Nad naturą czasu głowią się także fizycy. Najbardziej znaną teorią fizyczną omawiającą czas jest teoria względności. Swoje trzy grosze dorzucają termodynamika i kosmologia.
Pierwsza część artykułu poświęcona była argumentom filozoficznym o nierzeczywistości czasu.
Metafizyka jest działem filozofii badającym naturę świata. W starożytności fizyka traktowana była jako jej poddziedzina, lecz z czasem zdążyła się wyemancypować. Obecnie fizyków w ogóle nie interesują tematy podejmowane przez metafizykę, z jednym wyjątkiem. Zagadnienie czasu i przestrzeni najchętniej zawłaszczyliby dla własnej dyscypliny.
W poprzedniej części artykułu omówiliśmy wywody filozofów, którzy podawali w wątpliwość rzeczywistość czasu. A co mają na to do powiedzenia ich koledzy z konkurencyjnego fakultetu?
Nasza najlepsza teoria
W XVII wieku, dzięki mechanice Isaaca Newtona, przestrzeń zyskała rangę absolutnej, kosmicznej areny, a wszystkie rozgrywające się na niej zdarzenia mocno osadzono w absolutnym czasie. Absolutność czasu i przestrzeni oznacza, iż istniałyby one nawet wtedy, gdyby Wszechświat był całkowicie pusty. Dlatego właśnie należy traktować je jako "pojemniki", wewnątrz których występują ciała i następują zdarzenia. Przestrzeń i czas uznano także za absolutne w sensie pomiarowym: wszyscy obserwatorzy będą zawsze zgodni co do odległości między dwoma konkretnymi miejscami i co do czasu trwania poszczególnych zdarzeń.
Gottfried Wilhelm Leibniz, wielki niemiecki rywal brytyjskiego fizyka, zdecydowanie odrzucił metafizyczne zaplecze Newtonowskiej teorii ruchu. Absolutyzm przestrzeni i czasu wymuszał przecież powiązanie ich z dwoma Bożymi atrybutami, Niezmierzonością oraz Wiecznością. Leibniz uważał taką analogię za teologicznie niepoprawną, lub nawet heretycką. Zauważył także, że skoro przestrzeń i czas są niezależne od ciał i zdarzeń, to Bóg mógł stworzyć świat w dowolnej innej chwili lub przesunąć go o dowolną odległość w dowolnym kierunku. Nie ma jednak żadnej możliwości wyjaśnienia, dlaczego kosmos powstał akurat w tym momencie i w takim położeniu, w jakim powstał.
Każdy szczycący się swoim ateizmem czytelnik obowiązkowo załamie teraz ręce nad religijnym wstecznictwem Leibniza, który negował zdroworozsądkowe, intuicyjne niemalże poglądy Newtona na naturę czasu i przestrzeni. Załamie niesłusznie, gdyż Newton, o czym nieczęsto się wspomina, również był osobą głęboko wierzącą i "poprzez swą mechanikę szukał naukowego dowodu dla istnienia Pierwszego Poruszyciela".
Obaj uczeni posiadali więc odmienne zapatrywania na czas pomimo dzielonej wiary. Newton był temporalnym realistą, a Leibniz w ślad za Arystotelesem głosił, że czas jest tylko abstrakcyjną metodą układania zdarzeń po sobie. Notabene, idealizm à la Parmenides także nie musiał się kłócić z chrześcijańską perspektywą. Św. Augustyn, pierwszy wielki myśliciel Kościoła, uważał tysiąc lat wcześniej, że czas jest zjawiskiem całkowicie subiektywnym: z jego nurtem płynie co prawda nasza świadomość, ale bynajmniej nie świat jako taki.
Powstała w XVII w. nowoczesna fizyka nie dała z filozoficznego punktu widzenia jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o naturę czasu. Względy obliczeniowo-praktyczne sprawiły jednak, że przez trzysta lat w nauce panował niepodzielnie temporalny realizm. Został on niespodziewanie strącony z piedestału w 1905 r. przez szczególną teorię względności Alberta Einsteina.
Z o pół wieku wcześniejszej teorii elektromagnetyzmu wynikało niezbicie, że prędkość światła jest stała i wynosi około trzystu tysięcy kilometrów na sekundę. Ale względem czego, pytała Newtonowska mechanika? Najrozsądniej było przyjąć, że względem absolutnej przestrzeni. Tym sprytnym sposobem teoria elektromagnetyzmu dostarczyłaby pośredniego dowodu na jej istnienie. Niestety, przeprowadzony w 1887 r. eksperyment Michelsona i Morleya (prawdopodobnie najważniejszy eksperyment w historii fizyki) wykazał, iż pozorna prędkość światła jest stała dla wszystkich obserwatorów niezależnie od kierunku i szybkości ich ruchu względem ruchu źródła światła.
Brzmi to bardzo dziwnie. Czyżby światłu należało przypisać jakieś "magiczne" właściwości? Czy ruch światła jawi się każdemu obserwatorowi dokładnie tak samo? Einstein w swej genialności odpowiedział na oba pytania pozytywnie. Szczególna teoria względności głosi oto, że prędkość światła jest absolutna. Taka konkluzja ma jednakże wysoką cenę.
Ponieważ każdy pomiar szybkości polega na jednoczesnym zmierzeniu przestrzennego i czasowego interwału, casus światła unaocznia nam, że postrzeganie przestrzeni i czasu uzależnione jest od naszego ruchu. Pojazd poruszający się względem nas będzie się wydawał krótszy niż gdyby stał nieruchomo; zegar znajdujący się w pojeździe będzie wydawał się odmierzać czas wolniej niż zegarek na naszym ręku. Te względne zniekształcenia czasu i przestrzeni są niedostrzegalne w życiu codziennym, gdyż na co dzień mamy do czynienia z ciałami przemieszczającymi się znacznie wolniej niż światło. Jednak precyzyjne eksperymenty przeprowadzane od blisko wieku potwierdzają przewidywania szczególnej teorii względności co do joty.
Wnioski płynące z teorii Einsteina skłaniają nas do przemyślenia czasu na nowo. Po pierwsze, jej matematyczna struktura wiąże ściśle czas i przestrzeń ze sobą, każąc traktować czas jako dodatkowy, skądinąd szczególny, wymiar przestrzeni. Po drugie, teoria względności upośledza upływ czasu. Nie dość, że biegnie on w różnym tempie dla różnych obserwatorów, to na dodatek teraźniejszość i jednoczesność okazują się względne. Przeszłość i przyszłość mogą natomiast zamieniać się miejscami w tym sensie, że każde wydarzenie jest albo przeszłe, albo przyszłe, w zależności od ruchu jego świadka.
Zauważmy jednak, że szczególna teoria względności nie opowiada się jednoznacznie ani po stronie temporalnego realizmu, ani relatywizmu, ani idealizmu. Newton chciał, żeby ruch był podporządkowany czasowi i przestrzeni, ale u Einsteina doszło do nieoczekiwanej zamiany ról. Absolutny czas został zatem zniesiony, ale natychmiast na jego miejsce wkroczyła czasoprzestrzeń, którą możemy nadal traktować jako absolutny byt. Szczególna teoria względności daje zarazem asumpt do traktowania upływu czasu jako iluzji. Ale czy musi to znaczyć, że czas jako taki również jest tylko złudzeniem?
Niekoniecznie. Pojawia się bowiem pytanie, jak bardzo szczególną teorią względności powinni przejąć się metafizycy. Filozofowie nauki dzielą się na dwa obozy. Naukowi realiści uważają, że modele fizyczne ujawniają prawdę o świecie i dlatego należy brać na serio wszystkie płynące z nich wnioski. Jednak naukowi instrumentaliści są przeciwnego zdania: według nich modele stanowią przybliżone, wyidealizowane opisy otaczającego nas świata i wagę należy przywiązywać wyłącznie do ich matematycznego, obliczeniowego aspektu.
Tim Madigan, wybitny współczesny filozof i fizyk, przyznaje, że teoria względności Einsteina jest obecnie najlepszą teorią naukową opisującą czas. Ale skoro nasza najlepsza teoria po macoszemu traktuje jego upływ, może uwłacza to nie czasowi, ale samej teorii?
Rzeka czasu
Warto też wspomnieć, że metafizyczne konsekwencje szczególnej teorii względności są poniekąd niespójne. Jeśli rzeczywiście zanegujemy przy jej pomocy upływ czasu, to musimy zacząć traktować przeszłość i przyszłość jako dwie równorzędne części czasoprzestrzennego "kloca". O dziwo, teoria Einsteina w pewnym istotnym sensie wcale ich nie równouprawnia. Balans psują podróże w czasie. Otóż teoria nie tylko dopuszcza ich możliwość, ale na dodatek udziela dokładnych instrukcji ich odbycia: żeby udać się w przyszłość, należy przez pewien czas poruszać się z bardzo dużą prędkością. Gdy wrócimy do punktu wyjścia i się w nim zatrzymamy, odkryjemy, że my zestarzeliśmy się o lat kilka, lecz okolica – może nawet i o kilka tysięcy. Kruczek w tym, że do przeszłości wrócić nijak się nie da. Skąd taka asymetria? Czyżby czas, kulawo bo kulawo, ale jednak płynął?
Na powroty do przeszłości zezwala hipotetycznie ogólna teoria względności. Twierdzi ona, co także zostało potwierdzone w eksperymentach, że czasoprzestrzeń ulega miejscowym zakrzywieniom wskutek obecności ciał takich jak gwiazdy i planety. Nasze zmysły interpretują owe deformacje jako grawitacyjne przyciąganie. Równania matematyczne dopuszczają taki rozkład masy w kosmosie, który prowadziłby do powstania pętli czasowych. Jak pamiętamy, właśnie w takiej pętli uwięziony został Bill Murray w Dniu Świstaka, ale była ona nieelastyczna i ciągłe cofanie się o dobę przysporzyło bohaterowi więcej melancholii niż pożytku. Zresztą, gdyby dało się podróżować do przeszłości swobodniej, to natychmiast musielibyśmy stawić czoło Paradoksowi Dziadka. Jeśli zabijemy naszego przodka przed poczęciem przezeń naszego ojca, to co właściwie stanie się z nami? Nie wiadomo.
Teorie względności nie są jedynymi teoriami fizycznymi próbującymi przeniknąć tajemnicę czasu. Z metafizyką konkuruje tutaj także termodynamika próbująca wyjaśnić, a nawet zbagatelizować jego kierunek. Robi to przy pomocy pojęcia entropii będącego miarą nieuporządkowania materii. Im większa entropia, tym mniejszy porządek. Entropia w zamkniętych układach cały czas wzrasta, ponieważ cząsteczkom łatwiej ułożyć się w przestrzeni w sposób nieuporządkowany niż uporządkowany. Bałagan jest bardziej prawdopodobny od porządku. Kurz z telewizora nie zbierze się samoistnie w kulkę. Rozlane mleko nie zleje się samo z powrotem do kartonu. Energii elektrycznej wykorzystanej do oświetlenia mieszkania nie da się ponownie użyć do zagrzania wody.
Co to wszystko ma wspólnego z czasem? Niektórzy fizycy są zdania, że strzałka czasu wskazuje z przeszłości ku przyszłości dlatego, iż właśnie w tym kierunku wzrasta entropia. Upływ czasu należy więc utożsamić z narastającym nieuporządkowaniem Wszechświata. Nie ulega wątpliwości, że entropia dostarcza nam praktycznego sposobu na odróżnienie przeszłości od przyszłości. Jeżeli ktoś przedstawi nam dwa odmienne stany kosmosu i zapyta o ich kolejność w czasie, najbezpieczniej będzie wskazać jako późniejszy ten z większą entropią. Ale czy jej wzrost, który przecież ma charakter nie absolutny, lecz statystyczny, rzeczywiście stanowi o kierunku czasu? Jak wiarygodne jest twierdzenie, że gdyby Wszechświat zaczął się kurczyć, a materia samorzutnie porządkować, to skutki zaczęłyby wyprzedzać przyczyny? Oczywiście, zawsze możemy przedefiniować terminy "skutek" i "przyczyna", ale czy czas naprawdę zacząłby biec wstecz?
Rozważania na temat rozszerzającego się i kurczącego Wszechświata prowadzą nas do kolejnego zagadnienia: początku istnienia kosmosu. Arystoteles uważał, że świat istniał od zawsze. Jeśli bowiem miałby powstać w określonym momencie w przeszłości, to ten moment stanowiłby jednocześnie początek czasu. Jednak postulowanie początku czegokolwiek zakłada czas, bo początek i koniec są zawsze początkiem i końcem w czasie. Tak więc "początek czasu" to brzydki oksymoron. Czas nie mógł się zacząć.
Immanuel Kant zgadzał się z rozumowaniem Arystotelesa, ale spostrzegł, że teza o odwiecznym istnieniu Wszechświata również kłóci się ze zdrowym rozsądkiem. Jeżeli Wszechświat istniałby od zawsze, to jego przeszłość musiałaby być nieskończona. Wiemy jednak, że wcale nieskończona nie jest, ponieważ jej kres tkwi w teraźniejszości. Kant sformułował tym sposobem pierwszą z czterech słynnych antynomii: zarówno twierdzenie o początku kosmosu jak i twierdzenie o jego odwiecznym trwaniu są logicznie niespójne.
Czy wielki filozof z Królewca popełnił żenujące niedopatrzenie? Przecież nieskończoność bywa zamknięta "na końcu", a otwarta "na początku" – oczywisty przykład stanowią liczby ujemne, które zaczynają się na minus nieskończoności, a kończą na zerze. Antynomię Kanta można na szczęście uratować entropią. Jeśli Wszechświat istniał od zawsze, to jego obecne nieuporządkowanie powinno być maksymalne. A nie jest: wciąż istnieją gwiazdy i planety, wciąż możemy wycierać kurz z telewizora. Z odsieczą Kantowi przychodzą też współcześni fizycy głoszący, że Wszechświat narodził się niecałe 14 miliardów lat temu w Wielkim Wybuchu. Okoliczności powstania czasu są jednak nadal niejasne.
Teoriami względności, termodynamiką i kosmologią fizycy starają się opisać naturę, kierunek oraz początek czasu. Nieuczciwie byłoby odmówić im połowicznego sukcesu, choć do niepodważalnych odpowiedzi na metafizyczne pytania ciągle daleka droga. W dziewiętnastym wieku temporalny bastion fizyki stanowił przynajmniej determinizm. Prawa Newtonowskiej mechaniki miały być stuprocentowo dokładne, ruch wszystkich cząsteczek zdeterminowany po kres czasu, a przyszłość, nawet jeśli w praktyce nieznana, to w teorii ustalona raz na zawsze. Determinizm stał się naukowym odpowiednikiem fatalizmu — nie można wpłynąć na kształt przyszłych wydarzeń.
Chociaż współcześni filozofowie po dziś dzień zastanawiają się, czy i jak da się pogodzić istnienie praw przyrody z posiadaniem wolnej woli i ponoszeniem moralnej odpowiedzialności za swoje czyny, to w determinizmie wielkie spustoszenie poczyniła w międzyczasie mechanika kwantowa. Odkryto, że mikroskopowe zdarzenia odznaczają się pryncypialną losowością. Co gorsza, eksperymenty związane ze zjawiskiem splątania kwantowego sugerują, iż w pewnych sytuacjach skutki i przyczyny wiążą się w przedziwny supeł i że na nowo powinniśmy przyjrzeć się temporalnym pojęciom. Czas chyba czeka na następnego Einsteina.
W ostatniej części zastanowimy się, skąd w ogóle biorą się nasze ludzkie pojęcia o czasie. W międzyczasie zapraszam na swój blog, w którym piszę na różne tematy, np. o mechanice kwantowej.
Licencja: Creative Commons - użycie niekomercyjne - na tych samych warunkach