Twoja wyszukiwarka

MAREK DEMIAŃSKI JERZY KOWALSKI-GLIKMAN
O CZYM MYŚLI CESARZ?
Wiedza i Życie nr 9/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 9/1998

ROGER PENROSE JEST TWÓRCĄ WIELU PRZEŁOMOWYCH IDEI FIZYCZNYCH I MATEMATYCZNYCH, A JEGO KSIĄŻKA PT. NOWY UMYSŁ CESARZA NIE TYLKO STAŁA SIĘ ŚWIATOWYM BESTSELLEREM, ALE WRĘCZ KANONEM LITERATURY POPULARNONAUKOWEJ. OTO ZAPIS WYWIADU, KTÓREGO PROFESOR PENROSE UDZIELIŁ "WIŻ".

Istnieje coś, co można by nazwać "zamrażarką fizyki teoretycznej", do której wkłada się nie rozwiązane problemy, jak na przykład problem osobliwości, ostatnich etapów ewolucji czarnych dziur itp. Tę zamrażarkę określa się mianem kwantowej teorii grawitacji. Jaka, według Pańskich wyobrażeń, będzie kwantowa teoria grawitacji?

Moje poglądy na temat kwantowej grawitacji różnią się od przekonań innych fizyków; nawet nie bardzo podoba mi się ta nazwa, bo implikuje próbę zastosowania metod mechaniki kwantowej do teorii grawitacji. W moim przekonaniu, małżeństwo mechaniki kwantowej i teorii grawitacji nie będzie związkiem, w którym jedna strona narzuca swoją wolę drugiej - tzn. takim, w którym teoria kwantów narzuca swoją wolę einsteinowskiej grawitacji - lecz będzie to związek bardziej zrównoważony, w którym w imię kompromisu obie strony będą musiały z czegoś zrezygnować. Oznacza to, że trzeba będzie dokonać zmian w podstawowych założeniach teorii kwantowej, jak również w naszych wyobrażeniach o tym, czym jest czas i przestrzeń.

Fot. Krzysztof Kaliński

Powtarza się często, iż w klasycznej teorii grawitacji istnieje problem osobliwości, które zostaną zlikwidowane w teorii kwantowej. Sądzę, że problem pomiaru w mechanice kwantowej jest co najmniej równie poważny, a być może nawet poważniejszy. Nie może on być rozwiązany w ramach samej mechaniki kwantowej; potrzebna jest pomoc z zewnątrz i wierzę, iż przyjdzie ona od teorii grawitacji. Tak więc obie te teorie będą musiały się zmienić.

Wynika z tego, że problem konstrukcji kwantowej teorii grawitacji jest bardzo trudny, gdyż tak naprawdę nie bardzo wiadomo, od czego zacząć. Jeśli przyjąć, iż obowiązują reguły teorii kwantowej, do konstrukcji kwantowej teorii grawitacji można zastosować wypracowane od lat procedury. Jeżeli natomiast wierzy się - tak jak ja - że mechanika kwantowa musi również ulec zmianie, to nie bardzo wiadomo, co należałoby zrobić. Problem ten wkładamy więc do "zamrażarki", bowiem nie mamy tak naprawdę żadnej wizji tego, jaki powinien być punkt wyjścia do konstrukcji nowej teorii.

Ponieważ nie widzę możliwości bezpośredniego zaatakowania tego problemu, usiłuję tak przeformułować teorię struktury czasoprzestrzeni, aby wydobyć ukryte związki z teorią kwantową i odgadnąć fundamentalną strukturę, która mogłaby łączyć obie te teorie.

W ostatnich kilkunastu latach pojawiło się kilka prób sformułowania teorii, które łączyłyby mechanikę kwantową z teorią grawitacji, na przykład teorie supergrawitacji i superstrun. Czy, Pana zdaniem, któraś z nich ma szansę na sukces?

Każda z tych teorii ma pewne interesujące elementy i myślę, że ich analizowanie jest jak najbardziej pożyteczne. Nie wydaje mi się jednak, aby którakolwiek z tych prób zakończyła się pełnym sukcesem, gdyż wszystkie naginają teorię grawitacji, nie zmieniając podstawowych założeń mechaniki kwantowej. Osobiście nie wierzę w ideę supersymetrii, ponieważ nie istnieją żadne dane doświadczalne potwierdzające tę teorię. Oczywiście, jeżeli odkryte zostaną przewidywane przez nią cząstki elementarne, to będę musiał zmienić swoje przekonania, choć nie myślę, żeby miało to bezpośredni wpływ na poszukiwanie kwantowej teorii grawitacji.

W moim przekonaniu, konieczne zmiany w teorii kwantowej będą miały istotny związek ze strukturą czasoprzestrzeni, czyli z teorią względności. Po pierwsze, istnieje problem osobliwości, w pobliżu których oczekujemy, że efekty kwantowe i grawitacyjne będą jednocześnie odgrywać ważną rolę. Po drugie, wyraźnie obserwujemy efekt niezwykłej asymetrii czasu, który m.in. przejawia się w tym, iż struktura osobliwości, która dała początek naszemu Wszechświatowi w Wielkim Wybuchu, jest zupełnie inna niż osobliwości powstałe w wyniku zapadania grawitacyjnego gwiazd. Innymi słowy, przeszłość różni się diametralnie od przyszłości. Obserwacja ta jest podstawą drugiej zasady termodynamiki, czyli prawa wzrostu entropii. Ta asymetria czasu musi być fundamentem, na którym opierać się będzie małżeństwo teorii grawitacji i teorii kwantów. Jest to oczywiście mój punkt widzenia i nie wszyscy się z tym zgadzają.

Odręczny szkic schematu doświadczenia zaproponowanego przez Penrose'a

Po trzecie, uważam, że mechanika kwantowa nie jest teorią kompletną. Składa się ona z dwóch elementów. Jednym z nich jest formalizm opisujący ewolucję tzw. funkcji falowej, który jest deterministyczny i niezależny od kierunku upływu czasu. Z drugiej strony, mamy do czynienia z pomiarem, który określa stan, w jakim układ się znajduje i zarazem - ze względu na swoją nieodwracalność - wyróżnia jeden kierunek upływu czasu. Ponadto problem pomiaru jest związany z nierozwiązanym do tej pory fundamentalnym zagadnieniem polegającym na określeniu, czym są ciała makroskopowe. Wydaje mi się, że asymetria czasowa pomiaru jest głęboko związana z asymetrią czasową osobliwości czasoprzestrzeni.

Czy dobrze Pana zrozumiałem: czyżby chciał Pan powiedzieć, że asymetria czasowa osobliwości czasoprzestrzennych jest w pewnym sensie przeciwieństwem asymetrii czasowej w mechanice kwantowej?

Tak, Wszechświat powstał w bardzo wyjątkowym stanie, w którym entropia pola grawitacyjnego była bardzo mała. Tak więc pole grawitacyjne stanowi pewien zbiornik, do którego można dodawać entropię, tworząc jednocześnie zorganizowane struktury istniejące obecnie we Wszechświecie, jak na przykład gwiazdy: gorące miejsca w zimnym Wszechświecie, bez których nie mogłoby powstać życie. W ten sposób w pewnym sensie korzystamy z małości entropii w początkowym stanie Wszechświata. Niektóre z gwiazd zamieniają się w czarne dziury charakteryzujące się olbrzymią entropią. Zgodnie z teorią Hawkinga, czarne dziury promieniują i choć jest to temat kontrowersyjny, wydaje się, że w procesie tym nie tylko tracą one masę, ale również zniszczeniu ulega informacja dotycząca ich przeszłości. Tak więc w procesie prowadzącym od Wielkiego Wybuchu do powstawania i wyparowania czarnych dziur entropia rośnie, a informacja ulega zniszczeniu.

Z drugiej strony, w procesie pomiaru w mechanice kwantowej uzyskujemy informacje o układzie, której przed pomiarem po prostu nie było. Jest to więc proces tworzenia informacji. Powstaje pytanie, czy oba te efekty równoważą się? Uważam, że tak jest i informacji tracona w procesie parowania czarnych dziur jest równoważona przez informacje uzyskiwane w kwantowym pomiarze. Są to jakby dwie strony tego samego medalu.

Próbuję od czas do czasu zainteresować tym problemem swoich studentów. Niestety, żadnemu z nich nie udało się go rozwiązać, czemu zresztą specjalnie się nie dziwię, gdyż sam nie bardzo wiem, jak się do tego zabrać.

Jest jeszcze jedno miejsce, w którym zapewne stykają się teoria grawitacji z mechaniką kwantową, mianowicie problem nieskończoności w kwantowej teorii pola. Być może grawitacja jest panaceum na problem nieskończoności. Ten punkt widzenia podziela wielu fizyków.

Jeżeli uważa Pan, że mechanika kwantowe nie jest zupełna, to czy widzi Pan możliwość doświadczalnego rozstrzygnięcia tego zagadnienia, eksperymentalnego sprawdzenia, czy istnieją efekty niezgodne z przewidywaniami standardowej mechaniki kwantowej?

Kilka lat temu zaproponowałem takie doświadczenie i rozmawiając na ten temat w zeszłym roku z Antonem Zeilingerem - jednym z najwybitniejszych
współczesnych eksperymentatorów, zajmujących się podstawami mechaniki kwantowej - ku mojemu zaskoczeniu dowiedziałem się, że można je w zasadzie przeprowadzić przy użyciu dostępnych technologii. Jest to bardzo trudne doświadczenie, w którym trzeba będzie m.in. z niezwykłą dokładnością obserwować efekty oddziaływań kryształka o wielkości pyłka kurzu z uderzającymi w niego pojedynczymi atomami. Budowa układu doświadczalnego potrwa zapewne kilka lat, ale przygotowania już się rozpoczęły.

W doświadczeniu tym będzie można po raz pierwszy sprawdzić bezpośrednio, jakie jest znaczenie efektów grawitacyjnych w świecie kwantowym i jego wynik być może nie tylko potwierdzi moje hipotezy, ale również pomoże nam lepiej wyobrazić sobie, na jakich podstawach opiera się małżeństwo teorii kwantów i teorii grawitacji.

Od pewnego czasu w swoich wypowiedziach podkreśla Pan wagę idei platońskich, które, Pana zdaniem, leżą u podstaw naszych wizji fizycznych i matematycznych. Nie ulega wątpliwości, że jednym z najważniejszych motorów napędzających rozwój fizyki było poszukiwanie realizacji w przyrodzie pięknych idei matematycznych, które odnajdujemy, spoglądając do wnętrza platońskiej jaskini. Podkreśla Pan, iż idee matematyczne są ponadczasowe i niezależne od fizycznego świata. Czy nie wydaje się Panu, że jest to coś w rodzaju naukowej religii, w której ponadczasowy i pozostający poza światem Bóg zastąpiony został ponadczasowymi ideami matematycznymi?

W moim rozumieniu platonizm matematyczny jest wiarą w obiektywnie istniejące ponadczasowe prawdy matematyczne, niezależne od ludzi i od sposobu, w jaki o nich myślimy. Weźmy jako przykład Wielkie Twierdzenie Fermata. Dzięki dowodowi Andrew Wilesa wiemy dziś, że jest ono prawdziwe. Ale twierdzenie to było słuszne zawsze; zanim zostało udowodnione przez Wilesa i nim Fermat je sformułował. Twierdzenia tego rodzaju są obiektywnie prawdziwe, niezależnie od kultury i jakichkolwiek ludzkich działań. Mamy zdolność percepcji tych twierdzeń i choć czasami bardzo trudno wydobyć je z platońskiej jaskini i istnieją różne sposoby, aby tego dokonać, to w moim przekonaniu istnieją one obiektywnie.

Z tym niemal wszyscy się zgadzają. Jednak z Pana rozumowania wynika, że prawdy matematyczne istnieją poza wszechświatem fizycznym. Patrząc z perspektywy kosmologicznej, wiemy, że nasz Wszechświat powstał w określonym momencie. Powstaje pytanie, czy platońska jaskinia praw matematycznych powstała równocześnie z Wszechświatem, czy istniała już wcześniej i zmieniała się wraz z jego ewolucją?

Trudno mi sobie wyobrazić, jak prawdy matematyczne mogłyby ewoluować. Czy miałoby to oznaczać, że Wielkie Twierdzenie Fermata stało się prawdziwe dopiero od pewnego momentu? Oczywiście, istnieją w matematyce zagadnienia, jak na przykład aksjomat wyboru, które nie mają tak jednoznacznie określonego statusu, jak twierdzenie Fermata, i co do znaczenia których toczy się debata. W moim przekonaniu, nie spieramy się jednak o to, czy stwierdzenia takie należą do świata platońskiego, ale o sposób interpretacji tego, co udało nam się o nich dotychczas dowiedzieć.

Jeśli chodzi o "kosmologiczny" problem, kiedy powstała matematyka, to słowo "wcześniej" nie jest tu odpowiednie. Można dyskutować, czy prawa fizyki były takie same przed Wielkim Wybuchem, natomiast w moim przekonaniu matematyka po prostu jest. Istniała ona wcześniej, jeśli odpowiednio interpretuje się "wcześniej", mówiąc, że matematyka nie zależy od świata fizycznego.

Chciałbym postawić to pytanie w trochę innej perspektywie; mianowicie, czy świat fizyczny ma swoje korzenie w matematyce? Mam tu na myśli przekonanie, że wszystkie zjawiska fizyczne we Wszechświecie dają się opisać prawami matematycznymi. Jestem o tym głęboko przekonany. Oczywiście, można sobie wyobrazić, że odkryjemy kiedyś zjawiska, które nie dadzą się wytłumaczyć za pomocą matematyki, ale dotychczas takich zjawisk nie zaobserwowano. Im więcej wiemy o świecie fizycznym, tym bardziej jesteśmy przekonani, że u podstaw jego działania leżą prawa matematyczne. Dobrym przykładem jest ogólna teoria względności. Einstein najpierw wyraził swoje idee fizyczne za pomocą eleganckiego języka matematycznego, a dopiero później przewidywania tej teorii zostały eksperymentalnie potwierdzone. Zgodność przewidywań teorii względności z obserwacjami jest jak dotychczas najlepsza spośród wszystkich znanych nam teorii fizycznych. Jest to teoria mówiąca o fundamentalnych własnościach przestrzeni i czasu; jeśli więc widzimy jedność matematyki i fizyki na tak bardzo podstawowym poziomie, to stanowi to bardzo silną przesłankę sugerującą, że jedność ta istnieje ogólnie.

Czy podziela Pan pogląd, że społeczeństwo jako całość jest dość obojętne w stosunku do osiągnięć nauki? Kiedy opowiada się ludziom o rzeczach, które my, fizycy, uważamy za fascynujące: o początku Wszechświata, badaniach astrofizycznych, czarnych dziurach, często pada pytanie o wymierną korzyść z tych badań. Dlaczego, Pana zdaniem, ludzie tak mało interesują się poznaniem obiektywnej rzeczywistości?

W pewnym sensie odzwierciedla to priorytety współczesnego społeczeństwa. Uważam, że taki stan rzeczy jest częściowo spowodowany faktem, iż informacje o współczesnych badaniach naukowych przenikające do społeczeństwa są bardzo powierzchowne. Jest tak w przypadku brytyjskich telewizyjnych programów popularnonaukowych, bo ich twórcy obawiają się, że jeśli staną się zbyt głębokie, ludzie po prostu zmienią kanał.

Nie jestem jednak pesymistą i myślę, że wiele osób naprawdę interesuje się tym, co robimy. Istnieje oczywiście grupa ludzi, których nasza praca zupełnie nie obchodzi. W moim pokoju hotelowym znalazłem dwa pisma, które były całkowicie poświęcone zarabianiu pieniędzy i nie było w nich żadnych informacji nie tylko o osiągnięciach naukowych, ale wręcz wydarzeniach kulturalnych. Chciałoby się zapytać, jaki jest sens bycia bogatym, jeśli staje się to celem samym w sobie i nie pozostawia ludziom czasu na cieszenie się życiem?

Dziękujemy za rozmowę.

ROGER PENROSE jest profesorem na wydziale matematyki uniwersytetu w Oksfordzie. Jest on twórcą (wspólnie ze Stephenem Hawkingiem) przełomowych twierdzeń mówiących o tym, że osobliwości są konsekwencją ogólnej teorii względności. Dokonał również znaczącego wkładu w rozwój matematyki, szczególnie topologii algebraicznej. Roger Penrose napisał kilka książek popularnonaukowych, a jego Nowy umysł cesarza stał się światowym bestsellerem.