Paradoksy pochodzenia Wszechświata
Filozofia,  Filozofia przyrody i Kosmologia

Paradoksy pochodzenia Wszechświata

Nauka współczesna, a dokładnie kosmologia kwantowo-relatywistyczna w latach siedemdziesiątych XX stulecia podjęła próbę wyjaśnienia genezy Wszechświata. Wyjaśnienie tego zagadnienia, które tradycyjnie uznawane jest za przynależne do filozofii i teologii, zrodziło liczne paradoksy pochodzenia Wszechświata. 

1. Pierwsze wyjaśnienia i paradoksy

Jak pisze twórca teorii inflacji Alan Guth, w 1973 r. Edward Tryon zasugerował, że stworzenie Wszechświata z niczego można opisać za pomocą pojęć naukowych. Czasopismo naukowe “Physical Review Letters” odrzuciło jednak artykuł, uznając treść za zbyt spekulatywną1A. Guth, Wszechświat inflacyjny, 2000 r., s. 361–362.. Artykuł ten w spopularyzowanej postaci ukazał się w czasopiśmie „Nature”2E. Tryon, Is the Universe a Vacuum Fluctuation?, “Nature, 1973, t. 247, s. 396–397..

Jednakże koncepcja Tryona nie zakładała, że Wszechświat powstał ex nihilo. A przecież

„[p]rzy rozważaniach dotyczących stworzenia Wszechświata kluczową kwestią jest wybór punktu startowego. W propozycji Tryona Wszechświat miał powstać z próżni, czyli pustej przestrzeni. Zgodnie z teorią kwantową próżnia, sprawiająca wrażenie czegoś nad wyraz spokojnego, w istocie wcale nie jest pusta i na poziomie subatomowym trwa tam wieczna burza, w której wiele się dzieje”3A. Guth, dz. cyt., s. 362..

Natomiast sugestię, że „Wszechświat powstał w wyniku procesów kwantowych, poczynając od “dosłownie niczego”, co oznaczało nie tylko nieobecność materii, ale także przestrzeni i czasu”, sformułował w roku 1982 Aleksander Vilenkin4Tamże, s. 364; zob. też A. Vilenkin, Creation of Universe from Nothing, “Physical Letters”, t. 117 B, 1982, s. 25–28. „To pojęcie absolutnej nicości trudno jest zrozumieć, ponieważ przyzwyczailiśmy się myśleć o przestrzeni jako o niezmiennym tle, którego nie można usunąć”5Tamże.. Tym niemniej „Vilenkin wykazał, że pojecie absolutnej nicości jest przynajmniej matematycznie dobrze określone i można się nim posłużyć jako punktem startowym teorii stworzenia”6Tamże, s. 364– 365..

Próba naukowego opisu pochodzenia Wszechświata jest uwikłana w liczne paradoksy.

Poniżej, zarysowane zostaną cztery z nich.

  • Pierwszy dotyczy praw zachowania, w szczególności prawa zachowania energii.
  • Drugi jest związany z pojęciem nicości oraz jego odniesieniem do pojęcia próżni.
  • Trzeci dotyczy pojęcia początku czasu oraz kwestii stosunku genezy czasu do genezy świata.
  • Czwarty jest zawarty w pytaniu: jeśli Wszechświat powstał na mocy praw natury (np. praw kwantowych), to skąd się wzięły owe prawa? Chodzi w nim zatem o tzw. problem transcendencji (lub immanencji) praw względem świata oraz kwestię dychotomii praw i warunków początkowych.

    Jak dotąd najbliższy rozwiązania jest paradoks pierwszy.

2. Uniwersalne prawa zachowania a pochodzenie Wszechświata

Dokładną liczbę uniwersalnych praw trudno jest ustalić ze względu na możność ich łączenia ze sobą (i rozdzielania). Na przykład, do powstania szczególnej teorii względności prawa zachowania masy i energii były ujmowane jako odrębne prawa. Sformułowane zostały w połowie XIX w., pierwsze w chemii, drugie w fizyce. Po powstaniu tej teorii (w 1905 r.) zostały one połączone w jedno prawo w słynnej formule Einsteina: E = mc2. Co więcej, w OTW prawo równoważności masy i energii zostało połączone z prawem zachowania pędu w jednej formule tensorowej. Nazwana została ona tensorem masy-energii-pędu, opisującym rozkład materii. Kwestia liczby praw zachowania jeszcze bardziej się komplikuje, jeśli się zważy, że prawo zachowania pędu jest opisywane przez trzy równania (dla trzech osi przestrzennych). Sprawia to, że niektórzy fizycy mówią o trzech prawach zachowania pędu, a nie o jednym. W ten sposób to, co jedni traktują jako jedno prawo zachowania (prawo zachowania masy-energii-pędu), inni ujmują jako dwa, trzy, a nawet pięć praw zachowania o uniwersalnym zasięgu.

Proces powstania świata z nicości zdaje się przeczyć uniwersalnym prawom zachowania. Stwierdzają one stałość (niestwarzalność i niezniszczalność) pewnych ilościowych charakterystyk rzeczywistości fizycznej, takich jak:

  • energia,
  • masa,
  • pęd,
  • moment pędu (czyli kręt),
  • ładunek elektryczny,
  • jak też ładunek barionowy,
  • oraz ładunek leptonowy czy
  • tzw. kombinowana inwersja.

Ogólnie prawa te, w liczbie około dziesięciu, można nazwać prawami zachowania materii i ruchu (zob. tekst w ramce).

Jeśli zatem np. prawo zachowania energii głosi, że ilość energii w układzie izolowanym i (ekstrapolując) w całym Wszechświecie jest stała, to wszelkie procesy fizyczne polegają nie na powstawaniu czy zanikaniu energii, lecz na zmianie postaci (jakości) energii. Zdaje się to wykluczać możliwość powstania Uniwersum fizycznego z nicości, gdyż różni je ogromna ilość energii zawarta we Wszechświecie.

Jednakże fizyka i kosmologia doszły do nieoczekiwanego wniosku, że całkowita energia Wszechświata wynosi zero.

Dokładnie zostało to wykazane dla zamkniętego (skończonego materialnie i przestrzennie) Wszechświata. Wszystko jednak wskazuje na to, że wniosek ten jest słuszny także dla Wszechświata otwartego (nieskończonego). Jest tak dlatego, że energia pola grawitacyjnego posiada wartość ujemną i przy tym równą dodatniej wartości energii zawartej w zwykłej energii, z której zbudowane są ciała i układy fizyczne7Kwestia, dlaczego energia pola grawitacyjnego ma wartość ujemną, jest wyjaśniona w sposób szczegółowy w pracy A. Gutha, dz. cyt., s. 385–389.W ten sposób powstanie Wszechświata z nicości nie narusza prawa zachowania energii. Proces powstania Wszechświata polegał na „rozdwojeniu” nicości, na powstaniu dwu zróżnicowanych stanów. Jednego o energii dodatniej (zwykła materia) i drugiego o energii ujemnej (pole grawitacyjne) z ogólnym bilansem energetycznym równym zero.

To samo zapewne dotyczy pozostałych uniwersalnych praw zachowania. Na przykład sumaryczny ładunek dodatniej elektryczności według wszelkiego prawdopodobieństwa dokładnie równoważy się z sumarycznym ładunkiem ujemnym itd.

Trudniejszy do rozwiązania jest niewątpliwie paradoks drugi.

3. Nicość i próżnia

Wiedza potoczna stawia znak równości między pustą przestrzenią a nicością. Jednak, zarówno od strony naukowej (fizycznej), jak też filozoficznej jest to całkowicie nieuprawnione. Próżnia współczesnej fizyki („próżnia kwantowa”) jest aktywną areną, w której brak zwykłych rodzajów materii, ale w której zachodzą rozmaite procesy fizyczne (w rodzaju „fluktuacji próżni” czyli powstawania i zanikania cząstek wirtualnych). Sprawia to, że w fizyce kwantowo-relatywistycznej zaciera się (wyraźna dawniej) różnica między przestrzenią, a materią. Dokładniej mówiąc – z uwagi na ścisły związek przestrzeni i czasu – między czasoprzestrzenią („próżnią”), a materią.

Nie oznacza to jednak zatarcia różnicy między próżnią (pustą czasoprzestrzenią), a nicością. Z punktu widzenia filozofii jest to różnica fundamentalna.

Próżnia, rozumiana jako próżnia kwantowa, jako vacuum fizyczne jest pewną realnością fizyczną, natomiast nicość taką realnością nie jest.

Dlatego powstanie świata z nicości (ex nihilo) i powstanie świata z próżni, to – z ontologicznego punktu widzenia – dwa całkowicie odmienne procesy. Tylko pierwszy z tych procesów wyklucza wieczność świata. Drugi jest w pełni do pogodzenia z tezą o wieczności świata (w sensie, jaki nadała temu terminowi dobrze utrwalona tradycja filozoficzna i teologiczna).

Fundamentalne dla naukowych debat nad wiecznością świata jest zatem pytanie:

Czy fizyka współczesna, a zwłaszcza mechanika kwantowa i kwantowa teoria pola, negując możność istnienia próżni rozumianej jako absolutna pustka, wyklucza tym samym możność istnienia nicości jako takiej, czy też nie?

Jeśli nicość jest niemożliwa (jest np. „stanem” sprzecznym z mechaniką kwantową), to upada teza o powstaniu świata z nicości. Do uratowania jest jedynie teza, że świat powstał z próżni. To oznacza, że jeden rodzaj rzeczywistości fizycznej (bogatszy zapewne we własności i bardziej zróżnicowany) powstał z innego rodzaju rzeczywistości fizycznej (bardziej ontologicznie ubogiej).

Następnie, trzeci paradoks.

4. Geneza Wszechświata a geneza czasu

Pogląd, że czas istniał przed powstaniem świata należy zapewne uznać za przestarzały. Czas transcendentny wobec świata, to czas substancjalny, bytujący samoistnie (względem materii). Zmierzch substancjalnej koncepcji czasu, w rodzaju Newtonowskiej koncepcji absolutnego czasu (i absolutnej przestrzeni), oznacza zatem zmierzch czasu transcendentnego, istniejącego przed światem.

Czy znaczy to jednak, że czas musiał się nieuchronnie pojawić wraz ze światem? Odpowiedź, jaką daje zdrowy rozsądek jest taka:

czas nie mógł się pojawić (zaistnieć) później niż świat.

Jeśli nie było czasu, nie było też owego „wcześniej”, w którym miałby pojawić się lub istnieć świat. Pojęcia powstania oraz (realnego) istnienia zakładają czasowość, zakładają istnienie czasu, gdyż dotyczą procesów czy stanów trwających w czasie.

Jednak mechanika kwantowa także w tym punkcie zdaje się brać rozbrat z zapatrywaniem potocznym. Według niej, możliwa jest pewna pierwotna kwantowa rzeczywistość aczasowa, a więc taka, że czas nie jest niezbędnym parametrem charakteryzującym jej stany, a nawet zmianę (czy następstwo) stanów8Zob. np. P. Davies, About Time. Einstein’s Unfinished Revolution, Oxford 1995, s. 178–192. Owa kwantowa rzeczywistość, określana potocznie jest jako „piana kwantowa” (quontum fuzziness). Nie wymaga ona dla swego opisu jakiegoś czasu zewnętrznego, jako odrębnego ukształtowanego parametru fizycznego, gdyż ma swój wewnętrzny rytm przemian (następstwo stanów), wyznaczony przez prawa kwantowe.

Paradoksy pochodzenia Wszechświata

Tak czy inaczej, zgodnie ze współczesnym stanem kosmologii kwantowo-relatywistycznej należy przyjąć, że czas transcendentny w stosunku do świata nie istnieje. Znaczy to, że czas pojawił się (lub istnieje odwiecznie) wraz ze światem. Albo też, że wyłonił się ze struktury aczasowej, bądź to jako parametr względnie samodzielny, bądź też jako składnik szerszej struktury – czasoprzestrzeni.

5. Problem transcendencji praw

Najtrudniejszy do rozwiązania wydaje się jednak paradoks czwarty, związany z transcendencją praw oraz zagadnieniem dychotomii praw i warunków początkowych9Zob. J. Such, O uniwersalności praw nauki, Warszawa 1972, s. 145-163.Klasyczny opis fizyczny, a także procedury przewidywania i wyjaśniania zjawisk oraz uzasadniania praw i teorii naukowych zakładają tzw. dychotomię praw i warunków początkowych. Inaczej mówiąc, aby przewidzieć lub wyjaśnić jakieś zjawisko i, tym samym, uzasadnić doświadczalnie (sprawdzić empirycznie) jakieś prawo czy teorię naukową, trzeba dysponować nie tylko tym prawem czy teorią, lecz także opisem warunków, w których prawo lub teoria zostają zastosowane. Zakłada się przy tym, że dwa te składniki opisu oraz wyjaśniania rzeczywistości – prawa i warunki początkowe – są autonomiczne względem siebie. To znaczy, nie można zredukować jednego z nich do drugiego.

W odniesieniu jednak do kwestii pochodzenia Wszechświata, sztywna dychotomia praw i warunków wydaje się wielce kłopotliwa. Problem bowiem genezy Wszechświata „rozpada się” wówczas na dwa problemy: kwestię pochodzenia praw (w sensie: prawidłowości przyrody) oraz zagadnienie pochodzenia warunków początkowych.

Załóżmy, że głosi się hipotezę, iż Wszechświat powstał ex nihilo w wyniku procesu kwantowego w rodzaju „kwantowej fluktuacji” lub „tunelowania z nicości”. Tym samym uznaje się, że Wszechświat powstał z nicości na mocy pewnych praw kwantowych. W takim razie jednak nicość ta nie była nicością całkowitą, tzn. absolutną, gdyż istniały wówczas (tzn. przed powstaniem Wszechświata) prawa fizyki, prawa kwantowe. Inaczej mówiąc, była ona jedynie nicością względem warunków początkowych, nie była natomiast nicością względem praw natury.

Pojawia się wówczas nieuchronnie pytanie: a skąd się wzięły prawa fizyki i to prawa transcendentne wobec świata.

Wobec świata, znaczy w tym wypadku: wobec warunków początkowych. Mamy zatem tradycyjną dychotomię praw i warunków, i to dychotomię w wyostrzonej postaci. Zakłada się tu nie tylko nieredukowalność praw do warunków początkowych, lecz także samoistne istnienie praw bez istnienia warunków początkowych. To znaczy, zakłada się, że istnienie praw poprzedzało istnienie warunków.

Wyłania się tu natomiast możliwość przezwyciężenia omawianej dychotomii na innej drodze – drodze redukcji warunków początkowych do praw przyrody. Jeśli bowiem Wszechświat powstał z nicości na mocy określonych praw, to można przypuścić, że warunki początkowe Wszechświata zostały ukształtowane (niekoniecznie w sposób jednoznaczny, prawdopodobnie w sposób statystycznie jedynie zdeterminowany) przez prawa fizyki, na mocy których powstał świat (ściślej mówiąc powstały warunki początkowe).

W dotychczasowym doświadczeniu obserwujemy wyłącznie działanie praw w określonych warunkach. Dlatego koncepcja zakładająca transcendencję praw wobec świata (czyli względem warunków) wydaje się wysoce nieintuicyjna. Jednakże to, co niezgodne ze zdrowym rozsądkiem, może się okazać zgodne z mechaniką kwantową oraz kwantową teorią pola; a także zgodne z oczekiwaną teorią grawitacji kwantowej.

Tak czy inaczej, współczesna kosmologia i filozofia muszą mieć na uwadze także paradoks transcendencji praw natury.

6. Koncepcja Hartle’a-Hawkinga: „Wszechświat bez brzegów”

Najlepszym wstępnym rozwiązaniem czterech zarysowanych paradoksów zdaje się być koncepcja Hartle’a-Hawkinga „Wszechświata bez brzegów”.

Zgodnie z koncepcją, w czasie urojonym Wszechświat nie ma początku, gdyż w „okolicach” Wielkiego Wybuchu czas urojony zatraca swój kierunek (staje się izotropowy) i tym samym upodabnia się do (jednego z wymiarów) przestrzeni.

Cofanie się w czasie i dotarcie do momentu Wielkiego Wybuchu nie oznacza więc dotarcia do początku czasu (urojonego). Oznacza gładkie przejście do czasu, który znowu uzyskuje kierunek, czyli tym razem oznacza ruch zgodny ze strzałką czasu. Przypomina to – według S. Hawkinga – zbliżanie się do bieguna ziemskiego (północnego lub południowego), kiedy to nie napotykamy na żadną granicę przestrzenną (ani na żaden słup). Osiągnąwszy biegun niepostrzeżenie zmieniamy kierunek (z północnego na południowy, gdy docieramy do bieguna północnego, natomiast z południowego na północny, gdy osiągamy biegun południowy)10Zob. np. S. Hawking, Krótka historia czasu, Warszawa 1990, s. 132..

„Wszechświat bez brzegów” Hartle’a-Hawkinga powstaje wprawdzie w czasie rzeczywistym (który to czas ma początek), lecz nie powstaje w czasie urojonym (w czasie bez początku, tzn. czasie nieograniczonym). Hawking podkreśla jednak, że w fizycznym opisie Wszechświata czas urojony – wbrew nazwie – nie musi być mniej istotny (w ontologicznym sensie), niż czas zwany rzeczywistym, dlatego nie należy się zbytnio sugerować nazwami11 S. Hawking, dz. cyt., s. 133.. Niejednokrotnie bowiem zdarzało się w fizyce (i nauce w ogóle), że to, co wydawało się jedynie „formalnym chwytem”, w rzeczywistości reprezentowało jakiś istotny rys świata o wymiarze wręcz ontologicznym.

„Wszechświat bez brzegów” jest Wszechświatem nieograniczonym genetycznie i czasowo (w czasie urojonym). Tym samym – w terminologii Einsteina – jest Wszechświatem wiecznym, to znaczy Wszechświatem bez czasowego początku (odwiecznym) oraz bez czasowego końca (dowiecznym).

Jako taki nie rodzi żadnego z czterech omawianych paradoksów, mimo że nie jest Wszechświatem genetycznie i czasowo nieskończonym, gdyż trwa jedynie skończoną ilość czasu.

W szczególności koncepcja „Wszechświata bez brzegów” nie zakłada jakichś transcendentnych względem świata praw, transcendentnego czasu, ani jakiejś (poprzedzającej świat) idealnej nicości.

Wszechświat jest czymś istniejącym samoistnie, na mocy wewnętrznych (immanentnych praw), czymś przypominającym Naturę Spinozy utożsamianą z Bogiem i będącą causa sui.

Konkluzja

Należy pamiętać, że koncepcja „Wszechświata bez brzegów” Hartle’a-Hawkinga jest jedynie luźną hipotezą, nie ugruntowaną doświadczalnie.

Nie jest zatem wykluczone, że Wszechświat nie jest wieczny (genetycznie nieograniczony), to znaczy ma początek i koniec w czasie (jest genetycznie ograniczony).

Wszechświat genetycznie ograniczony rodzi wszystkie cztery omówione paradoksy, z których jedynie pierwszy – dotyczący uniwersalnych praw zachowania, w szczególności prawa zachowania energii – wydaje się, jak dotąd, rozwiązany lub w każdym razie bliski rozwiązania.

JaS, Iva Kalina, 07.03.20

Literatura
  • Davies P., About Time. Einstein’s Unfinished Revolution, Oxford 1995.
  • Guth A., Wszechświat inflacyjny, 2000.
  • Hawking S., Krótka historia czasu, Warszawa, 1990.
  • Such J., O uniwersalności praw nauki, Warszawa, 1972.
  • Tryon E. P., Is the Universe a Vacuum Fluctuation?, “Nature” t. 247, 396-397, 1973.
  • Vilenkin A., Creation of Universe from Nothing, “Physical Letters”, t. 117 B, 25-28, 1982.

Zob. kategorię: Filozofia przyrody i Kosmologia

Uwaga: Nazwisko amerykańskiego fizyka Jamesa Hartle ma nietypową odmianę, która zależna jest od wymawiania tego nazwiska, tzn. tego, co słyszy się na końcu. Jeśli wymawia się “Hartl”, to w dopełniaczu przybiera formę: “Hartle’a”. Niektórych może to zdziwić, bowiem narzuca się tu forma dopełniacza: Hartlego, ale można by tak odmienić to nazwisko tylko w przypadku, gdyby wymawiane było: “Hartle”, a nie “Hartl”. Piszę to na wszelki wypadek, żeby ktoś nie pomyślał, że zrobiłam w tekście błąd gramatyczny.

IvKa

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.