Spis treści

Karta redakcyjna

Dedykacja

Wprowadzenie. Szklane domy Einsteina

1. Wiele odmian nielokalności

2. Źródła nielokalności

3. Lokalność Einsteina

4. Wielka debata

5. Nielokalność i unifikacja fizyki

6. Czasoprzestrzeń jest stracona

Podsumowanie. Amplituhedr

Bibliografia

Przypisy

© Copyright by Copernicus Center Press, 2018
Copyright © 2015 by George Musser
Published by arrangement with Scientific American /
Farrar, Straus and Giroux, LLC, New York

Tytuł oryginalny:
Spooky Action at a Distance: The Phenomenon That Reimagines Space and Time – and What It Means for Black Holes, the Big Bang, and Theories of Everything by George Musser

Adiustacja i korekta
Artur Figarski

Projekt okładki
Michał Duława

Grafika na okładce:
eugenesergeev | Fotolia.com

Skład
Artur Figarski

ISBN 978-83-7886-368-7

Wydanie I

Kraków 2018

Copernicus Center Press Sp. z o.o.
pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków
tel./fax (+48 12) 430 63 00
e-mail: marketing@ccpress.pl
Księgarnia internetowa: http://ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.

Talii i Elianie

Wprowadzenie:

Szklane domy Einsteina

Kiedy na początku lat 90. XX wieku jako doktorant pierwszy raz usłyszałem o nielokalności, nie powiedział mi o niej wykładowca mechaniki kwantowej: nie uznał, że warto o niej wspomnieć. Było to w lokalnej księgarni, w której sięgnąłem po świeżo wówczas wydaną książkę The Conscious Universe, która zaskoczyła mnie stwierdzeniem, że „żadne inne odkrycie nie stanowi większego wyzwania dla naszego codziennego poczucia rzeczywistości”[1] niż nielokalność. Zjawisko to nabrało posmaku zakazanego owocu.

W języku potocznym terminem „lokalny” określamy coś, co pochodzi z naszego najbliższego sąsiedztwa. Samo to słowo odwołuje się jednak pierwotnie do pojęcia „miejsca”. „Lokalność” oznacza, że wszystko ma jakieś miejsce. Można wskazać na dany przedmiot i powiedzieć: „Jest tutaj”. Jeśli się tak nie da, rzecz ta najwyraźniej nie istnieje. Gdy na pytanie nauczyciela, gdzie jest Twoja praca domowa, odpowiesz, że nie jest nigdzie, masz kłopot.

Świat naszego doświadczenia jest w pełni lokalny. Mamy silne poczucie lokalizacji i intuicyjnie rozumiemy relacje przestrzenne pomiędzy przedmiotami. Odczuwamy ból rozłąki, gdy oddalamy się od naszych bliskich, i poczucie niemocy, gdy sprawy, na które chcemy wpłynąć, są poza naszym zasięgiem. Tymczasem mechanika kwantowa i inne gałęzie fizyki wydają się sugerować, że na głębszym poziomie rzeczywistości nie istnieje coś takiego, jak miejsce, i coś takiego, jak odległość. W eksperymentach fizycznych można związać ze sobą losy dwóch cząstek tak, że zachowują się jak para monet w sztuczce magicznej, zawsze lądujących tą samą stroną do góry: dwa orzełki lub dwie reszki. Ich zachowanie wydaje się być skoordynowane, choć przez przestrzeń między nimi nie jest przekazywana żadna siła. Cząstki takie można by wysłać w dwie przeciwne strony Wszechświata i wciąż zachowywałyby się tak samo. Cząstki te łamią zasadę lokalności. Wykraczają poza przestrzeń.

W świecie przyrody ewidentnie występuje szczególnego rodzaju równowaga: w zwykłych okolicznościach lokalność jest zachowana i musi być ona zachowana, abyśmy mogli istnieć, a jednak u swoich podstaw świat wykazuje nielokalność. W tej książce podejmę próbę opisania tego napięcia. Dla osób badających to zagadnienie, nielokalność jest matką wszystkich zagadek fizycznych, będąc obecną w wielu tajemnicach, z którymi mierzą się dziś fizycy: nie tylko przedziwnych aspektach mechaniki kwantowej, ale również ewolucji czarnych dziur czy pochodzenia Wszechświata i zasadniczej jedności przyrody.

Dla Alberta Einsteina lokalność była jednym z aspektów szerszej zagadki filozoficznej: Dlaczego my, ludzie, w ogóle możemy uprawiać naukę? Dlaczego świat jest taki, że potrafimy go zrozumieć? W swoim słynnym eseju z 1936 roku[2], Einstein napisał, że najbardziej niezrozumiałą cechą Wszechświata jest jego zrozumiałość. Na pierwszy rzut oka samo to stwierdzenie może się wydać niezrozumiałe. Wszechświat nie jest dogłębnie racjonalny. Bywa szalony i kapryśny, arbitralny i przypadkowy, pełen niesprawiedliwości i tragedii. Wiele zdarzeń zachodzących w świecie wymyka się rozumowi (zwłaszcza, gdy biorą w nich udział zakochani albo kierowcy). W tle wszystkich tych przypadkowych zdarzeń jaśnieje jednak uspokajające światło porządku. Słońce wstaje na wschodzie. Przedmioty spadają, gdy się je upuści. Po deszczu pojawia się tęcza. Ludzie kierują się ku fizyce z przekonaniem, że nie są to tylko miłe wyjątki w chaotycznym świecie, lecz przebłyski głębszego ładu.

Einstein chciał tak naprawdę powiedzieć, że fizycy nie mają prawa tego oczekiwać. Świat wcale nie musiałby być uporządkowany. Nic mu nie nakazuje, aby postępował w zgodzie z prawami; mogłoby być tak, że we wszystkich skalach jest chaotyczny. Zapytany przez przyjaciela, jak należy rozumieć jego uwagę o zrozumiałości, Einstein odpowiedział mu: „A priori powinniśmy spodziewać się świata chaotycznego, który nie może zostać w żaden sposób pojęty przez umysł”[3].

Choć Einstein powiedział, że zrozumiałość świata to „cud”, którego nigdy nie pojmiemy, nie powstrzymało go to przed podejmowaniem takich prób. Całe swoje życie zawodowe poświęcił na opis tego we Wszechświecie, co ma sens, a jego sposób myślenia wyznaczył kierunek rozwoju fizyki współczesnej. Odkrył, przykładowo, że głębokie prawa natury są wysoce symetryczne – wyglądają tak samo, jeśli patrzy się na świat pod innym kątem. Symetria przynosi porządek do zdumiewającego zoo cząsteczek badanego przez fizyków; całe grupy cząsteczek okazują się być jak gdyby odbiciem lustrzanym innych. Pośród wszystkich właściwości świata, które dają nam nadzieję na zrozumienie go, Einstein wielokrotnie wracał do lokalności jako najważniejszej z nich.

Lokalność to subtelne pojęcie, które może oznaczać różne rzeczy, zależnie od tego, kogo zapytać[4]. Dla Einsteina istniały dwa aspekty tego pojęcia[5]. Pierwszy z nich określał jako „separowalność”, co oznacza możliwość rozłączenia dowolnych dwóch obiektów albo części pewnego obiektu i rozważania ich osobno, przynajmniej teoretycznie. Dwa stojące obok siebie krzesła można rozdzielić i postawić w przeciwnych kątach pokoju. Nie przestaną istnieć i nie stracą żadnej ze swoich cech – rozmiaru, stylu, miękkości siedzenia. Pełen komplet krzeseł posiada właściwości wynikające z cech krzeseł, z których się składa; jeśli na jednym krześle może siedzieć jedna osoba, to na komplecie czterech krzeseł – cztery osoby. Całość jest sumą swoich części. Drugi aspekt zidentyfikowany przez Einsteina to „działanie lokalne”, co oznacza, że obiekty oddziałują ze sobą tylko poprzez zderzanie się lub wynajęcie pośrednika, który będzie działał w dzielącej je przestrzeni. Gdy pomiędzy nami a kimś innym istnieje duża odległość, wiemy, że nie możemy na nią wpłynąć, chyba że się zbliżymy do siebie, co pozwoli nam go dotknąć, uderzyć, porozmawiać z nim – tak czy inaczej dokonać kontaktu bezpośredniego – albo wyślemy kogoś, kto zrobi to za nas. Współczesna technologia nie unieważnia tej obserwacji; po prostu wynajmujemy dziś innych pomocników. Telefon tłumaczy fale dźwiękowe na sygnały elektryczne albo fale radiowe, które podróżują kablami lub przez otwartą przestrzeń, a następnie zostają ponownie przetłumaczone na dźwięk. Na każdym etapie tej podróży coś musi bezpośrednio skontaktować się z czymś innym. Jeśli któryś z przewodów jest przerwany choćby na grubość włosa, wiadomość nie pokona większej odległości niż krzyk na pozbawionej powietrza powierzchni Księżyca. Mówiąc prosto, separowalność pozwala na zdefiniowanie, czym są obiekty, a działanie lokalne informuje nas o tym, co robią.

Einstein zawarł te zasady w swojej teorii względności. Ściśle mówiąc, teoria względności głosi, że żaden obiekt materialny nie może poruszać się szybciej od światła. Gdyby nie istniało tego typu ostateczne ograniczenie prędkości, obiekty mogłyby się przemieszczać nieskończenie szybko, a odległość straciłaby znaczenie. Wszystkie siły przyrody muszą jednak pracowicie wędrować przez przestrzeń – nie przeskakują całej odległości w jednej chwili, jak przypuszczali niegdyś fizycy. Teoria względności dostarcza więc miary stopnia oddzielenia obiektów od siebie nawzajem i zapewnia ich odrębność.

W zależności od punktu widzenia, teoria względności i pozostałe prawa fizyki są albo satysfakcjonującym opisem głębokiego porządku panującego we Wszechświecie, albo szeregiem psujących zabawę reguł, jak gdyby pochodzących od autorytarnego rodzica, usiłującego usunąć z życia całą radość. Fajnie by było pomachać rękami i wzlecieć. Niestety, nic z tego. Można by rozwiązać najważniejsze problemy świata, tworząc energię – aha, fizyka i na to nie pozwala, możemy tylko przekształcać jedną postać energii w drugą. W tym momencie nadciąga lokalność, kolejny drakoński dekret, który zniweczy nasze marzenia o nadświetlnych statkach kosmicznych i mocach parapsychicznych. Lokalność obraca w pył wieczne marzenie fanów sportu, że skrzyżowanie palców i wykrzykiwanie wnikliwych komentarzy z wygodnego fotela może przynieść ich ukochanej drużynie zwycięstwo. Niestety, jeśli Twoja drużyna przegrywa, a Ty naprawdę chcesz pomóc, musiałbyś wstać i udać się na boisko.

Lokalność jest też jednak dla naszego własnego dobra. Leży u podstaw poczucia własnego ja i daje pewność, że nasze myśli i uczucia są w 100% nasze. Z całym szacunkiem dla Johna Donne’a, każdy człowiek jest samoistną wyspą. Oddziela nas od innych ludzi ocean przestrzeni i powinniśmy być za to wdzięczni. Gdyby nie lokalność, świat byłby magiczny – i to nie w radosny, disneyowski sposób. Choć fani sportu mogą sobie życzyć, aby dana im była moc wpłynięcia na wynik meczu z zacisza ich mieszkania, powinni dwa razy się zastanowić nad swoim życzeniem, ponieważ sympatycy przeciwnej drużyny również prawdopodobnie posiadaliby tę moc. Miliony kanapowych kibiców na całym świecie wytężałyby się, aby przynieść zwycięstwo swoim drużynom, co sprawiłoby, że sama gra straciłaby sens – stałaby się raczej zawodami w sile woli fanów, a nie talentu sportowego graczy. Nie dotyczy to tylko sportu; cały świat stałby się nam nieprzyjazny. W świecie bez lokalności obiekty znajdujące się poza naszym ciałem mogłyby w nie wniknąć, nie przechodząc przez naszą skórę, a nasze ciała straciłyby zdolność kontrolowania swojego stanu wewnętrznego. Stopilibyśmy się ze środowiskiem. A tak właśnie definiuje się śmierć.

*

Skupiając się na lokalności jako na kluczowym kryterium zrozumiałości świata przyrody, Einstein dał wyraz dwu tysiącom lat myśli filozoficznej i naukowej. Dla starożytnych myślicieli greckich, jak Arystoteles czy Demokryt, dzięki lokalności możliwe było uzyskanie racjonalnych wyjaśnień zjawisk. Gdy obiekty mogą wpływać na siebie wyłącznie poprzez bezpośredni kontakt, można wyjaśnić każde zjawisko fizyczne, jedno zderzenie cząstek po drugim: „to uderzyło w tamto, co z kolei wpadło w tamto, które odbiło się od jeszcze czegoś innego”. Każdy skutek ma przyczynę, z którą jest połączony nieprzerwaną w czasie i przestrzeni siecią zdarzeń. Nie ma żadnego miejsca, w którym trzeba zacząć machać rękami, mamrocząc: „A wtedy nastąpił cud”. Filozofom greckim, którzy nie byli ateistami, przeszkadzał nie tyle ten cud, co raczej owo mamrotanie. Uważali, że nawet bogowie wywierają wpływ na świat zgodnie z pewnymi jasnymi, dającymi się zrozumieć regułami. Lokalność jest istotna nie tylko ze względu na preferowany przez filozofów i naukowców sposób wyjaśniania, ale również metodę, jaką się posługują: oddzielenia obiektów od siebie nawzajem, zrozumienia ich kolejno, jeden za drugim, a następnie zbudowania na tej podstawie obrazu świata, krok po kroku. Nie są zmuszeni do podjęcia się niemożliwego zadania zrozumienia wszystkiego naraz.

W 1948 roku, pod koniec swojego życia, Einstein podsumował doniosłą wagę lokalności w krótkim eseju: „Pojęcia fizyki odnoszą się do rzeczywistego świata zewnętrznego... rzeczy, które miałoby cechować «rzeczywiste istnienie» niezależne od postrzegającego je podmiotu... Rzeczy te miałyby istnieć niezależnie od siebie nawzajem, o ile «znajdują się w różnych miejscach w przestrzeni». Bez takiego założenia wzajemnie niezależnego istnienia... oddzielonych od siebie przestrzennie przedmiotów, założenia, które ma swoje źródła w życiu codziennym, niemożliwe byłoby uprawianie fizyki w zwykłym sensie tego słowa. Nie widzę też, w jaki sposób można by sformułować i testować prawa fizyki, gdyby nie istniała tego typu jasna separacja”[6].

Lokalność jest tak ważna, ponieważ cecha ta sięga samej istoty tego, czym jest przestrzeń. Mówiąc „przestrzeń”, nie mam przy tym na myśli „przestrzeni kosmicznej”, domeny astronautów i asteroid, lecz tę znajdującą się między nami i otaczającą nas, przestrzeń zajmowaną przez nasze ciała i wszystko inne, przestrzeń, w której machamy kijem baseballowym i rozciągamy taśmę mierniczą. Czy wycelowujesz swój teleskop w planety, czy w okno domu sąsiada, patrzysz w przestrzeń. Dla mnie piękno krajobrazu kryje się zawsze w upajającym poczuciu rozpościerającej się przede mną przestrzeni, swego rodzaju poziomej wersji zawrotu głowy, którego zwykle dostajemy patrząc w przepaść, a którą możemy poczuć, gdy zdamy sobie sprawę, że maleńkie kropki po drugiej stronie doliny naprawdę tam się znajdują i mógłbyś ich dotknąć, gdybyś miał wystarczająco długą rękę.

Malarze już dawno zdali sobie sprawę z tego, że przestrzeń nie jest zwykłym brakiem przedmiotów, ale obiektem samym w sobie. To, co znajduje się pomiędzy przedmiotami na płótnie, jest równie istotne dla kompozycji, jak te przedmioty. Dla fizyka przestrzeń jest płótnem rzeczywistości fizycznej. Niemal każda właściwość naszych ciał fizycznych jest przestrzenna. Zajmujemy pewną ilość miejsca. Mamy kształt. Poruszamy się. Nasze ciała to zawiłe choreografie komórek i płynów tańczących w przestrzeni. Nasze myśli to impulsy mknące po swych zawiłych trajektoriach. Każde oddziaływanie, jakie łączy nas z resztą świata, wędruje przez przestrzeń. Obiekty ożywione są obiektami, a czymże innym jest obiekt, jeśli nie częścią Wszechświata, która osiąga tożsamość jednostkową za sprawą zajmowania pewnej objętości przestrzeni?

Fizyka opiera się na badaniu tego, w jaki sposób obiekty przemieszczają się w przestrzeni, przestrzeń zaś pozwala na zdefiniowanie niemal każdej wielkości fizycznej: odległości, rozmiaru, kształtu, położenia, prędkości, kierunku. Inne właściwości obiektów mogą nie wydawać się mieć charakteru przestrzennego, ale w rzeczywistości tak jest: barwa, przykładowo, odpowiada długości fali światła. Zaledwie kilka własności materii nie ma wyjaśnień odwołujących się do przestrzeni, m.in. ładunek elektryczny, ale nawet one przejawiają się poprzez swój wpływ na ruch obiektów. Gdy patrzymy na jakiś przedmiot, wszystkie jego cechy są ostatecznie przestrzenne, wynikając ze sposobu uporządkowania cząsteczek; same te cząsteczki są tylko drobnymi pyłkami. Funkcja wynika z formy. Nawet pojęcia nieprzestrzenne nabierają charakteru przestrzennego w umysłach fizyków: czas staje się osią na wykresie, a prawa przyrody funkcjonują wewnątrz abstrakcyjnych przestrzeni możliwości. Immanuel Kant, którego prace wywarły wielki wpływ na Einsteina, uważał, że nie sposób jest w ogóle wyobrazić sobie świata bez przestrzeni[7].

*

Zakrawa na ironię, że jeden z największych obrońców lokalności stał się jedną z tych osób, które przyniosły jej upadek. Choć Einstein jest najlepiej znany ze swojej teorii względności, Nagrodę Nobla otrzymał w rzeczywistości za swój udział w tworzeniu mechaniki kwantowej, teorii opisującej zachowanie atomów i cząstek subatomowych. W rzeczywistości fizycy uważają, że mechanika kwantowa opisuje zachowanie wszystkiego, jednak charakterystyczne efekty kwantowe przejawiają się najsilniej w małych skalach. Teoria ta wyrosła z odkrycia dokonanego przez Einsteina i współczesnych mu fizyków, że atomy i cząsteczki nie mogą być po prostu mniejszymi wersjami obiektów życia codziennego. Gdyby tak było – gdyby cząsteczki zachowywały się w zgodzie z klasycznymi prawami fizyki opisanymi przez Izaaka Newtona i innych – świat uległby zniszczeniu. Atomy by implodowały; cząsteczki – wybuchły; żarówki upiekłyby nas morderczym promieniowaniem. Sam fakt, że żyjemy, ukazuje konieczność podlegania materii innego rodzaju prawom. Einstein z radością przyjął ich odmienność; w istocie, pomimo nabytej później (niezasłużonej) reputacji zatwardziałego obrońcy fizyki klasycznej, lepiej od wielu mu współczesnych rozumiał przedziwne aspekty fizyki kwantowej[8].

Jedną z nich jest nielokalność. Mechanika kwantowa przewiduje, że dwie cząstki mogą zostać ściśle ze sobą związane, na dobre czy złe. Przy braku mechanizmu sprzęgającego ze sobą cząstki, powinny być w pełni od siebie niezależne, a jednak dotknięcie jednej z nich oznacza dotknięcie drugiej, jak gdyby dzieląca je odległość nic dla nich nie znaczyła. Naukowa metoda „dziel i rządź” nie stosuje się w ich przypadku. Cząstki takie mają wspólne własności, które umykają, jeśli analizuje się je w izolacji; cząstki muszą być mierzone razem. Nasz świat jest przepełniony siecią tego typu na pozór mistycznych powiązań. Atomy w Twoim ciele pozostają związane z każdą osobą, którą kiedykolwiek kochałeś – co brzmi romantycznie, dopóki nie zdamy sobie sprawy, że dotyczy to również tego dziwaka, o którego otarłeś się na ulicy[9].

Cząstki znajdujące się po przeciwnych stronach Wszechświata nie mogą być ze sobą połączone, prawda? Pomysł ten wydał się Einsteinowi niemądry, jak gdyby nastąpił powrót do przednaukowych pojęć wywodzących się z magii. Każda teoria, z której wynika tego typu „upiorne działanie na odległość”[10], jak twierdził, musi być niezupełna. Uważał, że świat jest w istocie lokalny, a jedynie zdaje się być nielokalny, i poszukiwał głębszej teorii[11], która ujawniłaby mechanizm, za pośrednictwem którego dwie cząsteczki mogą wykazywać tego typu powiązanie. Jakkolwiek by się jednak nie starał, Einstein nigdy nie zdołał odnaleźć tego typu teorii i z czasem zdał sobie sprawę, że to jego rozumowanie ma braki. Być może nie istnieje żaden ukryty mechanizm. Być może zasada lokalności – a wraz z nią, nasze rozumienie przestrzeni – wymaga rewizji. Kilka miesięcy przed śmiercią Einstein zastanawiał się, co oznaczałby dla naszego rozumienia świata rozpad pojęcia przestrzeni: „W takim przypadku nic by nie pozostało z moich szklanych domów, w tym również teorii grawitacji, ale także reszty fizyki współczesnej”[12].

Naprawdę przedziwne było jednak to, jak spokojni byli inni współcześni mu fizycy. Nielokalność nie spędzała im snu z powiek. Przyczyny ich lekceważenia są złożone i wciąż są debatowane przez historyków, ale wydaje się, że najbardziej łaskawym wyjaśnieniem jest pragmatyzm. Pytania, które dręczyły Einsteina, po prostu nie wydawały się mieć znaczenia dla praktycznych zastosowań teorii kwantowej. Dopiero w latach 60. nowe pokolenie fizyków i filozofów wróciło do niepokojów Einsteina. Przeprowadzone przez nich eksperymenty pokazały, że nielokalność nie jest ciekawostką teoretyczną, ale potwierdzonym faktem. Nawet wtedy jednak wielu ich kolegów po fachu nie poświęciło temu zjawisku należytej uwagi – to dlatego ja sam, na studiach doktoranckich z fizyki, musiałem natrafić na wzmiankę o nim praktycznie przez przypadek.

Na przestrzeni ostatnich dwudziestu lat zauważyłem jednak doniosłą zmianę postaw. Nielokalność wkroczyła na salony fizyki i dziś stanowi temat sam w sobie, wykraczający poza odkryte przez Einsteina zjawisko. W mojej karierze autora i redaktora miałem szansę rozmawiać z naukowcami z rozmaitych środowisk – ludźmi, którzy badają wszystko, od cząstek subatomowych po czarne dziury i wielką strukturę Kosmosu. Za każdym razem w końcu padała jakaś wersja: „Cóż, to dziwne, i nie uwierzyłbym, gdybym nie zobaczył tego na własne oczy, ale wydaje się, że świat po prostu musi być nielokalny”. Badacze przypominali owe związane ze sobą cząstki na przeciwnych stronach Wszechświata, często nie wiedząc o sobie nawzajem, a jednak dochodząc do tego samego wniosku.

Skoro Einstein uważał, że nielokalność pachnie magią, to czy nowe badania dodają wiarygodności poglądom paranormalnym? Niektórzy tak uważali. W ostatnich dekadach część naukowców spekulowała, że nielokalne powiązania między cząstkami mogą dostarczać nam mocy parapsychologicznych[13]. Przykładowo, gdyby cząstki w Twoim mózgu były splątane z cząstkami w mózgu Twojego przyjaciela, być może bylibyście w stanie kontaktować się telepatycznie? Ponadnaturalny posmak nielokalności kazał wielu fizykom zlekceważyć cały ten obszar badawczy jako bzdurę. W rzeczywistości nie ma tu żadnego powiązania. Nie istnieją jakiekolwiek dowody świadczące o postrzeganiu pozazmysłowym, a opisywane przez fizykę zjawiska nielokalne są zbyt subtelne, aby mogły wpływać na stan umysłu albo lot piłki baseballowej.

Wielu ludzi na wieść o tym czuje rozczarowanie. A jednak nie powinni. Prawdziwa magia świata kryje się w tym, że nie jest on magiczny. Z podanych wyżej przyczyn lokalność jest warunkiem naszego istnienia. Wszelkiego typu nielokalność musi więc być bezpiecznie ukryta i przejawiać się tylko w szczególnych okolicznościach, ponieważ w przeciwnym razie nasz Wszechświat nie mógłby wyłonić w sobie istot żywych. Nielokalność daje nam więc coś znacznie bardziej imponującego niż zjawiska paranormalne: wgląd w prawdziwą naturę rzeczywistości fizycznej. Jeśli może dochodzić do wpływu na wielkie odległości, jak gdyby przestrzeń między danymi obiektami nie istniała, to narzuca się wniosek, że przestrzeń w rzeczywistości nie istnieje. Brian Greene, teoretyk strun z Uniwersytetu Columbia, napisał w 2003 roku w swojej książce The Fabric of the Cosmos, że powiązania nielokalne „pokazują nam, że na fundamentalnym poziomie przestrzeń nie jest tym, za co ją kiedyś uważaliśmy”[14]. Czym więc jest? W odpowiedzi na to pytanie mogą nam pomóc badania nad nielokalnością. Wielu fizyków uważa dziś, że czas i przestrzeń muszą odejść[15] – nie są fundamentalnymi składnikami świata przyrody, lecz wyłaniają się z jakiegoś rodzaju pierwotnego stanu nieprzestrzenności. Przestrzeń jest jak postrzępiony, powycierany dywan. Tak przetarte miejsca dają nam wgląd w to, jak upleciony jest ten dywan, zjawiska nielokalne pozwalają nam zerknąć na sposób, w jaki przestrzeń wyłania się ze struktur nieprzestrzennych.

„Zawsze uważałem, i dalej tak uważam, że odkrycie i obserwacyjne potwierdzenie nielokalności jest najbardziej niesamowitym dokonaniem fizyki dwudziestowiecznej”[16], powiedział Tim Maudlin, profesor na Uniwersytecie Nowojorskim i jeden z wiodących filozofów fizyki. W artykule z końca lat 90. tak podsumował jej konsekwencje: „Świat nie jest po prostu zbiorem niezależnie istniejących obiektów, powiązanych ze sobą zewnętrznie poprzez czas i przestrzeń. Coś głębszego, i znacznie bardziej tajemniczego, splata ze sobą tkaninę rzeczywistości. Dopiero zaczynamy osiągać taki poziom rozwoju fizyki, który pozwala na zastanawianie się nad tym, czym to coś jest”[17].

Równolegle – właśnie dlatego, że stawki są tak wysokie – inni naukowcy uważają, że nielokalność nie może być rzeczywista i że kolejne zjawiska nielokalne okażą się wynikać z niewłaściwej interpretacji danych, a łączenie ich ze sobą jest błędem. Fizycy odnoszą olbrzymie sukcesy dzięki posługiwaniu się kategoriami przestrzennymi i nie zrezygnują z nich bez walki. Jeden ze sceptyków, Bill Unruh, profesor fizyki na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej, podziela zdanie Einsteina: „Jeżeli muszę wiedzieć o Wszechświecie wszystko, aby wiedzieć cokolwiek, jeśli potraktujemy nielokalność poważnie, jeśli to, co dzieje się tu jest uzależnione od procesów zachodzących w gwiazdach, to uprawianie fizyki jest w zasadzie niemożliwe. Fizyka jest możliwa, ponieważ świat da się dzielić. Jeżeli rzeczywiście musimy wypatrywać ku gwiazdom, aby poznać swoją przyszłość, nie wiem, w jaki sposób możemy wciąż być fizykami”[18].

Obok samego faktu, że jest to tak interesujący temat, nielokalność doskonale ilustruje, w jaki sposób toczą się debaty naukowe. Niezgoda między osobami takimi jak Maudlin i Unruh ma charakter czysto intelektualny. Nie wchodzą tu w grę czynniki ekonomiczne czy jakiekolwiek inne nieczyste motywy. Po korytarzach wydziałów fizyki nie kręcą się lobbyści z Exxon-Mobil. Adwersarze nie żywią do siebie osobistej niechęci; często bywają przyjaciółmi. Matematyka jest dość prosta; badania eksperymentalne – niepodważalne. Debata ciągnie się jednak od pokoleń. Dzisiejsi badacze odtwarzają dyskusje, które toczyły się w czasach Einsteina, zwłaszcza w latach 20. i 30. XX wieku. Dlaczego? I co powinniśmy sądzić my, skoro eksperci nie potrafią się ze sobą zgodzić?

Spójrzmy na najgorętszą debatę naukową ostatnich lat: tę dotyczącą globalnych zmian klimatycznych. Większość klimatologów uważa, że działalność ludzi powoduje ocieplanie się naszej planety, jednak niewielka grupka ma zdanie przeciwne – osobie czytającej na ten temat artykuł w gazecie czy w internecie, istnienie tej debaty może się wydać zastanawiające. Większość ludzi nie ma czasu, aby stać się ekspertami z dziedziny globalnych modeli cyrkulacji powietrza albo pomiarów promieniowania podczerwonego. Jak przekonamy się niżej, debaty tego typu można rozwiązać w sensie praktycznym, bez względu na to, czy pośród ekspertów wciąż występuje różnica zdań. W przypadku zmian klimatycznych jest już powszechnie wiadome, co powinniśmy robić. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że dojdzie do katastrofy klimatycznej i rozsądnie jest zarządzać tym ryzykiem; analogicznie, nie jest potrzebny doktorat z chemii procesów spalania, aby zrozumieć, że należy wyposażyć się w ubezpieczenie domu od pożaru. W przypadku nielokalności nawet najbardziej zatwardziali sceptycy zgadzają się, że coś dziwnego zachodzi w świecie kwantowym – coś, co zmusza nas do wykroczenia poza głęboko zakorzenione poglądy na temat czasu i przestrzeni, coś, co musimy pojąć, aby zrozumieć, skąd wziął się Wszechświat i w jaki sposób wyłania się jedność świata przyrody.

Opowieści historyczne i anegdoty o społeczności naukowców nie są tu więc tylko bocznymi wątkami zasadniczej historii. Mają one dla niej wielkie znaczenie, ponieważ w tak żywym obszarze badań, w którym co rusz pojawiają się nowe idee i nic nie jest do końca jasne, nie stosują się powszechne poglądy na temat tego, jak działa nauka, która miałaby być domeną faktów, logiki, równań i eksperymentów. Naukowcy muszą czasem poradzić się swojego instynktu, metafor i przeczucia, aby osądzić, jak dobrze w danym przypadku stosują się fundamentalne zasady, na których opiera się ich działalność. Gdy postanowiłem przyjrzeć się zagadnieniu nielokalności, wyruszyłem początkowo na leniwy spacer w parku, ale po krótkiej chwili znalazłem się w egzotycznym lesie tropikalnym, wplątany w gąszcz migoczących liści, labirynt ścieżek i kuszących uchwytów, po których okazywały się pełzać jadowite mrówki. Niektórzy fizycy uwielbiają dreszcz emocji, przechodzący ich, gdy kwestionują najstarsze i najgłębiej żywione przekonania naukowe. Inni wzruszają ramionami, uważając ich za szaleńców. Jeśli zasada lokalności upadnie, to czy Wszechświat okaże się być fundamentalnie niezrozumiały, jak sądził Einstein, czy też fizycy zdołają odnaleźć sens w nielokalnym Kosmosie?

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Przypisy

WPROWADZENIE. SZKLANE DOMY EINSTEINA

[1] Kafatos and Nadeau, The Conscious Universe: Part and Whole in Modern Physical Theory, 1.

[2] Einstein, Physics and Reality.

[3] Einstein, Letters to Solovine: 1906–1955, 117.

[4] Earman, Locality, Nonlocality, and Action at a Distance: A Skeptical Review of Some Philosophical Dogmas.

[5] Howard, Einstein on Locality and Separability.

[6] Ibid., 187–88.

[7] Kant, Critique of Pure Reason, 50.

[8] Fine, The Shaky Game: Einstein, Realism, and the Quantum Theory, 16–25.

[9] Smolin, Life of the Cosmos, 252.

[10] Born and Einstein, The Born-Einstein Letters 1916–1955: Friendship, Politics and Physics in Uncertain Times, 155.

[11] Belousek, Einstein’s 1927 Unpublished Hidden-Variable Theory: Its Background, Context and Signifi cance.

[12] Stachel, Einstein from ‘B’ to ‘Z’, 151.

[13] Collins i Pinch, Frames of Meaning: The Social Construction of Extraordinary Science, chap. 4; Kaiser, How the Hippies Saved Physics: Science, Counterculture, and the Quantum Revival, rozdz. 4, 10.

[14] Greene, The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality, 123.

[15] Gross, Einstein and the Search for Unification, 2039.

[16] Tim Maudlin, e-mail do autora, 17 października 2012.

[17] Maudlin, Part and Whole in Quantum Mechanics, 60.

[18] William Unruh, wywiad z autorem, 15 listopada 2010, Utrecht, Holandia.