Wczoraj skończyłem lekturę „Naszego matematycznego Wszechświata” Maxa Tegmarka. Młodzieńcza wręcz pasja do fizyki przebijająca ze stron tej książki, cofnęła mnie w czasie, kiedy jako nastolatek zaczytywałem się w publikacjach popularnonaukowych Richarda Feynmana.
Głównym celem książki Tegmarka jest przedstawienie hipotezy matematycznego Wszechświata (Mathematical Universe Hypothesis, MUH). W skrócie teoria ta polega na uznaniu Wszechświata, który zamieszkujemy za istniejącą poza czasem i przestrzenią strukturę matematyczną. Poprzez strukturę matematyczną należy rozumieć strukturę, która ma fundamentalnie wyłącznie właściwości o charakterze ilościowym. Teoria ta jest wysoce kontrowersyjna wśród fizyków – nie bez powodów – ale ma też dwie poważne zalety.
Przede wszystkim teoria ta tłumaczy jedną z głównych zagadek dotyczących fizyki, to jest, dlaczego matematyka jest tak użyteczna w studiowaniu Wszechświata. Jeżeli prześledzić wszystkie teorie fizyczne to Wszechświat precyzyjnie realizuje skomplikowane wzory matematyczne, które one zawierają np. równanie Schroedingera czy równania Ogólnej Teorii Względności. Matematyka jest do tego stopnia użyteczna, że obecnie najważniejszy program w fizyce tj. próba stworzenia poprawnej teorii grawitacji kwantowej prowadzony jest w dużej mierze za sprawą matematyki, bez odwoływania się do obserwacji. Główna kandydatka do tego miana – teoria strun – jest niesamowicie skomplikowaną teorią matematyczną, która nie przedstawiła od kilkudziesięciu lat ani jednego przewidywania, które moglibyśmy na dziś zweryfikować doświadczalnie. Fakt, że wielu z najwybitniejszych żyjących dzisiaj fizyków uznaje taki sposób uprawiania fizyki za optymalny wskazuje jak duże znaczenie ma matematyka w świecie fizyki. Hipoteza matematycznego Wszechświata tłumaczy to w bardzo zgrabny sposób – otóż Wszechświat jest strukturą matematyczną, zatem matematyka z definicji pasuje do niej jak ulał – nie potrzeba niczego więcej, aby opisać i wyjaśnić zachowanie Wszechświata na najbardziej fundamentalnym poziomie.
Drugą zaletą jest to, że w elegancki sposób rozwiązuje ona problem dotyczący powstania Wszechświata. Otóż, jeżeli czas i przestrzeń powstały w momencie Wielkiego Wybuchu oznacza to, że metarzeczywistość z której powstał Wszechświat istnieć musi poza czasem i przestrzenią. W jaki sposób jednak czas i przestrzeń mogą wyłonić się z nicości, spoza czasu i przestrzeni, z abstrakcji? Teoria Maxa Tegmarka stwierdza, że Wszechświat w istocie jest abstrakcyjny i istnieje poza czasem i przestrzenią. Jednak istoty, które jak my powstały w jego obrębie i postrzegają go od wewnątrz, subiektywnie widzą go jako coś konkretnego, podlegającego upływowi czasu. Jeżeli jednak przyjrzeć się materii, która nam wydaje się solidna, to jest ona w ponad 99,99% pustą przestrzenią, która dzięki zasadzie wykluczania Pauliego (która sformułowana jest matematycznie w obrębie mechaniki kwantowej) jest nieprzenikalna. Czas z kolei również ma naturę matematyczną – jest zmienną, która występuje w teoriach fizycznych, którą my postrzegamy subiektywnie jako coś upływającego. Teoria ta zatem stwierdza, że to co postrzegamy tylko wydaje się nam być konkretne, w rzeczywistości jednak jest abstrakcyjne. Bezpośredni wpływ na to mają nasze niedoskonałe, poddane wymaganiom ewolucji biologicznej, aparaty poznawcze oraz perspektywa „od wewnątrz”.
Początkowo byłem bardzo entuzjastycznie nastawiony do tej teorii, ponieważ elegancko rozwiązuje ona dwa wymienione powyżej problemy. Obecnie jednak mój entuzjazm znacząco opadł, ponieważ zdałem sobie sprawę, że teoria ta ma poważną słabość, otóż uznaje ona za iluzję to co wydaje się zupełnie naturalne – ewolucję Wszechświata; upływ czasu.
Jeżeli Wszechświat jest strukturą matematyczną istniejącą poza czasem i przestrzenią, to struktura ta nie może mieć zmiennego stanu np. jakiejś zmiennej reprezentującej to co postrzegamy jako czas, która przyjmuje kolejne wartości. Poza czasem nie ma zmiany, a przecież widzimy zmianę – jest to poważna niekonsekwencja, którą Tegmark próbuje uzasadnić twierdząc, że upływ czasu jest tylko iluzją. Przeszłość, teraźniejszość oraz przyszłość istnieją w jednakowy sposób wedle teorii zwanej blokowym Wszechświatem, którą twórca teorii przywołuje na kartach książki. Blokowym, ponieważ czas ujmowany jest w niej jako czwarty wymiar przestrzenny, a Wszechświat przedstawiany jako czterowymiarowy, niezmienny i wieczny blok, w którym upływ czasu jest tylko iluzją wynikającą z postrzegania go będąc jego częścią, niejako „od wewnątrz”. Taka teoria czasu jest – co przyznaje sam autor – wysoce kontrowersyjna i nie ma za sobą konsensusu środowiska naukowego.
Dodatkową trudnością związaną z czasem jest, że blokowy Wszechświat domaga się praw fizyki, które są w pełni deterministyczne, ponieważ musi być z góry wiadomo co dokładnie się wydarzy w przyszłości, aby móc postawić znak równości między przyszłością, teraźniejszością i przeszłością. Jednak mechanika kwantowa jednoznacznie stwierdza, że zjawiska w mikroskali rządzą się prawami mającymi naturę probabilistyczną. I jeżeli na przykład obserwujemy bodaj najpopularniejszy eksperyment w mechanice kwantowej – ten z dwoma szczelinami – to jesteśmy w stanie tylko oszacować prawdopodobieństwo przejścia fotonu przez jedną z dwóch szczelin, a nie stwierdzić to z pewnością.
Nic dziwnego, że Tegmark jest zwolennikiem interpretacji wielu światów mechaniki kwantowej. W interpretacji tej probabilistyczna natura mechaniki kwantowej jest tylko pozorna, a w rzeczywistości jest w pełni deterministyczna. Jak to możliwe? Otóż podejście to odrzuca koncepcję kolapsu funkcji falowej, na rzecz mechanizmu rozdzielania się Wszechświata. W przypadku wspomnianego wyżej eksperymentu z dwoma szczelinami polegałoby to na tym, że zrealizowałyby się dwa scenariusze – przejścia fotonu przez obie szczeliny – każdy w swojej własnej, niezależnej rzeczywistości fizycznej. Zatem za pomocą praw mechaniki kwantowej możemy dokładnie określić co się stanie – zrealizują się wszystkie opcje zgodne z ich przewidywaniami – tylko każdy obserwator będzie postrzegać wyłącznie jedno z nich, to które zrealizowało się w odnodze rzeczywistości, z którą jest związany.
„Popatrzcie na teorie fizyczne, pełno w nich matematyki co wskazuje na to, że mamy do czynienia ze strukturą matematyczną, wieczną i niezmienną, patrzcie jak wiele to wyjaśnia.” – zdaje się mówić ta teoria – „Jednak przymykajcie oko tam, gdzie widzicie czas i prawdopodobieństwa, to tylko pozornie są niespójności, w rzeczywistości są to tylko iluzje związane z naszym postrzeganiem i położeniem”. Oczywiście może to być prawda, ale brzmi to jednak podejrzanie.