Jan Such

Kłopoty fizyki i kosmologii z uniwersalnością czasu

I

Czas jest kategorią rodzącą rozmaite paradoksy oraz sprawiającą liczne kłopoty filozofom i uczonym rozlicznych specjalności. Filozofowie borykają się bez większych osiągnięć z kwestią uchwycenia natury czasu czy kwestią realności upływu czasu /zob. np. Augustynek 1975; Davies 2002a i 2002b, s. 24–2/).

Fizycy mają znaczne osiągnięcia w takich zagadnieniach, jak stosunek czasu do materii lub wzajemne relacje między czasem i przestrzenią. Problemy te częściowo rozjaśniła fizyka relatywistyczna. Obecnie intensywnie badany jest problem kwantyzacji czasu /i przestrzeni/, związany z drugą najbardziej fundamentalną teorią fizyki współczesnej – mechaniką kwantową. Podjęła go także współczesna kandydatka na kwantową teorię grawitacji – teoria super-strun. Pewne ważne ustalenia fizyczne uzyskano w badaniach termodynamicznych nad strzałką (asymetrią) czasu, związaną z podziałem czasu na dwa odrębne obszary – przeszłość i przyszłość – rozgraniczone przez teraźniejszość /zob. np. Davies 2002a, rozdz. IX: Strzałka czasu/. W niniejszym szkicu zarysuję kłopoty współczesnej fizyki i kosmologii z problemem uniwersalności kategorii czasu w zastosowaniu do Wszechświata na wszystkich etapach jego ewolucji.

II

Trzydzieści lat temu wybitny fizyk i filozof niemiecki C.F. Weizsäcker uznał czas i prawdopodobieństwo (dotyczące przyszłości) za dwa podstawowe pojęcia mechaniki kwantowej, ujętej jako najbardziej fundamentalna teoria świata fizycznego. Teoria taka – w przekonaniu Weizsäckera – winna opisywać „warunki wszelkiego możliwego doświadczenia” w sensie Kanta, sam zaś czas podlegać powinien nie zbudowanej jeszcze „logice czasów” /(tense logic)/, której szczególnym przypadkiem byłaby logika kwantowa /zob. Weizsäcker 1978, s. 259–291/.

Także w filozofii – jak wiadomo – szeroko rozpowszechniony jest pogląd, że czas i przestrzeń stanowią atrybuty, czyli nieodłączne cechy /„formy istnienia”/ wszelkiej materii. Tymczasem współczesna kosmologia kwantowo-relatywistyczna (zwana też krótko kosmologią kwantową) zdaje się degradować czas do kategorii drugorzędnej, pozbawionej uniwersalnej ważności w procesie opisu świata kosmicznego jako ewoluującej całości. Czyni to zresztą na wiele sposobów.

Bo oto według znanego modelu „Wszechświata bez brzegów” Hartlego-Hawkinga, przed progiem Plancka (t = 10 do potęgi-43 sek od momentu Wielkiego Wybuchu), czas, jako taki, w ogóle nie istniał: będąc pozbawiony orientacji przeszłość – przyszłość /izotropowy/ stanowił faktycznie niczym nie wyróżniający się wymiar /jeden z wymiarów/ przestrzeni (zob. Hawking 1990, s. 127–134 oraz Heller 2001, rozdz. VI: Wszechświat Hawkinga).

Podobnie przy próbach kwantowego opisu początkowych faz ewolucji Wszechświata wprowadza się pojęcie aczasowej rzeczywistości kwantowej, która wprawdzie podlegała przemianom, nie były to jednak zmiany rozgrywające się w czasie, rozumianym jako pewien zewnętrzny wobec tych zmian parametr (Davies 2002a). W tym samym duchu zdaje się zmierzać kosmologia kwantowo-strunowa rozwijana przez ostatnie dziesięciolecie na gruncie teorii superstrun. Rozważane w ramach tej kosmologii pojęcie początkowej aczasowej rzeczywistości strunowej wydaje się – wbrew zdroworozsądkowym wy-obrażeniom – pojęciem całkiem dobrze określonym. Wreszcie także koncepcja „nieprzemiennego Wszechświata” oparta na nieprzemiennej geometrii prowadzi do „bezczasowej fizyki”, zgodnie z którą „w erze Plancka obowiązywał [...] bezczasowy model [...]” (Heller 2001, s. 121). Zresztą już wcześniej John Wheeler w swej geometrodynamice zarysował możliwość, że czas posiada złożoną strukturę, która powstała z pewnych prostszych elementów preczasowych.

III

Rozmywanie się kategorii czasu w początkowych stadiach ewolucji świata zdaje się niepomiernie komplikować i tak już wielce zawiłą kwestię genezy świata, a także genezy samego czasu. Jeśli bowiem czas wyłonił się dopiero w toku ewolucji Wszechświata, to na czym miałoby polegać samo powstanie Wszechświata. W każdym razie zdrowy rozsądek ujmuje powstawanie czegokolwiek jako proces zachodzący w czasie. Proces na mocy definicji jest czymś, co zachodzi w czasie, gdyż składa się z faz następujących po sobie, podobnie jak wszelka zmiana /zob. np. Ingarden 1987, t. I, rozdz. V; t. II, cz. 1, s. 407–414/.

Jeśli istniała /kwantowa czy kwantowo-strunowa/ rzeczywistość aczasowa, to jej powstanie w czasie jest, rzecz jasna, wykluczone. Czy jednak miałoby to znaczyć, że tego rodzaju rzeczywistość – rzeczywistość aczasowa – musi być wieczna? Bynajmniej nie znaczy. Wszak wieczny znaczy nie mający czasowego początku ani czasowego końca /w terminologii Riemanna-Einsteina, czasowo nieograniczony/. Rzeczywistość aczasowa jest pod tym względem nieokreślona, gdyż czas jej w ogóle nie dotyczy. Tego rodzaju dywagacje zdają się prowadzić do wniosku, że pytanie o początek czasowy Wszechświata (czyli pytanie o wieczność świata) może się okazać pytaniem źle postawionym, gdyż zdaje się ono zakładać, że czas jest pojęciem dobrze określonym i mającym sens w odniesieniu do całego Wszechświata (rozumianego jako wszelka rzeczywistość fizyczna).

IV

Załóżmy jednak, że czas jest charakterystyką Wszechświata na wszystkich etapach jego ewolucji, a przeto, że albo oba (tzn. świat i czas) istniały wiecznie, albo też pojawiły się równocześnie, to znaczy świat powstał – jak to założył np. św. Augustyn – nie w czasie lecz wraz z czasem.

Jeśli jednak powstanie świata w czasie wydaje się koncepcją w pełni zrozumiałą na gruncie doświadczenia codziennego, w toku którego obserwujemy nieustannie powstawanie nowych rzeczy i zjawisk /właśnie jako pojawiających się w czasie/, to powstanie świata wraz z czasem nie odpowiada niczemu, co obserwujemy w życiu potocznym: wszak nie stykamy się z niczym takim jak powstawanie samego czasu. Już chociażby z tego względu koncepcja powstania świata wraz z czasem wymaga trudnych do przeprowadzenia analiz filozoficznych – trudnych z uwagi na brak analogii do tego, co daje się obserwować. Można nawet twierdzić, że powstanie świata wraz z czasem, a także powstanie samego czasu zakrawa na cud, czyli należy do tej sfery zjawisk, których zajście naruszałoby prawa natury.

Pewnym osłabieniem nieintuicyjności koncepcji powstania świata wraz z czasem jest być może przypuszczenie, że podobnie jak świat materialny /fizyczny/ mógł powstać w „drodze fluktuacji próżni” z pewnej rzeczywistości fizycznej „biedniejszej” od niego /np. uboższej we własności i relacje/ – od próżni fizycznej właśnie, tak też sam czas (jako pewna złożona struktura) mógł się wyłonić z pewnych elementów czasowych prostszych /uboższych/ od samego czasu. Koncepcja tego rodzaju jest obecna – o czym już wspominałem – np. w geometrodynamice Wheelera, zgodnie z którą materia redukuje się do (własności metrycznych) czasoprzestrzeni, czasoprzestrzeń zaś nie stanowi gotowego złożenia czasu i przestrzeni, gdyż zarówno czas jak i przestrzeń to złożone struktury relacyjne, powstałe z prostszych elementów preczasowych i pregeometrycznych.

V

Z trzech koncepcji dotyczących stosunku sekwencji czasowej „początku świata” do „początku czasu”: pierwszej, że świat pojawił się w czasie, drugiej, że świat pojawił się wraz z czasem, oraz trzeciej, że czas powstał w toku ewolucji świata, dawniej dominowała w teologii i filozofii koncepcja pierwsza /por. Mejbaum 1962, rozdz. IV/.

Na gruncie fizyki relatywistycznej, zakładającej raczej atrybutywną naturę czasu i przestrzeni /czasoprzestrzeni/, owa pierwsza koncepcja utraciła jednak, jak się zdaje, rację bytu, gdyż prowadziła do wniosku, że „był czas, kiedy nie było świata” 1. Wraz z tą koncepcją pozbywamy się problemu transcendencji czasu względem świata, problemu wynikającego z przekonania, że „był czas, kiedy nie było świata”, a więc że czas nie jest immanentną własnością rzeczywistości fizycznej, lecz czymś samodzielnym wobec świata, poprzedzającym jego istnienie. Podobne założenie o immanencji przestrzeni /a zatem także całej czasoprzestrzeni/ względem materii wydaje się czymś oczywistym: przestrzeń rozszerza się wraz z rozszerzaniem się materialnego świata i nie istnieje tam /i wtedy/, gdzie /i kiedy/ nie istnieje materia /materialna zawartość świata/.

Warto przy okazji odnotować, że trudniejszy do rozstrzygnięcia jest – analogiczny w pewnym sensie – problem transcendencji praw względem świata, a ściślej mówiąc, względem warunków początkowych. Jeśli bowiem założymy, że Wszechświat powstał w wyniku jakiegoś procesu w rodzaju „fluktuacji kwantowej”, to pogląd ten zdaje się nieuchronnie prowadzić do wniosku, że powstał on na mocy działania jakichś praw /prawidłowości/ kwantowych, które zatem istniały „zanim” pojawił się świat, czyli są transcendentne względem świata. Wygląda na to, że w wypadku zaistnienia świata w toku procesu kwantowego, istnienie świata /zajście warunków początkowych/ było „poprzedzone” przez istnienie jakichś prawidłowości rządzących światem oraz samym procesem jego powstania. Taki wniosek zdaje się nieuchronnie nasuwać, jeśli założymy tak zwaną dychotomię praw i warunków, uznawaną zazwyczaj w rozważaniach fizycznych i kosmologicznych. Zgodnie z tą dychotomią, prawa i warunki początkowe stanowią dwa „odrębne czynniki” opisu i wyjaśniania zjawisk, autonomiczne względem siebie, czyli nie dające się wyprowadzić jeden z drugiego.

VI

Jak zatem widać, koncepcje rzeczywistości protoczasowej, w której czas zaczyna się dopiero kształtować, mają we współczesnej fizyce i kosmologii swoje ugruntowanie teoretyczne. Dlatego przypisywanie czasowi miana kategorii uniwersalnej obejmującej całą materię, czyli Wszechświat na wszystkich stadiach jego ewolucji, może okazać się nieprawdziwe, z czego wynikną także doniosłe konsekwencje dla filozofii. W podobnej sytuacji może się znaleźć kategoria przestrzeni i, co za tym idzie, kategoria czasoprzestrzeni. Pociągnęłoby to za sobą również pewne zubożenie kategorii materialności świata: nie mogłaby ona zawierać w sobie czasoprzestrzennych charakterystyk, tak istotnych w dotychczasowych jej określeniach.

Przypisy:

[1]

Pewną wątpliwość budzi pod tym względem fakt, że – wbrew usilnym dążeniom Einsteina – nie udało się zrealizować na gruncie ogólnej teorii względności zasady Macha /zasady względności bezwładności/ oraz fakt, że – jak to widać z modelu de Sittera – równania tej teorii posiadają sensowne rozwiązania także dla Wszechświata pustego, pozbawionego materii.

Literatura

Augustynek Z. /1975/, Natura czasu, Warszawa.

Davies P. /2002a/, Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina, przeł. L. Kallas, Warszawa.

Davies P. /2002b/, Zagadka upływającego czasu, „Świat Nauki” nr 11, s. 24–29.

Greene B. /2001/, Piękno Wszechświata, przeł. E.L. Łokas i B. Bieniok, Warszawa.

Hawking S. /1990/, Krótka historia czasu, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa.

Heller M. /2001/, Kosmologia kwantowa, Warszawa.

Ingarden R. /1987/, Spór o istnienie świata, t. I oraz t. II, cz. 1, Warszawa.

Mejbaum W. /1962/, Kłopoty z początkiem świata, Warszawa.

Dodano dnia:8 czerwca 2014

Niedawno opublikowane