Η αμφισβήτηση του χρόνου – Η μάχη των φυσικών

Για την έννοια του χρόνου ερίζουν οι φυσικοί, οι οποίοι έχουν χωριστεί σε τρεις ομάδες με σχεδόν χουλιγκανική συμπεριφορά. Όσο για το ποια από αυτές θα επικρατήσει (στηριζόμενη σε ατράνταχτα πειραματικά δεδομένα) θα το μάθουμε εν ευθέτω χρόνω!

Γράφει ο Άλκης Γαλδαδάς 

22/01/2022

Υπάρχει τρόπος να φέρεις σε δύσκολη θέση έναν φυσικό ακόμα και αν είναι άνθρωπος που έχει διαβάσει πολύ και συνεχίζει να προβληματίζεται γύρω από την επιστήμη του. Ιδιαίτερα, θα λέγαμε, να στριμώξεις αυτόν που προβληματίζεται. Αρκεί να τον ρωτήσεις απλώς ποια είναι η άποψή του για τον χρόνο. Γιατί μεταξύ των φυσικών υπάρχουν οι πραγματικοί χούλιγκαν του χρόνου! Οι φανατικοί, οι καλά διαβασμένοι, που φορούν και τη φανέλα της ομάδας τους, μιλούν περιφρονητικά για τους «άλλους» και δεν συχνάζουν πλέον οι μεν στα συνέδρια των δε. Δίνονται μάχες στα μεγάλα πανεπιστήμια του κόσμου, σε εγκαταστάσεις επιταχυντών, σε αίθουσες διαλέξεων, εννοείται και στο αφιλτράριστο και σκληρό περιβάλλον του YouTube, καθώς και, απροσδόκητα, σε επιστημονικά περιοδικά.

Με τίτλο «Κβαντικό Σύμπαν» κυκλοφόρησε στο τέλος του προηγούμενου χρόνου το πλέον γνωστό αμερικανικό περιοδικό εκλαϊκευμένης επιστήμης («Scientific American»). Τα θέματα στις 112 πυκνογραμμένες σελίδες κάλυπταν ένα ευρύ φάσμα, από τη γάτα του Σρέντινγκερ μέχρι τους κβαντικούς υπολογιστές. Αυτό όμως που καταλάβαινε κάποιος ήδη από το πρώτο θέμα, γραμμένο από τον πολύ γνωστό Λι Σμόλιν, ήταν πως το «Κβαντικό Σύμπαν» στηριζόταν στην οπτική των ανθρώπων της Κβαντικής Βαρύτητας Βρόχων (Loop Quantum Gravity). Κατάληψη κανονική δηλαδή, με θέματα επιλεγμένα από εκείνους τους επιστήμονες που υποστηρίζουν φανατικά τη μία από τις διακεκριμένες ομάδες. Με άποψη σχετικά με τη φύση του χρόνου στα όσα συμβαίνουν στο Σύμπαν, ενώ οι εξίσου φανατικοί αντίπαλοί τους είναι οι άνθρωποι της θεωρίας των χορδών (String Theory), που, εννοείται, δεν υπήρχαν πουθενά στο αφιέρωμα. Ενώ υφίσταται και μια ακόμα, αρκετά πολυάριθμη και κάπως μετριοπαθής ομάδα, που κονταροχτυπιέται και αυτή για τον χρόνο. Πρόκειται για τους υποστηρικτές του Μονολιθικού Σύμπαντος (Block Universe).

Προτού όμως ασχοληθούμε με το τι υποστηρίζει σήμερα η κάθε ομάδα θα πρέπει με λίγα λόγια να περιγράψουμε το πεδίο της μάχης. Ενα πρόβλημα που ταλαιπώρησε τη σκέψη διάσημων ανθρώπων της Φυσικής, όπως ο Αϊνστάιν, ο Σρέντινγκερ, ο Χάιζενμπεργκ, ο Μπομ, ήταν το ότι η θεωρία της σχετικότητας που έχει εφαρμογή στον μακρόκοσμο, στα ορατά αντικείμενα και φαινόμενα, δεν παρουσιάζει συμβατότητα με την Κβαντική Θεωρία, δηλαδή το σύστημα των στοχαστικών (με στατιστική συμπεριφορά) νόμων που φαίνεται να διέπουν τον αόρατο μικρόκοσμο. Εκεί που κινούνται τα μόρια, τα άτομα, τα συστατικά τους σωματίδια αλλά και τα μικρότερα και από τα άτομα στοιχειώδη σωμάτια. Κατεβαίνοντας από τον ορατό στον αόρατο, αλλά υπαρκτό, κόσμο οι δύο θεωρίες αρνούνται πεισματικά να δώσουν τα χέρια.

Το Μονολιθικό Σύμπαν

Θα ξεκινήσουμε από τους κεντρώους, που έχουν την πιο παλιά και πιο κλασική άποψη για τον χρόνο. Στη θεωρία της σχετικότητας ο χρόνος είναι «ραμμένος» γερά με τις τρεις διαστάσεις μήκος-πλάτος-ύψος που αντιλαμβανόμαστε με τις αισθήσεις μας, για να προκύψει τελικά ο με τέσσερις διαστάσεις λεγόμενος χωροχρόνος. Με τη διαφορά πως στον χώρο μπορούμε να κινηθούμε όπως θέλουμε ενώ στη διάσταση του χρόνου δεν μπορούμε να κάνουμε το ίδιο (αφού δεν είναι και τόσο εύκολο να κινηθούμε προς τα πίσω). Αν λοιπόν συγκεντρώσουμε κάπου όλες τις στιγμές και για όλα τα σημεία του Σύμπαντος, από την υποτιθέμενη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι το μελλοντικό τέλος, δημιουργείται το λεγόμενο «Μονολιθικό Σύμπαν» (Block Universe) που περιλαμβάνει τα πάντα. Χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις του Αϊνστάιν και τις όποιες αρχικές συνθήκες, μπορούμε να υπολογίσουμε (θεωρητικά πάντα) οποιαδήποτε εξέλιξη στο παρόν και στο μέλλον ξεκινώντας από οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Το Μονολιθικό αυτό Σύμπαν είναι ένα Σύμπαν με άκαμπτες και παγιωμένες διαστάσεις, χωρίς εκπλήξεις, χωρίς απρόοπτα και χωρίς ελευθερία, αφού και οι αποφάσεις μας και η εξέλιξή μας υποτίθεται πως βρίσκονται ήδη μέσα σε ένα τεράστιο «κουτί». Όλα είναι προβλέψιμα και δεδομένα. Ακόμα και τα μελλοντικά, και μπορούν να αποκαλυφθούν βάσει υπολογισμών. Η εικόνα αυτή εξηγεί και μια από τις τελευταίες φράσεις του Αϊνστάιν, το 1955, που έγραψε ότι «η διάκριση ανάμεσα σε παρόν, παρελθόν και μέλλον είναι μια πεισματικά και επίμονα επανερχόμενη φαντασίωση».

Παρόλο που αυτό το Σύμπαν βολεύει, υπάρχουν και ανήσυχοι θεωρητικοί φυσικοί για να προτείνουν ένα, όπως το αποκαλούν, Εξελισσόμενο Μονολιθικό Σύμπαν. Αυτό έχει την ιδιότητα ο όγκος του, αποτελούμενος από σημεία στον χωροχρόνο, να μεγαλώνει αν γίνει δεκτό πως ο χρόνος είναι σε εξέλιξη. Μέρος της εξωτερικής επιφάνειας του όγκου αυτού είναι σταθερό και αμετάβλητο (= παρελθόν), αλλά υπάρχει και μια μεταβλητή πλευρά, που αποτελείται στην πραγματικότητα από σημεία του χώρου στις τωρινές τους στιγμές υποβάλλοντας την ιδέα ενός παρόντος στραμμένου προς ένα επίσης ανοιχτό μέλλον.

Οι δύο κολόνες που επάνω τους έχει στηριχθεί η μονολιθικότητα του Σύμπαντος είναι η θεωρία του Αϊνστάιν και το «καθιερωμένο πρότυπο», δηλαδή τα σωματίδια που συγκροτούν την ύλη. Με την παρατήρηση πως οι φυσικοί μιλούν περισσότερο για κβαντικά πεδία. Για ιδιότητες του χώρου (αν περιέχει φορτία, μαγνήτες, υλικά σώματα) που επιδρούν χωρίς επαφή στα σωματίδια της ύλης. Ενώ τα ίδια τα «σωματίδια» δεν είναι άλλο παρά περιοχές όπου το αντίστοιχο πεδίο παρουσιάζει ιδιαίτερη «πυκνότητα». Για παράδειγμα, υπάρχει στην πραγματικότητα πεδίο που ονομάζεται Χιγκς (με υλική εκδήλωσή του να είναι το σωματίδιο Χιγκς) και αυτό επιδρώντας επάνω μας να μας κάνει να αισθανόμαστε περισσότερο ή λιγότερο τη μάζα μας. Με τα πεδία είναι σαν να κολυμπάμε μέσα σε μια πισίνα με… σιρόπι. Ανάλογα με την «έντασή» τους, δηλαδή εδώ ανάλογα με το πόσο αραιό ή πηχτό είναι, να αισθανόμαστε μεγαλύτερη ή μικρότερη δυσκολία στο κολύμπι.

«Θα έπρεπε να προσπαθήσουν να λύσουν τα προβλήματα της θεωρίας τους, που είναι πολλά, αντί να προσπαθούν να κερδίσουν πόντους κάνοντας κήρυγμα γύρω-γύρω ότι τάχα είναι οι μοναδικοί αξιόπιστοι στην πόλη» σημείωσε ο Κάρλο Ροβέλι αναφερόμενος στους υποστηρικτές της θεωρίας των χορδών.

 

Παίζοντας με τις αόρατες χορδές

Περνώντας από τον ορατό μακρόκοσμο στον αόρατο μικρόκοσμο, δηλαδή σε μήκη μικρότερα του χιλιοστού του μέτρου και φθάνοντας και στο εκατομμυριοστό, αλλάζουν όλα, κυριολεκτικά. Από εκεί που είχαμε τη δυνατότητα για στέρεους υπολογισμούς, τώρα μόνο στατιστικά μπορούμε να παρακολουθούμε και να προβλέπουμε τα φαινόμενα, ενώ δεν υπάρχουν ντετερμινιστικές συμπεριφορές, δηλαδή μια αιτία να επιφέρει συγκεκριμένο προβλέψιμο αποτέλεσμα. Εκεί χάνεται η επαφή με τους… επάνω, δηλαδή με τη θεωρία της σχετικότητας. Ένα άλλο «πολιτικό σύστημα», αυτό της κβαντικής μηχανικής, εξουσιάζει τα πάντα. Τα σωματίδια παύουν να μας δίνουν τη δυνατότητα να τα εντοπίζουμε κάθε στιγμή. Έχουμε επινοήσει τρόπους να υπολογίζουμε την πιθανότητα να βρίσκονται σε κάποια περιοχή του χώρου, δεν γίνεται όμως ποτέ να βρεθεί η εντελώς ακριβής θέση τους (όπως συμβαίνει π.χ. με ένα περιστέρι στον μακρόκοσμο), διότι όσο πάμε να προσδιορίσουμε τη θέση τους με περισσή ακρίβεια τόσο γίνεται πιο απροσδιόριστη η ορμή τους, άρα κόπος μάταιος.

Δεν μένουμε όμως με σταυρωμένα τα χέρια. Ένα ζάρι αποτελείται από αναρίθμητα σωματίδια που κινούνται και συμπεριφέρονται απρόβλεπτα, όμως όλα μαζί συνεισφέρουν στην ύπαρξη ενός ανωτέρου επιπέδου όπου μπορούμε να υπολογίσουμε συγκεκριμένα τις πιθανότητες (1/6 για κάθε αριθμό από το 1 έως το 6) για καθέναν από τους αριθμούς του. Ένα αέριο έχει μια θερμοκρασία, αυτή τη θερμοκρασία δεν την έχει και κάποιο από τα άτομα που την αποτελούν. Στον μικρόκοσμο λοιπόν ψάχνουμε για άλλους νόμους με την ελπίδα ότι αυτοί θα μπορούσαν να μας ενώσουν και με τις θεωρίες για τα όσα συμβαίνουν στον μακρόκοσμο.

Εδώ το πολυπόθητο βραβείο είναι μια θεωρία για τη βαρύτητα. Και από το 1960 έχει ξεκινήσει να αναπτύσσεται η θεωρία των χορδών, που τότε ήθελε να εξηγήσει το γιατί τα κουάρκ, δομικοί λίθοι μεταξύ άλλων των πρωτονίων και των νετρονίων, δεν απαντώνται μεμονωμένα και ελεύθερα. Για τη δομή και τη συμπεριφορά του κάθε μικροσκοπικού στοιχειώδους σωματιδίου βρίσκεται μια μονοδιάστατη «χορδή». Αυτή μπορεί να έχει ελεύθερα άκρα ή να αποτελεί έναν κλειστό βρόχο και σίγουρα το υλικό της δεν είναι κάποιο μέταλλο αλλά ιδεατά είναι συναφές με το υλικό των άλλων στοιχειωδών σωματιδίων. Οι χορδές μπορούν να δονούνται, να συστρέφονται, να κινούνται. Ανάλογα με το πώς γίνεται το καθένα από αυτά δίνουν υπόσταση σε «σωματίδια» όπως το φωτόνιο ή το κουάρκ.

Η θεωρία όμως για την περιγραφή της συμπεριφοράς τους απαίτησε εκτός από τις τέσσερις ήδη γνωστές διαστάσεις του χωροχρόνου να προστεθούν και άλλες έξι ή επτά διαστάσεις, στη συνέχεια εμφανίστηκαν πέντε διαφορετικές θεωρίες, έως ότου το 1995 ο Έντουαρντ Γουίτεν τα συμμάζεψε όλα σε μία, τη λεγόμενη Μ-Θεωρία (το Μ εικάζεται ότι μπορεί να προέκυψε από τη λέξη μεμβράνη ή και από τη λέξη μυστήριο). Το 1996 η θεωρία αυτή, που χρησιμοποιήθηκε από τον Χόκινγκ, είχε μια επιτυχία σχετικά με τις μαύρες οπές, αλλά από τότε άρχισε και ένας σχετικός ανήφορος. Διότι πέρα από το ότι είναι τόσο μικρές οι διαστάσεις τους που κάποιοι αμφιβάλλουν αν θα επιβεβαιωθεί ποτέ η ύπαρξή τους πειραματικά όπως έγινε με το Χιγκς, η θεωρία τους απαιτεί και κάποια νέα σωματίδια, αντίστοιχα των όσων ήδη γνωρίζουμε, που ονομάζονται υπερσυμμετρικά. Κάτι που δυσκολεύει την αποδοχή τους όσο δεν βρίσκονται σημάδια ούτε από αυτά. Το σίγουρο πάντως είναι πως ο χρόνος μέχρι σήμερα για τη θεωρία των χορδών είναι αυτός που ξέρουμε και από τον Αϊνστάιν.

Η κβαντική θεωρία των βρόχων

Στην ομάδα των ορκισμένων στη θεωρία των βρόχων βρίσκεις γνωστά ονόματα. Ο Λι Σμόλιν βέβαια, η Σαμπίνε Χοσενφέλντρ, ο Κάρλο Ροβέλι. Στο εισαγωγικό κείμενο της ειδικής έκδοσης του «Scientific American» ο Λι Σμόλιν, πέρα από την επίδειξη δύναμης που έκανε και την επιλογή ομοϊδεατών για να γράψουν τα υπόλοιπα άρθρα, μας διαβεβαιώνει ότι η Κβαντική Θεωρία της Βαρύτητας με βρόχους μπορεί να γεφυρώσει το χάσμα ανάμεσα στη θεωρία του Αϊνστάιν και στη συμπεριφορά του μικροκόσμου. Και δίπλα του ο Κάρλο Ροβέλι, με πολύ καλά οργανωμένες διαλέξεις, μας αναγγέλλει πως πλέον δεν χρειαζόμαστε την έννοια του χρόνου για να προχωρήσουμε στους υπολογισμούς μας. Μόνο το «Γέρε χρόνε, φύγε τώρα» που δεν παίζει ακόμη στο τέλος κάθε εμφάνισής του.

Για όποιον δεν είναι εξοικειωμένος με την κβαντική θεωρία των βρόχων το πρώτο ενδιαφέρον στοιχείο είναι η άποψη «ευτυχώς ο χώρος μας που είναι μόνο με τρεις διαστάσεις». Έτσι έχουμε σε ένα διαμέρισμα πολυκατοικίας μόνο τέσσερις το πολύ γείτονες να μας ενοχλούν με διάφορους τρόπους και οι τίγρεις στη ζούγκλα είναι πολύ μακριά για να μας φάνε. Εννοώντας πως οι περισσότερες διαστάσεις φέρνουν περισσότερους σε άμεση επαφή. Από την άλλη, με τα κινητά τηλέφωνα και με το Διαδίκτυο υπάρχουν γύρω μας πολύ περισσότερες από πενήντα διαστάσεις, αφού μπορούν να είναι τόσοι άνθρωποι πολύ πιο κοντά. Στο τέλος του συλλογισμού αυτού είναι η διαπίστωση πως ο χώρος είναι μια φαντασίωση. Είναι κάτι που προκύπτει από μια μακροσκοπική ενατένιση. Όπως δηλαδή και η θερμοδυναμική δίνει αποτελέσματα για σωματίδια σε συλλογικό επίπεδο (τη θερμοκρασία ολόκληρου σμήνους σωματιδίων και όχι καθενός χωριστά).

Ο χώρος δεν θεωρείται συνεχής αλλά ένα πλέγμα από χωριστά μεταξύ τους σημεία. Τα σωματίδια βρίσκονται στο πλέγμα και με μικρά άλματα κινούνται από τη μία θέση στην άλλη. Ακόμα και τα φωτόνια διαπεραιώνονται με αυτόν τον τρόπο, σαν καγκουρό που πηδούν από τον έναν κόμβο στον άλλον. Εξηγώντας έτσι κατά κάποιον τρόπο και το γιατί το φως δεν έχει άπειρη ταχύτητα. Προχωρώντας περισσότερο, μια κβαντική κατάσταση στον χώρο έχει τη μορφή ενός τρισδιάστατου πλέγματος. Οι όγκοι που παρουσιάζονται είναι κβαντισμένοι και έτσι μπορούμε να μιλάμε και για κβάντα χώρου. Οι αρχιτέκτονες αυτής της θεωρίας κάνουν λόγο για ένα τέλειο ταίριασμα με τη θεωρία του Αϊνστάιν και μια κβαντοποίηση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας στο επίπεδο του μικροκόσμου.

Χώρος χωρίς χρόνο!

Για να πάνε τα πράγματα στη θέση τους χωρικά, θα πρέπει να δημιουργούνται οι κατάλληλες δομές και η κβάντωση του χώρου, δηλαδή η λειτουργία μόνο με ορισμένες τιμές, απαιτεί λίγους γείτονες στον κάθε κόμβο για να μην παρεισφρέουν τυχαίες και ακατάλληλες δομές. Και όλα αυτά εξορίζοντας πλέον τον χρόνο από τους υπολογισμούς.

Ο Κάρλο Ροβέλι στις παρουσιάσεις του απορρίπτει την έννοια του βέλους του χρόνου που δείχνει προς τις καταστάσεις αυξημένης εντροπίας, λέγοντας πως είναι μια εντελώς ανθρωπομορφική κατασκευή και όχι ενδογενής ενώ αφήνει εντελώς έξω και τον ίδιο τον χρόνο. Αυτό που αισθάνεται (ακόμη) κάποιος ως ροή του χρόνου τώρα θεωρείται μια συλλογή συμβάντων που απέχουν απειροελάχιστα μεταξύ τους.

Στην αρχή δένει ένα σκοινί από τη μία άκρη της αίθουσας έως την άλλη και λέει στους θεατές πως θα αποδείξει ότι η εικόνα που έχουμε – αριστερά είναι τα γεγονότα του παρελθόντος, στη μέση το τώρα και δεξιά το μέλλον – είναι φαντασίωση. Μετά αποδομεί την έννοια του «τώρα», αφού και η ανταλλαγή βλεμμάτων χρειάζεται κάποιο χρονικό διάστημα για να επιτευχθεί. Φθάνει σ’ εμένα η εικόνα σου που όμως είναι ήδη παρελθόν για εσένα και εσύ όταν με βλέπεις εγώ έχω προχωρήσει στο μέλλον, άρα έχει ήδη δημιουργηθεί ένα διάστημα που καταργεί το τώρα.

Στη συνέχεια με τον συλλογισμό πως για έναν που ζει σε μεγαλύτερο υψόμετρο ο χρόνος κυλάει με διαφορετική ταχύτητα από ό,τι για έναν κάτοικο της πεδιάδας εξαφανίζει την ιδέα πως ένα γεγονός διαρκεί το ίδιο για όλους. Στο τέλος ισχυρίζεται ότι ο εγκέφαλος είναι μια μηχανή επεξεργασίας του χρόνου που από τις χρονικές στιγμές του παρελθόντος φτιάχνει όποιες θα είναι στο παρόν-μέλλον, καθώς αυτά τα θεωρεί ένα. Άρα όλη η ιδέα του χρόνου είναι υποκειμενική και δημιουργημένη στο μυαλό μας. Δεν παραλείπει μάλιστα να αναφέρει και το ότι έχει γράψει ένα κείμενο με τίτλο «Forget Time».

Και εμείς μένουμε αμήχανοι μπροστά στην πάλη των λιονταριών και μόνη ελπίδα η είδηση ότι παρ’ όλα αυτά μετά τα αδιέξοδά τους άρχισαν να σκέπτονται το πώς θα μπορούσαν να βρουν τρόπους να βάλουν τα καλά της κάθε θεωρίας σε μια κοινή, γιατί ο χρόνος έχει πραγματικά σταματήσει για αυτούς.

ΠΗΓΗ: www.tovima.gr