Sciencemag.cz
Doporučujeme
Univerzální čas se roztříštil do myriády vlastních časů. A když je navíc kvantujeme…
Podivná krajina relativistické fyziky, kterou jsem právě popsal, se stane ještě mnohem podivnější, uvážíme ji kvanta a kvantové vlastnosti prostoru a času.
Obor, který toto studuje, se nazývá „kvantová gravitace“ a je to pole mého vlastního vědeckého výzkumu. Zatím ještě neexistuje teorie kvantové gravitace, která by byla všeobecně přijata vědeckou komunitou anebo byla podpořena experimentálně. Můj vědecký život jsem z velké části zasvětil tomu, abych přispěl k možnému řešení tohoto problému: vybudovat smyčkovou kvantovou gravitaci, zvanou též smyčková teorie. Ne každý dnes sází na to, že jde o správné řešení. Například přátelé pracující na teorii strun, se vydali jinými cestami a souboj o to zjistit, kdo má pravdu, i nadále trvá. To je dobrá věc: také věda se rozvíjí díky vášnivým debatám. Dříve či později se ukáže, čí teorie je správná. A možná na to nebudeme muset čekat příliš dlouho.
Názorové rozpory ohledně podstaty času se naopak v posledních letech zmenšily a mnohé závěry jsou nyní dobře přijatelné pro většinu odborníků. Objasnilo se, že dokonce i zbytky časového lešení obecné relativity, popsané v předchozí kapitole, se zhroutí, jakmile vezmeme do úvahy kvanta.
Univerzální čas se roztříštil do myriády vlastních časů. Ale když je kvantujeme, musíme přijmout představu, že každý z těchto vlastních časů podléhá „fluktuacím“ a rozptyluje se v mlhavý oblak – a navíc může čas nabývat jen zcela určitých hodnot, nikoli jiných… Nadále už nemůžou vytvářet spojité prostoročasové vrstvení popsané v předchozích kapitolách.
Tři fundamentální objevy učiněné kvantovou mechanikou jsou: zrnitost, nedeterminismus a relační charakter fyzikálních veličin. Každý z nich zásadně ničí i to málo, co zbylo z původního pojmu času. Pojďme je nyní jeden po druhém probrat.
Zrnitost
Čas měřený hodinami je „kvantovaný“, to znamená, že nabývá pouze určitých hodnot a jiných nikdy. Jakoby čas byl zrnitý a nikoli spojitý.
Zrnitost je nejcharakterističtějším rysem kvantové teorie. Dává jí dokonce jméno: „kvanta“ jsou elementární zrna. Všechny jevy mají svou nejmenší možnou škálu. Pro gravitační pole je to takzvaná „Planckova škála“. Nejmenší možný časový interval se nazývá „Planckův čas“. Jeho velikost lze snadno odhadnout, když zkombinujeme fundamentální fyzikální konstanty charakterizující jevy spadající do domény relativity, gravitace a kvantové mechaniky. Tyto tři konstanty dohromady určují hodnotu času 10 na -44 sekundy. Což je deset miliardtin miliardtiny miliardtiny miliardtiny miliardtiny sekundy. To je Planckův čas: na této extrémně krátké časové škále je zjevují kvantové aspekty času.
Planckův čas je velmi nepatrný, neporovnatelně menší, než dnes dokážou změřit i ty nejlepší hodiny. Je tak neskutečně malý, že by nás vůbec nemělo udivit, že „tam hluboko dole“ nemusí naše běžné pojetí času vůbec platit. Proč by vůbec mělo? Nic neplatí všude, vždy a za všech okolností. Dříve či později vždycky narazíme na něco nečekaného.
„Kvantování“ času znamená, že skoro žádná ze spojitých hodnot času t neexistuje. Kdybychom dokázali měřit časové intervaly s nejpřesnějšími myslitelnými hodnotami, zjistili bychom, že naměřené hodnoty nabývají jen diskrétních, velmi speciálních hodnot. Časové trvání si nelze představovat jako spojité. Musíme o něm začít uvažovat jako o nespojité veličině. Není to uniformě plynoucí veličina, ale cosi, co v určitém smyslu poskakuje jako klokan, přeskakuje z jedné hodnoty hned na druhou.
Jinými slovy: existuje nejmenší možný časový interval. Pod ním už pojem času neexistuje – a to dokonce i v nejzákladnějším slova smyslu.
Možná všechny ty potoky inkousty vynaložené během staletí, od Aristotela po Heideggera, na diskuzi podstaty „spojitosti“, byly vyplýtvány úplně zbytečně. Spojitost je jenom pomocná matematická technika pro aproximování velmi jemně zrnitých věcí. Svět možná je jemně diskrétní, nikoli spojitý. Pán nenakreslil náš svět spojitými čárami, ale lehkou rukou ho načrtl izolovanými tečkami, jako Seurat
Zrnitost je v přírodě všudypřítomná. Světlo se skládá z fotonů, lokalizovaných částic světla. Energie elektronů v atomech může nabývat pouze určitých hodnot a jiných nikoli. Dokonce i ten nejčistší vzduch je zrnitý, a totéž platí o nejhustší hmotě. Jakmile jsme poznali, že také Newtonův prostor a čas jsou ve své podstatě fyzikální entity, jako všechny ostatní, je přirozené předpokládat, že jsou rovněž zrnité povahy. Naše teorie tuto představu potvrzuje: smyčková kvantová gravitace předpovídá, že elementární časové skoky jsou sice velice malé, ale jsou konečné.
Myšlenka, že by čas mohl být zrnitý, že by mohl existovat nejmenší možný časový interval, není nová. Už v 7. století ji obhajoval Isidor ze Sevilly ve svém díle Etymologiae, a v následujícím století pak Beda Ctihodný ve spise nazvaném doslova De divisionibus temporum neboli „O děleních času“. Ve 12. století velký filozof Maimonides píše: „Čas se skládá z atomů, to znamená z mnoha částí, které nelze dále rozdělit, s ohledem na jejich krátké trvání“. Kořeny této myšlenky patrně sahají mnohem dále do minulosti: ztráta původních Démokritových textů nám, bohužel, znemožňuje zjistit, zdali byla vyslovena již v klasickém řeckém atomismu. Abstraktní myšlení někdy dokáže o celá staletí předjímat hypotézy, které mnohem později nacházejí své opodstatnění či potvrzení ve vědeckém bádání.
Prostorovou sestrou Planckova času je Planckova délka: nejmenší rozměr, pod kterým už pojem vzdálenosti ztrácí jakýkoli smysl. Planckova délka je zhruba 10 na -33 centimetru, což je miliontina miliardtiny miliardtiny miliardtiny centimetru.
Kvantové superpozice časů
Druhým objevem učiněným kvantovou teorií je nedeterminismus: kupříkladu není možné přesně předpovědět, kde se bude zítra nacházet daný elektron. Mezi jedním místem jeho lokalizace a druhým místem nemá elektron žádnou přesnou polohu,6 jako kdyby byl rozprostřen do rozsáhlého oblaku pravděpodobnosti. Ve fyzikálním žargonu říkáme, že je „v superpozici“ všech možných poloh.
Prostoročas je fyzikální objekt, tak jako elektron. I on tedy podléhá fluktuacím.
Takže dokonce i rozlišení na současnost, minulost a budoucnost fluktuuje, stává se neurčitým. Stejně jako mohou být částice rozprostraněny kdekoli v prostoru, může se i rozdíl mezi minulým a budoucím rozmazat: jedna událost může předcházet jiné události, ale současně též následovat až po ní.
Vztahy
Přítomnost zmíněných fluktuací ale neznamená, že vůbec nikdy není určeno, co se stane. Znamená, že je to určeno pouze v jistých okamžicích, a to nepředvídatelným způsobem. Superponovaná nedeterminovanost zmizí, jakmile dojde k interakci s něčím jiným.
Například elektron se díky interakci zmaterializuje v určitém bodě. Dochází k tomu třeba jeho srážkou se stínítkem obrazovky, zachycením v detektoru částic, srážkou s fotonem a podobně – tím nabývá jedné určité polohy. (Odborně se tato interakce v kvantové mechanice nazývá „měření“. To je však zavádějící pojem, protože sugeruje mylnou představu, že k vytvoření reality je zapotřebí experimentálního fyzika v bílém plášti.)
Tento proces materializace elektronu má ovšem jeden zvláštní rys: elektron se stává reálným pouze ve vztahu k jiným fyzikálním objektům, s nimiž interaguje. Pokud jde o tyto ostatní objekty, důsledek interakce s nimi znamená jenom rozšíření nákazy nedeterminovanosti. Konkrétnost věcí se ustavuje pouze skrze relace fyzikálního systému. Podle mého názoru je to vůbec nejradikálnější objev kvantové teorie. (Opírám se zde o relační interpretaci kvantové mechaniky, kterou osobně pokládám za nejméně nerozumnou. Následující důsledky, zejména ztráta klasického prostoročasu splňujícího Einsteinovy rovnice, však zůstávají v platnosti v každé interpretaci, kterou znám.)
Když se elektron srazí s jiným objektem – třeba stínítkem obrazovky staré televize s katodovou trubicí – oblak pravděpodobnosti, do kterého byl rozprostřen, „zkolabuje“ a elektron se zhmotní na jednou určitém místě. Tam vytvoří svítící bod, ze kterého se skládá televizní obraz. Stane se to ale jenom v relaci se stínítkem. V relaci s dalším objektem jsou však elektron spolu se stínítkem nadále v superpozici konfigurací. A pouze v okamžiku další interakce s ještě jiným objektem tento sdílený oblak pravděpodobností „zkolabuje“ a materializuje se do jedné konkrétní konfigurace – a tak dále.
Je obtížné sžít se s představou, že elektron se chová takto bizarním způsobem. Ještě náročnější je ale vstřebat, že tímto způsobem se chová rovněž čas a prostor. Podle všeho však přesto kvantový svět takto opravdu funguje. Skutečný svět, ve kterém žijeme.
Dynamika fyzikálního substrátu, který určuje trvání fyzikálních intervalů neboli hodnotu gravitačního pole, tedy závisí nejen na přítomné hmotě. Je to rovněž kvantová entita, která nemá jednoznačně určenou hodnotu, dokud se nedostane do interakce s něčím jiným. Když k tomu dojde, mají doby trvání dějů zrnitou strukturu a vztahují se jenom k tomu, s čím jsou v interakci. Ve vztahu ke zbytku vesmíru zůstávají i nadále neurčené.
Čas se tím rozvolnil to pouhé sítě relací, které již nedrží pohromadě jako ucelené plátno. Obraz prostoročasů (v množném čísle) fluktuuje, jsou přeloženy jeden přes druhý, ve vztahu ke konkrétním objektům se materializují a tím nám poskytují jenom velmi hrubé znázornění světa. Je to však maximum toho, čeho lze dosáhnou vzhledem k jeho jemné zrnitosti. Nahlížíme tu do světa kvantované gravitace.
Dovolte mi zopakovat výsledky našeho hlubokého ponoru, který jsme uskutečnili v první části této knihy. Neexistuje jediný unikátní čas: každá trajektorie ve světě má svůj vlastní čas. Čas plyne různým tempem, a to v závislosti na místě i v závislosti na rychlosti pohybu. Nemá ani žádný směr: v žádné elementární rovnici světa nenajdeme rozdíl mezi minulostí a budoucností. Jeho jednosměrná orientace je jen podmíněný jev způsobený tím, že se díváme na věci a při tom přehlížíme detaily. Při tomto rozmazaném vidění musela být minulost vesmíru podivuhodně „speciálním“ stavem. Pojem „současnosti“ rovněž nefunguje: v celém vesmíru není nic, co bychom mohli smysluplně nazvat „nyní“. Substrát, jenž určuje trvání času, není nezávislá entita, fundamentálně odlišná od jiných entit utvářejících svět: je to specifický aspekt dynamického pole. Poskakuje, fluktuuje, materializuje se jenom skrze interakce. A pod určitou škálou ho vůbec nenajdeme… Takže, co nakonec z času zůstalo?
Tento text je úryvkem z knihy
Carlo Rovelli: Řád času
Argo a Dokořán 2020
O knize na stránkách vydavatele
