Jednym z najdziwniejszych aspektów mechaniki kwantowej jest splątanie, ponieważ dwie splątane cząstki oddziałują na siebie na duże odległości, co na pierwszy rzut oka narusza podstawową fizyczną zasadę lokalności: to, co dzieje się w pewnym punkcie przestrzeni, może wpływać tylko na punkty w pobliżu. Ale co, jeśli lokalność - i sama przestrzeń - nie są wcale takie fundamentalne? George Masser bada możliwe konsekwencje tego w swojej nowej książce Spooky Action At a Distance. (Albert Einstein nazwał splątanie kwantowe „niesamowitą akcją na odległość”).
Kiedy filozof Jennan Ismael miała dziesięć lat, jej ojciec, urodzony w Iraku profesor Uniwersytetu Calgary, kupił na aukcji dużą drewnianą szafkę. Po przejrzeniu go, natknęła się na stary kalejdoskop i była zachwycona. Eksperymentowała z nim godzinami i zorientowała się, jak to działa. „Nie powiedziałam siostrze, że go znalazłam, bo bałam się, że to przyjmie” - wspomina.
Kiedy zajrzysz do kalejdoskopu i obrócisz fajkę, wielobarwne postacie zaczynają kwitnąć, wirować i łączyć się w pozornie całkowicie niewytłumaczalny i nieprzewidywalny sposób, jakby wywierały na siebie niesamowity efekt z daleka. Ale im bardziej je podziwiasz, tym bardziej zauważasz wzorce w ich ruchu. Kształty na przeciwnych końcach twojego pola widzenia zmieniają się zgodnie, a ta symetria pozwala ci zrozumieć, co się naprawdę dzieje: te kształty nie są obiektami fizycznymi, ale obrazami obiektów - odłamkami szkła, które obracają się wewnątrz tuby lustra.
„Jest jeden kawałek szkła, który pojawia się nadmiarowo w różnych częściach przestrzeni” - mówi Ismael. „Jeśli skupisz się na całości obejmującej przestrzeń, fizyczny opis trójwymiarowego kalejdoskopu byłby dość prostą historią przyczynową. Jest kawałek szkła, odbija się w lustrach i tak dalej”. Widziany w rzeczywistości kalejdoskop nie jest już tajemnicą, choć wciąż zaskakuje.
Dekady później, przygotowując się do wykładu na temat fizyki kwantowej, Ismael przypomniał sobie kalejdoskop i kupił zupełnie nową błyszczącą miedzianą rurkę w aksamitnym etui. Stał się, jak ją olśniło, metaforą nielokalności w fizyce. Być może cząstki w eksperymentach ze splątaniem lub galaktyki w odległych granicach galaktyki zachowują się dziwnie, ponieważ są projekcjami - w pewnym sensie kreacjami wtórnymi - istniejącymi w zupełnie innym obszarze obiektów.
„W przypadku kalejdoskopu wiemy, co musimy zrobić: musimy zobaczyć cały system; musimy zobaczyć, jak powstaje obraz przestrzeni, mówi Ismael. - Jak zbudować analogię dla efektów kwantowych? Aby to zrobić, musisz zobaczyć kosmos, który znamy - kosmos codzienny, w którym mierzymy zdarzenia zlokalizowane w różnych częściach kosmosu - jako nierozerwalną strukturę. Być może patrząc na te dwie części, widzimy to samo wydarzenie. Oddziałujemy z tym samym elementem rzeczywistości w różnych częściach przestrzeni”.
Razem z innymi kwestionuje założenie, za którym podąża prawie każdy fizyk i filozof od czasów Demokryta, że przestrzeń jest najgłębszym poziomem fizycznej rzeczywistości. Tak jak scenariusz spektaklu opisuje działania aktorów na scenie, ale poprzedza scenę, tak prawa fizyki tradycyjnie przyjmują istnienie przestrzeni za pewnik. Dziś wiemy, że wszechświat to coś więcej niż tylko rzeczy w kosmosie. Zjawisko nielokalności przeskakuje przestrzeń; nie ma miejsca, w którym jest ograniczone. Przejawia się na poziomie rzeczywistości głębszej niż przestrzeń, gdzie pojęcie odległości nie ma już znaczenia, gdzie odległe rzeczy wydają się być blisko, jakby to samo pojawia się w więcej niż jednym miejscu, jak liczne obrazy jednego kawałka szkła w kalejdoskopie.
Kiedy myślimy o terminach na tym poziomie, połączenia między cząstkami subatomowymi na stole laboratoryjnym, wewnątrz i na zewnątrz czarnej dziury oraz między przeciwległymi częściami wszechświata nie wydają się już tak przerażające. Michael Heller, fizyk, filozof i teolog z Papieskiej Akademii Teologicznej w Krakowie, mówi: „Jeśli zgodzisz się, że fizyka jest zasadniczo nielokalna, to jest to całkiem naturalne, ponieważ dwie cząstki, które są daleko od siebie, znajdują się na jeden podstawowy poziom nielokalny. Dla nich przestrzeń i czas nie mają znaczenia”. Dopiero gdy spróbujesz wizualizować te zjawiska z perspektywy kosmicznej - co jest wybaczalne, ponieważ jesteśmy przyzwyczajeni do takiego myślenia - mylą one nasze rozumienie.
Film promocyjny:
Idea głębokiego poziomu wydaje się naturalna, bo przecież fizycy zawsze do niego dążyli. Ilekroć nie mogli zrozumieć pewnych aspektów naszego świata, zakładali, że jeszcze nie dotarli do sedna tego wszystkiego. Zbliżyli się i zobaczyli klocki. To, że woda w stanie ciekłym może się gotować lub zamarzać, jest nieco tajemnicze. Ale te przemiany mają sens, jeśli przedstawimy stan ciekły, gazowy i stały nie jako substancje elementarne, ale jako różne formy jednej podstawowej substancji.
Arystoteles uważał różne stany wody za różne wcielenia tak zwanej materii pierwotnej, a atomiści - trafnie - uważali, że atomy są przestawiane w bardziej sztywne lub swobodne struktury. Masowo te cegiełki materii uzyskują właściwości, których indywidualnie brakuje. Podobnie przestrzeń może składać się z części, które same w sobie nie są przestrzenne. Części te można również rozmontować i ponownie złożyć w struktury nieprzestrzenne, takie jak te, które wskazują na czarne dziury i Wielki Wybuch.
„Czasoprzestrzeń nie może być fundamentalna” - mówi teoretyk Nima Arkani-Hamed. „Powinien być wykonany z czegoś prostszego”.
To myślenie całkowicie odwraca fizykę. Nielokalność nie jest już tajemnicą; jest rzeczywistością, a lokalność staje się prawdziwą tajemnicą. Kiedy nie możemy już dłużej traktować przestrzeni za pewnik, musimy wyjaśnić, czym ona jest iz czego wynika, niezależnie lub w procesie jednoczenia się z czasem.
Oczywiście budowanie przestrzeni nie będzie tak łatwe, jak wtapianie cząsteczek w ciecz. Co może być jego cegiełką? Zwykle mówimy, że bloki konstrukcyjne powinny być mniejsze niż rzeczy, które je tworzą. Jeśli zbudujesz szczegółową wieżę Eiffla z wykałaczek, nie będziesz musiał wyjaśniać, że wykałaczki są mniejsze niż wieża.
Ale jeśli chodzi o przestrzeń, nie ma „mniej”, bo sama wielkość jest pojęciem przestrzennym. Bloki konstrukcyjne nie mogą poprzedzać spacji, jeśli ma je wyjaśniać. Nie powinny mieć ani rozmiaru, ani przestrzeni; muszą być wszędzie, w całym wszechświecie i nigdzie w tym samym czasie, aby nie można ich było szturchnąć. Co dla czegoś oznacza brak pozycji? Gdzie ona będzie? „Kiedy mówimy o wypływającej czasoprzestrzeni, musi ona wypływać z pewnych ram, od których jesteśmy bardzo daleko” - mówi Arkani-Hamed.
W filozofii Zachodu królestwo poza kosmosem było tradycyjnie uważane za królestwo poza fizyką - miejsce obecności Boga w teologii chrześcijańskiej. Na początku XVIII wieku „monady” Gottfrieda Leibniza - które przedstawiał jako prymitywne elementy wszechświata - istniały, podobnie jak Bóg, poza przestrzenią i czasem. Jego teoria była krokiem w kierunku powstającej czasoprzestrzeni, ale pozostała na polu metafizyki, luźno związana ze światem rzeczy konkretnych. Jeśli fizykom uda się wyjaśnić powstającą przestrzeń, będą musieli opracować własną koncepcję braku przestrzeni.
Einstein przewidział te trudności. „Być może… powinniśmy w zasadzie porzucić kontinuum czasoprzestrzenne” - napisał. - Można sobie wyobrazić, że ludzka pomysłowość kiedyś znajdzie metody, które umożliwią tę drogę. Obecnie jednak taki program wygląda jak próba oddychania w pustej przestrzeni”.
John Wheeler, znany teoretyk grawitacji, zasugerował, że czasoprzestrzeń została zbudowana z „pregeometrii”, ale przyznał, że była to tylko „idea dla samej idei”. Nawet Arkani-Hamed podziela jego wątpliwości: „Te problemy są bardzo złożone. Nie sposób o nich rozmawiać w języku, do którego jesteśmy przyzwyczajeni”.
Tym, co skłania Arkani-Hamed i jego współpracowników do dalszych działań, jest znalezienie sposobów, które opisał Einstein - sposobów opisu fizyki w przypadku braku przestrzeni, oddychania w próżni. Wyjaśnia te próby historią: „Od ponad 2000 lat ludzie zadawali pytania o głęboką naturę przestrzeni i czasu, ale były one przedwczesne. W końcu dotarliśmy do epoki, w której można zadawać te pytania i mieć nadzieję na uzyskanie znaczących odpowiedzi”.
Na podstawie materiałów z Gizmodo
Ilya Khel
