Fizyki kwantowej kłopoty z czasem

Zastanawiam się czym zajmuje się filozofia nauki. Czy jej istotą jest poszukiwanie różnic między nauką a nie-nauką?

To jest klasyczny problem filozofii nauki. Tak zwany problem demarkacyjny. Co jest jeszcze nauką, a co nauką nie jest. Inne pytania: jakie są nauki, czym różnią się od siebie, czy jest jedna metoda naukowa?

Zastanówmy się nad fizyką. Czy musi mieć bazę obserwacyjną, a może nie musi? Fizycy lubią matematykę. Budują piękne teorie. Wspaniałe! Po prostu, matematyka najwyższych lotów. Ale potem pojawia się pytanie: czy to się da zaobserwować. Wówczas okazuje się, że nie za bardzo.

Filozof nauki to osoba, która w takim momencie mówi: sprawdzam. Od 200 czy 300 lat upieramy się, że aby coś było nauką trzeba dokonać obserwacji. Ale czy mówienie o czymś, czego nie da się zaobserwować, to jeszcze nauka przyrodnicza? Fizycy teoretyczni nie bardzo lubią się zajmować tym „sprawdzaniem". To dobrze, bo oni mają inną robotę do wykonania.

Czy to sprawdzanie wiąże się z metodologią naukową?

Oczywiście. Niektórzy nawet używają tych nazw wymiennie: filozofia nauki, metodologia naukowa. To są bliskie sobie rzeczy zamykające się wokół hasła: jak uprawiać naukę. To naukowcy decydują o zastosowanych metodach. Oni siłą rzeczy dużo lepiej wiedzą jak prowadzić badanie, doświadczenie, jaki standard dowodu jest dla nich zadowalający. Natomiast historycznie ogólne zasady ustalali nie tylko naukowcy, ale też osoby, które miały szersze zainteresowania, jak David Hume albo Karl Popper.

Gdzie jest granica między nauką, a pseudonauką? Czy badania prowadzone przez laureatów Ig Nobla są pseudonauką?

Laureaci Ig Nobla zajmują się nauką i to świetną nauką. Bardzo lubię Ig Noble. To prawda, na początku, idea była taka żeby wyśmiewać. Jedną z pierwszych nagród dostał Jacques Benveniste za pamięć wody, czyli ideę pseudonaukową. Natomiast dzisiaj zwykle przyznaje się je za autentyczne osiągnięcia naukowe, tyle, że nietypowe, zastanawiające, zabawne. Jedną z nagród przyznano naukowcom, którzy testowali wpływ noszenia różnego rodzaju spodenek – poliestrowych, bawełnianych, wełnianych – na życie seksualne szczurów. To się może wydawać absurdalne, ale późniejsza wersja tego badania wykazała, że noszenie poliestrowych spodni przez mężczyzn może negatywnie wpływać na stan ich nasienia.

Albo inny przykład, profesor Andre Geim, który dostał Ig Nobla za lewitującą żabę, czyli badanie nadprzewodnictwa później dostał prawdziwego Nobla za odkrycie grafenu. Te badania często wiążą się z tabu: seksem, wydzielinami ludzkiego ciała, nagością, ale to też solidna nauka.

Czemu mechanika kwantowa jest tak obficie okraszona filozofią?

Nie powiedziałbym tak. Mechanika kwantowa sama w sobie jest dojrzałą teorią fizyczną, wyposażoną w aparat matematyczny, w eksperymenty laboratoryjne. W książce „Co się dzieje w świecie kwantów", której jestem współautorem, opisujemy eksperymenty, bardzo dobrze sprawdzone badania wykonywane w różnych wersjach w warunkach laboratoryjnych. Fizyka kwantowa jest na użytku technologii, jest wykorzystywana w fizyce ciała stałego, w komputerach, w tysiącu różnych innych zastosowań, choćby w medycynie. Da się ją uprawiać i przeważająca większość fizyków tak to właśnie robi, nie włączając do tego absolutnie żadnej filozofii. Natomiast powiedziałbym inaczej, że jeśli się nad nią troszeczkę zastanowić, skłania do filozofowania.

Jest Pan zwolennikiem interpretacji mechaniki kwantowej na zasadzie „zamknij się i licz"?

Jeśli jest do wykonania konkretne zadanie to, tak, „zamknij się i licz". Kiedy studiowałem fizykę mieliśmy przedmiot mechanika kwantowa i rozwiązywaliśmy zadania. Taki szkolny przykład: jakie będą poziomy energetyczne atomu wodoru. Tworzymy tak zwaną studnię potencjału, wpuszczamy tam cząstkę, liczymy i mają wyjść pewne liczby. To jest konkretne zadanie do rozwiązania i wtedy trzeba robić porządną naukę, trzeba się zamknąć, nie filozofować i liczyć. Ja to bardzo szanuję i podkreślam, że to jest właśnie fizyka kwantowa.

Natomiast bardzo ostro protestuję przeciwko mówieniu, że wszelkie filozofowanie na temat mechaniki kwantowej jest niepotrzebne. Tak po prostu nie jest. Pokazuje to jednoznacznie historia mechaniki kwantowej. W zasadzie wszyscy jej twórcy, czy to w latach 30-tych, czy 50-tych, czy 70-tych, aż do dzisiaj, do XXI wieku, wszystkie ważne dla fizyki kwantowej osoby, może z wyjątkiem Feynmana, coś tam sobie na ten temat filozofowały. Zajmowały się choćby tak zwanymi interpretacjami mechaniki kwantowej. Pytaniami o to czy funkcja falowa istnieje, czy nie istnieje, czy świat jest deterministyczny, czy niedeterministyczny. Powiedziałbym, że empirycznie fałszywe jest to, że fizyka kwantowa nie prowadzi do filozofii.

W waszej książce, tłumaczycie z Panem Marcinem Łobejko różnice w interpretacjach mechaniki kwantowej. Mam jednak wrażenie, że pomijacie kwestię czasu. W teorii Einsteina czas i przestrzeń zmieniają się dynamicznie, w teorii kwantowej zmienia on się w zasadzie liniowo.

To osobny problem w jaki sposób pogodzić mechanikę kwantową z ogólną teorią względności. Po prostu, tempo upływu czasu może być uzależnione od efektów grawitacyjnych, od względnej prędkości obserwatorów. Do pewnego stopnia to już się udało. Dziś mamy do czynienia z tak zwaną relatywistyczną teorią kwantową. Jednak to nie jest tematem tej książki. To co chcieliśmy pokazać w żaden sposób nie jest uzależnione od tych problemów. Nas interesują fundamenty klasycznej fizyki kwantowej.

Zadajemy proste pytania: co z tego wszystkiego o czym mówi mechanika kwantowa naprawdę istnieje, jaki świat wyłania się z fizyki kwantowej. To są tak zwane interpretacje mechaniki kwantowej. Kolejne to w jaki sposób połączyć świat kwantowy z tym, który nazywamy światem klasycznym, czyli takim normalnym, bezpiecznym, znany z życia codziennego. Problem polega na tym, że świat kwantowy jest dziwny, nieintuicyjny. Ma sporo cech, których nie widzimy w życiu codziennym.

W mechanice kwantowej istnieje równanie (DeWitta-Wheelera), które opisuje kosmos statyczny, całkowicie pozbawiony zegarów. Może czas jest iluzją, która stała się faktem z powodu naszych przyzwyczajeń?

Na pewno iluzją nie jest zmienność. Rzeczy się zmieniają. Gdyby się nie zmieniały to nie zaobserwowali byśmy sytuacji, w której mamy otwarte usta, a później zamknięte. Więc czas w jakimś sensie istnieje. Natomiast, to czy istnieje jakaś rzecz, która nazywałaby się „czas", czy można ją wypreparować i zrobić z niej element świata jest już inną sprawą. Oczywiście, można bawić się modelami matematycznymi

i znaleźć taką wizję świata w której czas nie istnieje. Znane są takie modele. Większość z nich została doświadczalnie wykluczona, ale można opracować taki model kosmologiczny. W tym modelu istniałby świat, który po prostu się zmienia. Co Pan sobie wyobraża kiedy mówi: czas?

Wyobrażam sobie coś co ma przeszłość, przyszłość, teraźniejszość i jest liniowe.

No właśnie. Wyobrażamy sobie jakąś linię gdzie mamy zaznaczone różne momenty, którymi możemy żonglować, mówić o nich jednocześnie. W ten sposób nadajemy czasowi pewną realność.

Stoi przede mną filiżanka z kawą. Na naszej osi czasu możemy zaznaczyć momenty, w których ona jest pełna, wypita w połowie i pusta, co zapewne nastąpi za kilka minut. Jeśli zastanowimy się nad tym, to w ramach Pana wizji filiżanka tak samo silnie istnieje w każdym z tych trzech stanów. Czym więc rożni się nasza filiżanka w chwili obecnej od wszystkich pozostałych. Jeśli wyobrażę sobie tę oś, to z teraźniejszością jest straszny problem, ponieważ tego „teraz" w zasadzie nie ma. Który fragment tej osi czasu jest teraźniejszy?

Wydaje się, że ten, który jest w tej chwili.

Ale który to jest? 13.58.17, nie, ten już jest nieaktualny. 13.58.19, nie, ten też już przepadł, 13.58.21... Jeśli przeprowadzimy takie rozumowanie to okaże się, że każdy z nich jest tak samo teraźniejszy jak każdy inny. Nie potrafimy wskazać momentu w czasie, który jest bardziej teraźniejszy. Świat nam się rozpadł na kawałki, bo nie ma teraz. Kompletne wariactwo. Jeżeli przyjmiemy taką wizję, że czas to jest jakieś „coś", to wpadamy w kłopoty. Zaczynamy o nim myśleć przedmiotowo. Te wszystkie momenty w czasie są dla nas jak klatki w filmie i każda z nich jest równie ważna.

Wróćmy do czasu przeżywanego. Wszyscy wiedzą kiedy jest teraz. Nie ma na ten temat żadnej dyskusji. Teraz jest teraz. Powiem więcej, na poziomie bezpośredniego doświadczenia nie ma innego czasu niż teraz. Nie da się sobie wyobrazić przeżycia, które nie jest teraz.

Podobno w Afryce żyją plemiona, które nie znają czasu przeszłego, ani przyszłego. Wszystko jest dla nich tu i teraz.

Ale naprawdę my wszyscy tak żyjemy. Proszę wyobrazić sobie różnicę między bólem teraz, a bólem przyszłym, albo przeszłym. Przyszły może nas nie spotkać, przeszły rozmywa się w pamięci. Ból, żeby nie był przewidywaniem lub wspomnieniem, żeby był naprawdę bólem, musi być tu i teraz. Nie ma bólu, który nie jest teraz. A przecież ból istnieje. Nie ma co do tego wątpliwości. Czyli musi być coś takiego jak „teraz".

Jeśli zastanowimy się nad fizyką, to bardzo łatwo w niej wpaść w abstrakcję. W tej sytuacji kusi aby czas strywializować, aby stał się on kolejnym parametrem matematycznym.

Podobna sytuacje jest z „tutaj".

Tutaj jest odpowiednikiem teraz. To w sumie jest fajne. Bo są zasadniczo dwie perspektywy. Pierwsza, wychodzimy od swojego doświadczenia pierwszoosobowego, mojego przeżywanego ja, mojego strumienia świadomości wówczas uzyskujemy tylko jeden obraz świata. Tutaj i teraz, jest tu i teraz, na moim fotelu, w mojej przestrzeni czasowej, a Pan jest tylko obiektem w moim polu widzenia.

Fizyka nam to niestety trochę komplikuje bo ona jest takim okiem z zewnątrz. To ona jest tą drugą perspektywą. W fizyce nie ma wyróżnionego ani miejsca, ani czasu. Głęboko w nią jest wpisane, że teraz, kiedyś i w przyszłości nie różnią się niczym. Nie może być wyróżnionego miejsca w przestrzeni i czasie, bo rozsypałaby się cała fizyka. Przy założeniu, że jest takie miejsce, utracilibyśmy całą kosmologię, mechanikę...