Focus: Wszyscy wiemy, że czas płynie, czasami się wlecze, czasami ucieka. Czym jednak jest upływ czasu z punktu widzenia nauki?
prof. Carlo Rovelli: Wcale nie jest łatwo odpowiedzieć na to pytanie, bo upływ czasu może mieć kilka znaczeń, a każde z nich ma inne wyjaśnienie. Przede wszystkim gdy mówimy, że czas płynie, mamy na myśli to, że rzeczy wokół nas się zmieniają, np. poruszają się. Tym zajmuje się gałąź fizyki zwana mechaniką. Możemy też powiedzieć, że upływ czasu sprawia, że przyszłość jest inna niż przeszłość. To z kolei wyjaśnia nam termodynamika.
I wreszcie – co chyba najważniejsze – czujemy, że przeszłość jest niezmienna, ponieważ możemy ją sobie przypomnieć, natomiast przyszłość jest otwarta, więc możemy ją przewidywać i w pewnym zakresie zmieniać. Tym nie zajmuje się fizyka, lecz neuronauka, bo takie poczucie upływu czasu zależy od działania naszego mózgu.
Skupmy się na tym, jak fizyka traktuje czas. Kto pierwszy zajął się jego pomiarem?
– Czas mierzymy od bardzo dawna, ale naukowe podejście jako pierwszy zastosował Galileusz. Podobno siedział w kościele i ponieważ się nudził, obserwował kiwający się kandelabr. Zorientował się, że każde wahnięcie trwa tyle samo – zmierzył to za pomocą swojego pulsu. Ale na pomysł, że czas płynie sam z siebie, wpadł Isaac Newton. On pierwszy uznał, że nigdy nie mierzymy i nie obserwujemy czasu. Obserwujemy puls, wahadło czy coś, co spada – widzimy, jak zmienia się jedna rzecz względem drugiej. Newton powiedział: aby to opisać, wyobraźmy sobie zmienną t, której nigdy nie obserwujemy, i opiszmy wszelkie zdarzenia w odniesieniu do niej, bo to czyni obliczenia prostszymi.
Dziś jednak wiemy, że takie podejście sprawdza się tylko do pewnego momentu.
– Teorie Alberta Einsteina, które zostały zweryfikowane i potwierdzone doświadczalnie, dowiodły, że czas może płynąć z różną prędkością: w górach dzieje się to szybciej niż nad morzem. To mała różnica, której ludzie nie zauważają, ale można ją zmierzyć. A gdybyśmy udali się w podróż kosmiczną z bardzo dużą prędkością, po powrocie na Ziemię spotkalibyśmy własne dzieci, które stałyby się starsze od nas. Kiedyś wydawało się to niemożliwe i do dziś wielu ludziom wydaje się, że to coś dziwnego. Ale tak właśnie działają prawa fizyki.
Są jednak i tacy fizycy, którzy twierdzą, że czas w ogóle nie istnieje.
To zależy od tego, którą dziedziną fizyki się zajmują. W moim przypadku jest to fizyka teoretyczna, a konkretniej – tzw. kwantowa grawitacja, czyli próba pogodzenia teorii Einsteina ze zjawiskami zachodzącymi w świecie cząstek elementarnych. I tu faktycznie znaczenie czasu jest zupełnie inne niż to, którym posługujemy się na co dzień. W podstawowych równaniach, którymi się zajmuję, czas w ogóle nie występuje. Możemy więc uznać, że na najbardziej fundamentalnym poziomie fizyki nie istnieje ta zmienna t, o której mówił Newton.
Niełatwo jest to zrozumieć.
– Oczywiście, bo jesteśmy przywiązani do naszych codziennych doświadczeń i zakładamy, że te same reguły obowiązują także w innych miejscach czy sytuacjach. Ale to błąd. Weźmy chociażby takie pojęcia jak „góra” i „dół”. Na powierzchni Ziemi mają one sens, ale gdy przeniesiemy się
w kosmos, zupełnie go tracą. Dla astronauty zawieszonego w przestrzeni kosmicznej nie ma góry ani dołu. Podobnie jest z czasem – to, jak działa dla nas, nie przenosi się na inne obszary, takie jak skala całego wszechświata czy skala subatomowa.
Tam trzeba stosować inne podejście. To, co obecnie próbujemy zrobić, konstruując kwantową teorię grawitacji, to zapisanie podstawowych wartości opisujących świat – czyli pól grawitacyjnych, pól materii – nie jako zmiennych zależnych od czasu, lecz jako zmiennych zależnych jedna od drugiej. Czyli np. jak spada przedmiot, gdy poruszają się wskazówki zegara. Mamy dwa przedmioty materialne i jeden z nich wybrany został jako zegar. To oznacza, że może istnieć więcej niż jeden czas.
No dobrze, a co z podróżami w czasie? Czy z punktu widzenia nauki są one możliwe?
– Z pewnością możliwy byłby skok w przyszłość. Są na to co najmniej dwa sposoby. O pierwszym już wspomniałem – potrzebujemy bardzo szybkiego statku kosmicznego. Jeśli wystartujemy na jego pokładzie z Ziemi i wrócimy na nią nawet po krótkiej podróży, znajdziemy się w przyszłości, ponieważ czas na pokładzie takiego statku płynie wolniej niż na naszej planecie.
Drugi sposób to lot w pobliżu bardzo masywnej gwiazdy albo jeszcze lepiej – w pobliżu czarnej dziury. Jej silne pole grawitacyjne horrendalnie spowalnia upływ czasu. Wystarczyłoby pół godziny takiej podróży, byśmy przenieśli się w przyszłość o tysiąclecia. Z punktu widzenia nauki taka podróż jest możliwa, natomiast nasze technologie jeszcze do tego nie dorosły – statki kosmiczne, którymi dziś dysponujemy, są po prostu zbyt powolne.
A co ze skokiem w przeszłość?
– Tu sprawa jest bardziej skomplikowana. To, że czas płynie w jednym kierunku – z przeszłości w przyszłość – wynika z drugiego prawa termodynamiki: ciepło płynie z miejsca ciepłego do zimnego. Oznacza to, że we wszechświecie wciąż rośnie tzw. entropia, czyli stopień nieuporządkowania wszystkiego. Klasyczny
przykład to szklanka z wodą – jeśli spadnie ze stołu i się rozbije na kawałki, rośnie entropia elementów, które się na nią składały. Z punktu widzenia fizyki szklanka mogłaby się sama złożyć w całość z kawałków i napełnić wodą, ale jest to bardzo, bardzo mało prawdopodobne i dlatego takiego zjawiska nie obserwujemy na co dzień. To samo odnosi się do podróży w przeszłość – byłby to powrót do stanu, w którym entropia wszechświata jest niższa niż dziś. Teoretycznie jest to możliwe, ale tak bardzo mało prawdopodobne, że w praktyce będzie to raczej niemożliwe.
rozmawiał Jan Stradowski