trampoliny a raczej pianą, spienionym chaosem bąbli – wyjaśnia magazyn Vice.

 

O co chodzi z tą pianą?

Szukając możliwie prostego sposobu przedstawienia tej chyba najbardziej szalonej teorii współczesnej fizyki podpieramy się wyjaśnieniem z popularnonaukowego bloga ”Fizyka Dla Laika

- Teoria Kwantowej Grawitacji przewiduje, że czasoprzestrzeń jest wrzącą pianą malutkich obszarów, gdzie miniaturowe wymiary rozwijają się i zwijają w siebie same, w bardzo szybkim tempie pojawiają się i znikają. Eric Perlman z Florida Institute of Technology stwierdził, że "bąbelki" w kwantowej pianie są kwadryliony razy mniejsze niż skala atomowa; pojawiają się na niewyobrażalnie małą ilość czasu. A sama czasoprzestrzeń fluktuuje nieustannie. Normalnie przestrzeń jest płaska, ale w pewien przypadkowy, nie dający się przewidzieć sposób, ulega zmianom […] po prostu, zmienia się, jak bąbelki na piwie – pisze autor bloga.

 

Pomysł, żeby za kurtyną naszej rzeczywistości stała i wszystkim kierowała jakaś losowo działająca przyczyna Alberta Einsteina wprawiał we wściekłość. Słynne są już jego słowa, że ”Pan Bóg nie gra w kości ze Wscheświatem”. Jeżeli to, co widać, to rzekomo leżąca u podstaw wszystkiego losowość, to tylko dlatego, że jeszcze nie udało się znaleźć jakiegoś porządkującego ten chaos równania. Zanim przejdziemy do Teorii Wszystkiego, jeszcze przez chwilę o pianie.

Pomysł czasoprzestrzennych bąbelków wypełniających Wszechświat na poziomie kwantowym zaproponował w 1955 roku fizyk John Wheeler. Niedawno pojawiły się pomysły na temat tego, co w tych bąblach może się znajdować. Otóż wieloświaty, żyjące i umierające wewnątrz naszego. Kwantową teorię o istnieniu hipotetycznego zbioru wszelkich możliwych wszechświatów zawierającego w sobie wszystko inne, w tym światy równoległe stworzył doktorant Wheelera, Hugh Everett III.

 

Równoległe rzeczywistości

Większości z nas pojęcie wieloświata, multiwersum, kojarzy się pewnie hitami kinowymi o superbohaterach ze świata Marvela, ewentualnie kreskówką ”Rick & Morty”. Wieloświaty istniały również w serialach ”Doktor Who”, ”Sliders” albo ”Flash” czy ”Arrow”.

Wieloświatowa Interpretacja Mechaniki Kwantowej (ang. The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics) zakłada, że wszystko co może się zdarzyć, zdarza się na pewno w którejś z odnóg rzeczywistości, która przypomina wielkie, rozgałęziające się w każdej chwili drzewo życia. W jednej z interpretacji mechaniki kwantowej część wszechświatów w bąbelkach wyłoniła się z naszego wszechświata. Te powstają za każdym razem, gdy powstaje wybór.

Hollywood zilustrowało to zjawisko, zapewne nieświadomie, m.in. w komedii romantycznej ”Sliding doors” z Gwyneth Paltrow z 1998 roku. Pojedyncza rzeczywistość głównej bohaterki dzieli się na dwie równoległe, toczące się w różny sposób historie a punktem wyjścia dla obu jest scena na peronie: postać, w którą wcieliła się Paltrow do pociągu wsiada, albo drzwi wagonu zamykają się jej przed nosem.

Tak jak w tym filmie, tak w kwantowej teorii o wszechświatach równoległych istnieć mogą nasze kopie, jednak przeżywające zupełnie inne życie. Czasoprzestrzenna piana idealnie wpasowuje się pomiędzy niepewność i brak determinizmu cechujące kwantowy świat. Niejako łączy niepewność dotyczącą położenia cząsteczki i jej stanu z tkanką budującą nasz wszechświat. Dzięki temu jego geometria nie jest stabilna ani stała w mikroskali.

- Superpozycja stanów kwantowych cząsteczek zakłada, że przyjmują one jednocześnie wszystkie dopuszczalne przez prawa fizyki wartości aż do chwili, gdy dokonujemy pomiaru. Wtedy w zadziwiający sposób przybierają jedną konkretną i, jak się wydaje, przypadkową wartość. Co istotne, w takim ujęciu mechaniki kwantowej (zwanym czasem doktryną "zamknij się i rachuj"), narzuconym m.in. przez Nielsa Bohra, badacz zyskuje niemal boski status: to on aktem obserwacji redukuje całą złożoność świata kwantowego do mierzalnej wartości. Kłopot w tym, że nikt nie wie, kiedy i jak zachodzi taka redukcja – zauważa tygodnik ”Polityka”. 

 

Energia w próżni

Autor bloga ”Fizyka Dla Laika” pisząc o pianie czasoprzestrzennej użył analogii do spienionego piwa. Wheeler wybrał morską pianę. Z okna lecącego nad oceanem samolotu powierzchnia wody wydaje się gładka. Z bliska jednak widać bąbelki i pianę. Podobnie nasz wszechświat w makroskali wydaje się gładki, ale w odpowiednio dużym powiększeniu wygląda na nierówny i spieniony. Według Stevena Carlipa z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, czasoprzestrzenne bąbelki obserwowane w dużej skali mogą ”ukrywać” kosmologiczną stałą Einsteina.

 

W miejscu, gdzie w obserwowanej czasoprzestrzeni powinny znajdować się olbrzymie ilości energii ”niczego nie widać”. Według współczesnych matematycznych analiz ta próżnia posiada olbrzymią swoistą energię. Taka energia mogłaby pełnić rolę owej kosmologicznej stałej, stałego parametru którym można by, jak zrobił to Einstein, ”uzupełniać” Ogólną Teorię Względności. Kosmologiczna stała ma ten sam efekt co ciemna materia, którą to fizycy próbują wyjaśnić przyśpieszające rozszerzanie się Wszechświata.

W najnowszej publikacji Y. Jacka Ng, fizyka teoretycznego z uniwersytetu Karoliny Północnej (”Entropy and Gravitation: From Black Hole Computers to Dark Energy and Dark Matter” kwantowa piana jest postrzegana jako klucz do największych zagadek współczesnej fizyki. Ma już nie tylko rozwiązać problem stałej kosmologicznej Einsteina, ale i wypełnić brakujące elementy teorii o czarnych dziurach, ciemnej energii czy pomóc w tworzeniu kwantowych komputerów. Ma być kluczem do Teorii Wszystkiego – rzeczywistości, w której wszystko jest zdeterminowane, nie ma miejsca na wolną wolę a wynik każdego naszego życiowego wyboru można zawczasu obliczyć.

 

Klucz do Wszechświata

- Ng w swojej teorii bąbelki czasoprzestrzennej piany uważa za najmniejsze istniejące komputery którymi Wszechświat posługuje się do dekodowania i przetwarzania informacji. Próbując policzyć, jak dużo informacji czasoprzestrzenna piana może przechować i przetworzyć (straszliwie dużo) uznał, że musi ona być równoważna z ciemną energią (ciemną materią), ponieważ zwykła materia nie ”udźwignęła by” takiego ciężaru danych, jaki wyszedł z jego obliczeń – wyjaśnia Vice

Dokonując tego eksperymentu myślowego Ng zdołał nie tylko wyjaśnić przyśpieszające rozszerzanie się Wszechświata, ale i wsadzić do jednego worka fizykę kwantową, teorię względności i ciemną energię. – Ng wierzy, że Teoria Wszystkiego jest w zasięgu ręki – podkreśla Vice w artykule o renesansie teorii o kwantowej pianie i dodaje, że konceptualnie – i to, obok ”wierzy” drugie słowo klucz w tym zdaniu – czasoprzestrzenna piana godzi ze sobą i wyjaśnia wiele z najważniejszych problemów dzielących fizykę kwantową i kosmologię.

- Dla wielu ludzi, nauka w czasach postmodernizmu skupia się na potrzebie przedstawiania siebie jako wyznawcy nauki, niezależnie od dostępnych dowodów. Kosmolog Paul Steinhardt wyłapał ten trend w 2014 roku, gdy pisał o pierwszych zwolennikach teorii o przyśpieszającym rozszerzaniu się Wszechświata, że ”domagają się uznania ich teorii za słuszną niezależnie od tego, czy uda się zarejestrować fale grawitacyjne” – zauważa Denyse O'Leary na evolutionnews.org w artykule o jednoznacznie brzmiącym tytule: ”Wieloświaty to wspomagane samobójstwo nauki”. 

Owe fale grawitacyjne, poruszające się z prędkością światła odkształcenia czasoprzestrzeni, udało się odkryć dopiero pod koniec 2015 roku. Według naukowców zarejestrowane fale pochodziły z połączenia dwóch czarnych dziur o masach około 29 i 36 mas Słońca między 1,3 a 0,6 miliarda lat temu.

- Wieloświaty istnieją dziś jedynie w głowach ludzi. Najbardziej obiecujące programy badawcze (m.in. teoria strun) napędzane jedynie entuzjazmem prowadzą do kolejnych spekulacji, dla których możemy nigdy nie uzyskać empirycznych dowodów. Jak wiele innych pustych pomysłów, wieloświaty niosą ze sobą konsekwencje. Jeżeli je akceptujemy, odrzucimy pogląd, że nauka zajmuje się obserwowalnymi faktami przyrody. Przyjmiemy za to ten, że nauka mówi nam o nas samych to, w co chcemy wierzyć. Dlatego wieloświaty to wspomagane samobójstwo nauki – przekonuje O'Leary.

Jan Sochaczewski