Kłopoty fizyki i kosmologii z uniwersalnością czasu

Kłopoty fizyki i kosmologii z uniwersalnością czasu są nieuniknione. Czas jest kategorią rodzącą rozmaite paradoksy. Sprawia też liczne kłopoty filozofom i uczonym rozlicznych specjalności. Filozofowie borykają się, bez większych osiągnięć, z kwestią uchwycenia natury czasu, czy kwestią realności upływu czasu¹Zob. np. Z. Augustynek, Natura czasu, PWN, Warszawa 1975; P. Davies, Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina, Prószyński i S-ka, Warszawa. oraz 2002b, Zagadka upływającego czasu, „Świat Nauki” 11, s. 24–29..

Fizycy mają znaczne osiągnięcia w takich zagadnieniach, jak stosunek czasu do materii lub wzajemne relacje między czasem i przestrzenią. Problemy te częściowo rozjaśniła fizyka relatywistyczna. Obecnie intensywnie badany jest problem kwantyzacji czasu (i przestrzeni), związany z drugą najbardziej fundamentalną teorią fizyki współczesnej – mechaniką kwantową. Podjęła go także współczesna kandydatka na kwantową teorię grawitacji – teoria superstrun. Pewne ważne ustalenia fizyczne uzyskano w badaniach termodynamicznych nad strzałką (asymetrią) czasu, związaną z podziałem czasu na dwa odrębne obszary – przeszłość i przyszłość – rozgraniczone przez teraźniejszość²Zob. np. P. Davies, 2002a, rozdz. IX: Strzałka czasu..

W tym krótkim materiale zarysowane zostaną kłopoty fizyki i kosmologii z uniwersalnością czasu, w zastosowaniu do Wszechświata, na wszystkich etapach jego ewolucji.

 1.

Trzydzieści lat temu wybitny fizyk i filozof niemiecki C.F. Weizsäcker uznał czas i prawdopodobieństwo (dotyczące przyszłości) za dwa podstawowe pojęcia mechaniki kwantowej, ujmowanej jako najbardziej fundamentalna teoria świata fizycznego. Teoria taka – w przekonaniu Weizsäckera – powinna opisywać „warunki wszelkiego możliwego doświadczenia”, w sensie Kanta. Natomiast sam czas, podlegać powinien niezbudowanej jeszcze „logice czasów” (tense logic), której szczególnym przypadkiem byłaby logika kwantowa³Zob. C.F. Weizsäcker, Jedność przyrody, Warszawa 1978, s. 259 –291..

Także w filozofii – jak wiadomo – szeroko rozpowszechniony jest pogląd, że czas i przestrzeń stanowią atrybuty, czyli nieodłączne cechy („formy istnienia”) wszelkiej materii.

Tymczasem współczesna kosmologia kwantowo-relatywistyczna (zwana też krótko kosmologią kwantową) zdaje się degradować czas do kategorii drugorzędnej. Kategorii pozbawionej uniwersalnej ważności w procesie opisu świata kosmicznego jako ewoluującej całości. Czyni to zresztą na wiele sposobów. Bo oto według znanego modelu „Wszechświata bez brzegów” Hartle’a – Hawkinga, przed progiem Plancka (t = 10^–43 sek od momentu Wielkiego Wybuchu), czas, jako taki, w ogóle nie istniał. Będąc pozbawiony orientacji przeszłość – przyszłość (izotropowy), stanowił faktycznie niczym nie wyróżniający się wymiar (jeden z wymiarów) przestrzeni⁴S. Hawking, Krótka historia czasu, Wyd. „Alfa”, Warszawa 1990, s. 127– 134 oraz M. Heller, Kosmologia kwantowa, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001, rozdz. VI: Wszechświat Hawkinga.

Podobnie przy próbach kwantowego opisu początkowych faz ewolucji Wszechświata wprowadza się pojęcie aczasowej rzeczywistości kwantowej. Podlegała ona wprawdzie przemianom, nie były to jednak zmiany rozgrywające się w czasie, rozumianym jako pewien zewnętrzny wobec tych zmian parametr ⁵P. Davies, 2002a, dz. cyt.. W tym samym kierunku zdaje się zmierzać kosmologia kwantowo-strunowa rozwijana przez ostatnie dziesięciolecie na podstawie teorii superstrun. Rozważane w ramach tej kosmologii pojęcie początkowej aczasowej rzeczywistości strunowej, wydaje się – wbrew zdroworozsądkowym wyobrażeniom – pojęciem całkiem dobrze określonym. Wreszcie także koncepcja „nieprzemiennego Wszechświata” oparta na nieprzemiennej geometrii prowadzi do „bezczasowej fizyki”, zgodnie z którą „w erze Plancka obowiązywał (…) bezczasowy model (…)”⁶M. Heller, dz. cyt., s. 121..

Zresztą już wcześniej John Wheeler w swej geometrodynamice zarysował możliwość, że czas posiada złożoną strukturę, która powstała z pewnych prostszych elementów preczasowych.

 2.

Rozmywanie się kategorii czasu w początkowych stadiach ewolucji świata zdaje się niepomiernie komplikować i tak już wielce zawiłą kwestię genezy świata, a także genezy samego czasu. Jeśli bowiem czas wyłonił się dopiero w toku ewolucji Wszechświata, to na czym miałoby polegać samo powstanie Wszechświata. W każdym razie zdrowy rozsądek ujmuje powstawanie czegokolwiek jako proces zachodzący w czasie. Proces na mocy definicji jest czymś, co zachodzi w czasie, gdyż składa się z faz następujących po sobie, podobnie jak wszelka zmiana⁷Zob. np. R. Ingarden, Spór o istnienie świata, PWN, Warszawa 1987, tom I, rozdz. V, tom II, część 1, s. 407–414.

Jeśli istniała (kwantowa czy kwantowo-strunowa) rzeczywistość aczasowa, to jej powstanie w czasie jest oczywiście wykluczone. Czy jednak miałoby to znaczyć, że tego rodzaju rzeczywistość – rzeczywistość aczasowa – musi być wieczna? Bynajmniej nie znaczy. Wieczny, znaczy bowiem, nie mający czasowego początku ani czasowego końca (w terminologii Riemanna – Einsteina, czasowo nieograniczony). Rzeczywistość aczasowa jest pod tym względem nieokreślona, gdyż czas jej w ogóle nie dotyczy.

Tego rodzaju dywagacje zdają się prowadzić do wniosku, że pytanie o początek czasowy Wszechświata może się okazać pytaniem źle postawionym. Zdaje się ono zakładać, że czas jest pojęciem dobrze określonym i mającym sens w odniesieniu do całego Wszechświata (rozumianego jako wszelka rzeczywistość fizyczna).

  3.

Jeśli założyć jednak, że czas jest charakterystyką Wszechświata na wszystkich etapach jego ewolucji, to, albo oba (tzn. świat i czas) istniały wiecznie, albo też pojawiły się równocześnie. To znaczy, świat powstał – jak to założył np. św. Augustyn – nie w czasie lecz wraz z czasem.

Jeśli jednak powstanie świata w czasie wydaje się koncepcją w pełni zrozumiałą, w toku którego obserwujemy nieustannie powstawanie nowych rzeczy i zjawisk (właśnie jako pojawiających się w czasie), to powstanie świata wraz z czasem nie odpowiada niczemu, co obserwujemy w życiu potocznym.  Przecież nie stykamy się z niczym takim jak powstawanie samego czasu. Już chociażby z tego względu koncepcja powstania świata wraz z czasem wymaga trudnych do przeprowadzenia analiz filozoficznych. Trudnych z uwagi na brak analogii do tego, co daje się obserwować. Można nawet twierdzić, że powstanie świata wraz z czasem, a także powstanie samego czasu zakrawa na cud. Czyli należy do tej sfery zjawisk, których zajście naruszałoby prawa natury.

Koncepcja tego rodzaju jest obecna, np. w geometrodynamice Wheelera, zgodnie z którą materia redukuje się do (własności metrycznych) czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń natomiast, nie stanowi gotowego złożenia czasu i przestrzeni. Zarówno czas jak i przestrzeń to złożone struktury relacyjne, powstałe z prostszych elementów preczasowych i pregeometrycznych.

 4.

Istnieją trzy koncepcje dotyczące sekwencji czasowej:

• pierwsza, że świat pojawił się w czasie,
• druga, że świat pojawił się wraz z czasem,
• trzecia, że czas powstał w toku ewolucji świata.

Z tych trzech koncepcji, dawniej dominowała w teologii i filozofii koncepcja pierwsza⁸Por. W. Mejbaum, Kłopoty z początkiem świata, Wiedza Powszechna, Warszawa 1962, rozdz. IV..

Na podstawie fizyki relatywistycznej, zakładającej raczej atrybutywną naturę czasu i przestrzeni (czasoprzestrzeni), ta pierwsza koncepcja utraciła jednak, jak się zdaje, rację bytu, gdyż prowadziła do wniosku, że „był czas, kiedy nie było świata”[zob. tekst w ramce]. Wraz z tą koncepcją odrzucony jest problem transcendencji czasu względem świata. To jest, problem wynikający z przekonania, że „był czas, kiedy nie było świata”. To znaczy, że czas nie jest immanentną własnością rzeczywistości fizycznej, lecz czymś samodzielnym wobec świata, poprzedzającym jego istnienie.

Podobne założenie o immanencji przestrzeni (a zatem także całej czasoprzestrzeni) względem materii wydaje się czymś oczywistym.

Przestrzeń rozszerza się wraz z rozszerzaniem się materialnego świata i nie istnieje tam (i wtedy), gdzie (i kiedy) nie istnieje materia (materialna zawartość świata).

Warto przy okazji zauważyć, że trudniejszy do rozstrzygnięcia jest – analogiczny w pewnym sensie – problem transcendencji praw względem świata, a ściślej mówiąc względem warunków początkowych. Jeśli bowiem założyć, że Wszechświat powstał w wyniku jakiegoś procesu w rodzaju „fluktuacji kwantowej”, to pogląd ten zdaje się nieuchronnie prowadzić do wniosku, że powstał on na mocy działania jakichś praw (prawidłowości) kwantowych, które zatem istniały „zanim” pojawił się świat, czyli są transcendentne względem świata.

Wygląda na to, że w wypadku zaistnienia świata w toku procesu kwantowego, istnienie świata (zajście warunków początkowych) było „poprzedzone” przez istnienie jakichś prawidłowości rządzących światem oraz samym procesem jego powstania. Taki wniosek zdaje się nieuchronnie nasuwać, jeśli założymy tak zwaną dychotomię praw i warunków, uznawaną zazwyczaj w rozważaniach fizycznych i kosmologicznych. Zgodnie z tą dychotomią, prawa i warunki początkowe stanowią dwa „odrębne czynniki” opisu i wyjaśniania zjawisk, autonomiczne względem siebie, czyli nie dające się wyprowadzić jeden z drugiego.

5.

Jak zatem widać, koncepcje rzeczywistości protoczasowej, w której czas zaczyna się dopiero kształtować mają we współczesnej fizyce i kosmologii swoje ugruntowanie teoretyczne. Dlatego przypisywanie czasowi miana kategorii uniwersalnej obejmującej całą materię, czyli Wszechświat na wszystkich stadiach jego ewolucji, może okazać się nieprawdziwe, z czego wynikną także istotne konsekwencje dla filozofii. W podobnej sytuacji może się znaleźć kategoria przestrzeni i, co za tym idzie, kategoria czasoprzestrzeni. Pociągnęłoby to za sobą również pewne zubożenie kategorii materialności świata. Nie mogłaby ona zawierać w sobie czasoprzestrzennych charakterystyk, tak istotnych w dotychczasowych jej określeniach.

Literatura

• Augustynek Z., Natura czasu, PWN, Warszawa 1975.
• Davies P., Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina, Prószyński i S-ka, Warszawa 2002a.
• Davies P., Zagadka upływającego czasu, „Świat Nauki” 11, s. 24–29, 2002b.
• Greene B., Piękno Wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001.
• Hawking S., Krótka historia czasu, Wyd. „Alfa”, Warszawa 1990.
• Heller M., Kosmologia kwantowa, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001.
• Ingarden R., Spór o istnienie świata, t. I oraz t. II, cz. 1, PWN, Warszawa 1987.
• Mejbaum W., Kłopoty z początkiem świata, Wiedza Powszechna, Warszawa 1962.

Zob. też: Czy czas i przestrzeń są absolutne i obiektywne
Czas i przestrzeń a materia