Czy czas jest iluzją?

Potrafimy go mierzyć, i to bardzo precyzyjnie, traktujemy go jako coś cennego, co można zaoszczędzić lub poświęcić, uskarżamy się na jego brak i tak naprawdę nawet nie potrafimy powiedzieć, czym właściwie jest. Nic dziwnego, że czas, jego upływ i związany z nim problem przemijania fascynują ludzi od tysiącleci.

Problem, jaki mamy z rozumieniem czasu, trafnie opisał św. Augustyn z Hippony. „Czymże więc jest czas? Jeśli nikt mnie o to nie pyta, wiem. Jeśli pytającemu usiłuję wytłumaczyć, nie wiem”. Każdy z nas intuicyjnie rozumie, czym jest czas i subiektywnie odczuwa jego upływ. Jednak nasze intuicje nie muszą być prawdziwe. Ludzie przez wieki wierzyli, że Ziemia jest płaska, gdyż właśnie tak podpowiadała intuicja, wspierana autorytetem zdrowego rozsądku. Odkrycie kulistości naszej planety doprowadziło do rewolucji światopoglądowej. A co stałoby się z naszymi przekonaniami, gdyby udało się przedstawić spójny obraz rzeczywistości, w którym nie ma miejsca na czas i zmienność?

Próbę wykazania iluzoryczności czasu Barbour podejmuje w swojej książce The End of Time (Koniec czasu). Jego poglądy na istotę czasu dobrze charakteryzuje następująca wypowiedź, nawiązująca do znanej baśni Hansa Andersena: „W odróżnienia od Króla, który nie był ubrany w nic, czas jest niczym ubranym w szaty. Można opisać jedynie te szaty”.

Koniec czasu czy koniec fizyki?

Na kartach The End of Time Barbour opisuje rewolucje, jakie na przestrzeni wieków zaszły w fizyce. Pierwszą z nich był przewrót kopernikański (1543), w wyniku którego Ziemia została usunięta z centrum Wszechświata. Druga rewolucja związana jest z wydaniem dzieła Principia mathemathica philosophiae naturalis w roku 1687 (pierwszy przekład tego dzieła na język polski ukazał się w roku 2011, Kraków, Copernicus Center Press). Isaak Newton przedstawił w nim zasadę powszechnego ciążenia i prawa rządzące ruchem ciał. Na kolejną rewolucję fizyka musiała czekać do roku 1905. Albert Einstein ogłosił wówczas szczególną teorię względności, która trzy lata później została uzupełniona o koncepcję czterowymiarowej czasoprzestrzeni Minkowskiego.

Kolejne rewolucje nadchodziły częściej. W 1915 Einstein przedstawił ogólną teorię względności, która dostarczyła kompletnego opisu Wszechświata w skali makro – czyli na poziomie galaktyk i ich gromad. Następna rewolucja związana była z opisem skali mikro – najmniejszych cząstek w przyrodzie. Teorię opisującą mikroświat – mechanikę kwantową – sformułowali Werner Heisenberg (1925 rok, mechanika macierzowa) i Erwin Schrodinger (mechanika falowa, rok później), natomiast równoważność obydwu podejść wykazał w roku 1930 Paul Dirac.

Od tego momentu fizykę dzieli się na dwa wielkie działy, którym odpowiadają dwie teorie: fizykę makroświata, opisywaną przez teorię względności, oraz fizykę mikroświata, gdzie obowiązują reguły mechaniki kwantowej.

Wielu uczonych, szczególnie fizyków teoretycznych i filozofów nauki, oczekuje kolejnej rewolucji, która połączy ze sobą makroświat z mikroświatem w ramach jednego, spójnego modelu teoretycznego. Jeżeli dojdzie do takiej rewolucji, nowa teoria, wyrażona w nowych równaniach, może zmienić fizyczny sens wielu pojęć – m.in. masy, przestrzeni, czasu.

Julian Barbour twierdzi, że zunifikowana teoria wykaże, iż czas nie odgrywa w fizyce aż tak ważnej roli, jak powszechnie się uważa. Nie dziwi zatem śmiały podtytuł jego książki: The Next Revolution in Phisics (Kolejna rewolucja w fizyce). Unifikacja, zdaniem Barboura, nie przyniesie końca fizyki, jak „prorokował” na kartach Krótkiej historii czasu Stephen Hawking, ale doprowadzi do „końca czasu”.

Newton i Leibniz – oś sporu

Pojmowanie czasu w fizyce i filozofii w dużej mierze wyznaczone jest przez słynny spór, który rozegrał się pomiędzy Isaacem Newtonem a Gottfriedem Wilhelmem Leibnizem. Pierwszy z nich uważał, że czas i przestrzeń wspólnie tworzą niewidzialny „pojemnik”, w którym – zgodnie z odkrytymi przez niego zasadami dynamiki – poruszają się ciała. Zdaniem Newtona zarówno przestrzeń, jak i czas są absolutne. Oznacza to, że upływ czasu jest czymś koniecznym i na fakt ten nie mogą mieć wpływu żadne czynniki zewnętrzne. W proponowanej przez niego wizji Wszechświata jest również miejsce na absolutną równoczesność zdarzeń.

Newtonowskiej koncepcji czasu absolutnego zdecydowanie przeciwstawił się Leibniz. Jego zdaniem czas i przestrzeń mają naturę relacyjną, nie zaś absolutną. Oznacza to, że czas i przestrzeń są tylko relacjami obiektów. Wszechświat Newtona bez problemu można wyobrazić sobie jako „pusty”, to jest taki, w którym nie znajdują się żadne obiekty (ciała), a mimo to absolutny czas i przestrzeń egzystują. Natomiast z punktu widzenia Lebiniza stwierdzenie, że świat jest pusty, oznacza automatycznie nieistnienie czasu i przestrzeni. Relacja może zachodzić bowiem tylko pomiędzy jakimiś rzeczami.

Julian Barbour zdecydowanie nie zgadza się z filozoficznymi poglądami Newtona na naturę czasu i przestrzeni. Z większą sympatią odnosi się do wizji Leibniza, tyle że jest jeszcze bardziej „radykalny” w relacyjnym pojmowaniu Wszechświata. Barbour eliminuje czas w fizycznym obrazie świata, uznając, że obiekty i zjawiska we Wszechświecie można opisać za pomocą bardziej pierwotnych pojęć.

Koncepcja Barboura do pewnego stopnia przypomina tzw. ontologię zdarzeń, określaną niekiedy jako ontologia Wszechświata-bloku (Block-Universe). Kluczowym pojęciem w tej koncepcji jest zdarzenie, rozumiane jako punkt w czterowymiarowej rozmaitości. Prościej rzecz ujmując, zdarzenie jest chwilą (wymiar czasowy), zlokalizowaną w jakimś punkcie (trzy wymiary przestrzenne). Czasoprzestrzenią – w takim ujęciu – określa się zbiór wszystkich zdarzeń.

Zdaniem Barboura, zdarzenia są najbardziej pierwotnymi elementami struktury Wszechświata. Przy ich pomocy można definiować zarówno procesy (jako zbiory zdarzeń), jak i obiekty (jako procesy charakteryzujące się stabilnością). Tym, co „faktycznie” istnieje we Wszechświecie są zdarzenia, a czas pojawia się tylko jako ich uporządkowanie. Poczucie przemijania związane jest z naszym umysłem, nie zaś z istniejącym obiektywnie czasem. Polski filozof i kosmolog Michał Heller wyjaśnia koncepcję Wszechświata-bloku w następujący sposób: „Wrażenie płynięcia czasu-przemijania powstaje w naszej świadomości, która tylko jakby w jednym punkcie styka się z czasoprzestrzenią i ten punkt styku nieustannie przesuwa się w kierunku, który nazywamy przyszłością (podobnie jak toczące się koło tylko w jednym punkcie swojego obwodu styka się z nieruchomą drogą)”.

Teraz!

Barbour podaje oczywiście szereg argumentów za odrzuceniem obiektywnego czasu absolutnego, niestety, przytaczanie ich wymagałoby znacznie głębszego zabrnięcia w fizykę (dla dociekliwych: nawiązuje on do słynnej zasady Macha oraz koncepcji Wheelera–De Witta). Przyjrzyjmy się tylko najprostszym z argumentów.

Wszechświat, według Barboura, składa się z konfiguracji obiektów. Nie trzeba odwoływać się do niewidzialnego pojemnika (absolutnej przestrzeni), ani do pojęcia czasu (czas absolutny), by fizycznie opisać Wszechświat. Konfiguracją nazwać można każdy przestrzenny układ obiektów. Jest nią zatem pewna liczba i struktura cząstek. Drugą z podstawowych kategorii jest teraz (Now).

Aby sensownie mówić o czasie, tak jak rozumiemy go potocznie i intuicyjnie, prócz teraz istnieć musiałyby również przed oraz po. Wtedy istnieć mogłyby przeszłość i przyszłość dzielone teraźniejszością. W koncepcji Barboura teraźniejszość (teraz) jest jednak wypadkową wszystkich możliwych konfiguracji przestrzennych. Nie istnieje natomiast przeszłość ani przyszłość, dlatego też czas jest iluzją.

To, co nazywane jest przez nas potocznie czasem, jest zakodowane w konfiguracjach przestrzennych, Skoro tak, to nie ma sensu odwoływać się do czegoś zewnętrznego – przestrzeń jest wystarczającym „klejem” do zespolenia ze sobą obiektów. Czym jest owo „teraz”?  Autor Końca czasu twierdzi, że teraz z może być utożsamiane z trójwymiarową migawką (3-dimensional snapshot), która związana jest na przykład z postrzeganiem przedmiotów w określonych pozycjach.

Rejestrowanie różnych teraz skłania nasz mózg do wprowadzenia jakiegoś porządku, co z kolei prowadzi – zdaniem Barboura – do wytworzenia się w naszej świadomości strzałki czasu i chronologicznego porządkowania zdarzeń. Zapamiętywane chwile i zjawiska kojarzone z przemijaniem (na przykład stygnięcie herbaty) umieszczane są w świadomości na „linii” i uważane za wcześniejsze niż aktualnie doświadczane teraz. Czas jest zatem raczej dziełem naszego mózgu niż tego, co dzieje się we Wszechświecie. Nasze poczucie czasowości wzmacniają ponadto „kapsuły czasu”, czyli zapisy tego, co uważamy za istniejące w przeszłości. Zamrażają one konfiguracje obiektów, które postrzegane były jako teraz. Mogą być nimi na przykład zdjęcia czy zapisy geologiczne. Nasza pamięć również może być uważana za swoistą „kapsułę czasu”. Przeszłość dociera do nas właśnie w tego typu świadectwach. Nie jest ona jednak niczym ponad to, co odbieramy przy pomocy kapsuł. Przeszłość wydaje się nam tym bardziej realna, im bardziej zapis, który odczytujemy z kapsuł jest spójny.

Dzięki kapsułom w naszych mózgach powstaje psychologiczna strzałka czasu. Nie odpowiada jej żadne prawo fizyki. Upływ czasu jest więc tylko iluzją, której wciąż ulegamy. Skoro jednak „iluzja” ta jest dziełem naszego aparatu poznawczego i nie możemy się jej pozbyć, to czy jest ona rzeczywiście iluzją? Neurobiologia i psychologia podpowiadają nam od dawna, że to co postrzegamy i zapamiętujemy w dużej mierze jest raczej wytworem, niż odbiciem rzeczywistości. Być może koncepcja Barboura jest rzeczywiście rewolucyjna z punktu widzenia fizyki teoretycznej, jednak czy zmienia ona cokolwiek w naszym obrazie świata?

Mateusz Hohol