Quantum Nugget #20 — Χρόνος και Μνήμη στην Κβαντική Κοσμολογία
Όταν το Σύμπαν γίνεται το ίδιο το ρολόι του
Όροι της ημέρας:
Quantum Cosmology — The Problem of Time
Ελληνικά: Κβαντική Κοσμολογία — Πρόβλημα του Χρόνου
Κοιτάζουμε ένα ρολόι και πιστεύουμε ότι ο χρόνος κυλά ανεξάρτητα από εμάς: ένα αόρατο ποτάμι μέσα στο οποίο συμβαίνουν όλα.
Η σύγχρονη φυσική, όμως, μας έμαθε ότι ο χρόνος δεν είναι τόσο απλός.
Στη Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν, ο χρόνος αποτελεί μέρος του χωροχρόνου.
Δεν είναι ένα σταθερό σκηνικό: η γεωμετρία του επηρεάζεται από την ύλη και την ενέργεια.
Στη συνηθισμένη Κβαντομηχανική, αντίθετα, ο χρόνος χρησιμοποιείται συνήθως ως ένα εξωτερικό ρολόι, ως παράμετρος σύμφωνα με την οποία εξελίσσεται ένα κβαντικό σύστημα.
Όταν προσπαθούμε να εφαρμόσουμε την κβαντική θεωρία σε ολόκληρο το Σύμπαν, οι δύο αυτές αντιλήψεις συγκρούονται.
Ποιος μετρά τον χρόνο ολόκληρου του Σύμπαντος;
Σε ένα εργαστήριο μπορούμε να παρακολουθούμε ένα σωματίδιο με ένα ρολόι που βρίσκεται έξω από το πείραμα.
Δεν υπάρχει, όμως, εξωτερικό ρολόι για ολόκληρο το Σύμπαν.
Δεν υπάρχει ένας παρατηρητής έξω από αυτό που να μετρά την εξέλιξή του.
Σε μία από τις σημαντικότερες προσεγγίσεις της κβαντικής κοσμολογίας, την εξίσωση Wheeler–DeWitt, ο χρόνος δεν εμφανίζεται με τον συνηθισμένο τρόπο.
Η εξίσωση μοιάζει να περιγράφει το Σύμπαν ως ένα ενιαίο, «άχρονο» κβαντικό σύνολο.
Από εδώ γεννιέται το περίφημο Πρόβλημα του Χρόνου:
Αν ο χρόνος απουσιάζει από τη θεμελιώδη εξίσωση, πώς εμφανίζεται ο κόσμος της αλλαγής που βιώνουμε;
Δεν υπάρχει ακόμη μία οριστική, πειραματικά επιβεβαιωμένη απάντηση.
Ο χρόνος ως σχέση
Μία πιθανή ιδέα είναι ότι ο χρόνος δεν αποτελεί ανεξάρτητο κοσμικό ρολόι.
Αναδύεται από τις σχέσεις ανάμεσα στα μέρη του Σύμπαντος.
Ένα τμήμα του Σύμπαντος μπορεί να λειτουργήσει ως ρολόι για ένα άλλο:
- η κίνηση ενός ουράνιου σώματος,
- η μεταβολή ενός πεδίου,
- η αλλαγή μιας κβαντικής κατάστασης.
Έτσι, αντί να λέμε «το Σύμπαν αλλάζει μέσα στον χρόνο», μπορούμε να εξετάσουμε πώς ένα μέρος του μεταβάλλεται σε σχέση με κάποιο άλλο.
Αυτό ονομάζεται σχεσιακός ή αναδυόμενος χρόνος.
Αποτελεί σημαντική ερευνητική κατεύθυνση, όχι ολοκληρωμένη και οριστικά αποδεδειγμένη θεωρία.
Και πού βρίσκεται η μνήμη;
Στη φυσική, η μνήμη δεν σημαίνει ότι το Σύμπαν διαθέτει νου ή συνείδηση.
Σημαίνει ότι οι προηγούμενες διαδικασίες μπορούν να αφήνουν φυσικά ίχνη στο παρόν:
- φως που ταξιδεύει από μακρινούς γαλαξίες,
- απολιθώματα και γεωλογικά στρώματα,
- ακτινοβολία από το πρώιμο Σύμπαν,
- πληροφορίες αποθηκευμένες σε έναν εγκέφαλο ή σε ένα όργανο μέτρησης.
Ένα ίχνος αποτελεί μνήμη μόνο με τη φυσική έννοια: η σημερινή του κατάσταση συσχετίζεται με κάτι που συνέβη προηγουμένως.
Η κατεύθυνση μέσα στην οποία σχηματίζονται αυτά τα ίχνη συνδέεται με το βέλος του χρόνου και την αύξηση της εντροπίας.
Θυμόμαστε το παρελθόν και όχι το μέλλον, επειδή τα αρχεία, οι αναμνήσεις και τα αποτυπώματα δημιουργούνται προς την κατεύθυνση όπου αυξάνεται η εντροπία.
Η πλήρης σύνδεση ανάμεσα στον κβαντικό χρόνο, την εντροπία και την κοσμολογική αρχή παραμένει ανοιχτό πεδίο έρευνας.
Μια φιλοσοφική γέφυρα
Ο Ηράκλειτος είδε τον κόσμο ως αδιάκοπη μεταβολή. Ο Παρμενίδης αναζήτησε πίσω από τη μεταβολή ένα Είναι ενιαίο και αμετάβλητο.
Η κβαντική κοσμολογία δεν επιβεβαιώνει κανέναν από τους δύο ως φυσικό επιστήμονα.
Μας επαναφέρει, όμως, με τη γλώσσα των μαθηματικών, απέναντι στην ίδια βαθιά απορία:
Είναι ο χρόνος θεμελιώδες συστατικό του κόσμου ή γεννιέται από τις σχέσεις και τις μεταβολές μέσα σε αυτόν;
Κράτα αυτό:
Ίσως το Σύμπαν να μη μεταβάλλεται μέσα σε ένα
εξωτερικό ρολόι.
Ίσως ο χρόνος να είναι ο τρόπος με τον οποίο οι
μεταβολές του συσχετίζονται μεταξύ τους.
Και η μνήμη δεν είναι φωνή που έρχεται από το παρελθόν.
Είναι το ίχνος που άφησε το παρελθόν στο παρόν.
Η ποιητική γέφυρα
Η κβαντική κοσμολογία δεν εξηγεί πώς θυμάται ένας άνθρωπος ούτε αποδεικνύει ότι η συνείδησή μας δημιουργεί τον χρόνο.
Μας προσφέρει, όμως, μια βαθιά εικόνα:
Τον χρόνο δεν τον αναγνωρίζουμε μόνο από τα ρολόγια, αλλά και από τις αλλαγές που αφήνουν ίχνη.
Ένα άστρο που εξάντλησε το καύσιμό του.
Ένα φως που ταξίδεψε επί δισεκατομμύρια χρόνια.
Μια κατάσταση του σύμπαντος που διατηρεί πληροφορίες για όσα προηγήθηκαν.
Και η ανθρώπινη ζωή είναι γεμάτη ίχνη — όχι κβαντικές καταγραφές, αλλά μνήμες, σημάδια, έργα, σχέσεις και λέξεις που επέζησαν της στιγμής κατά την οποία γεννήθηκαν.
Η μνήμη μας δεν είναι αλάνθαστο αρχείο. Επιλέγει, μεταβάλλεται και κάποτε μας εξαπατά.
Χωρίς αυτήν, όμως, οι στιγμές μας θα έμεναν ασύνδετες.
Δεν μπορούμε να επιστρέψουμε στο παρελθόν και να αλλάξουμε εκείνο που συνέβη.
Μπορούμε να αποφασίσουμε ποια ίχνη του θα κατανοήσουμε βαθύτερα, ποια θα μεταφέρουμε μαζί μας και ποια δεν θα επιτρέψουμε να καθορίσουν ολόκληρο το μέλλον.
Ίσως ο χρόνος να γίνεται ανθρώπινη ιστορία όταν οι στιγμές παύουν να περνούν απλώς — και αρχίζουν να αποκτούν μεταξύ τους σχέση.
Εικαστική σημείωση: Η φωτεινή δίνη της εικόνας συμβολίζει την κοσμική εξέλιξη και τη συνέχεια των ιχνών. Δεν αποτελεί επιστημονική απεικόνιση του χρόνου ούτε της κυματοσυνάρτησης του Σύμπαντος.
Επιστημονική αναφορά: Το «Πρόβλημα του Χρόνου» προκύπτει επειδή η Γενική Σχετικότητα αντιμετωπίζει τον χωροχρόνο ως δυναμικό, ενώ η συνηθισμένη Κβαντομηχανική χρησιμοποιεί έναν εξωτερικό χρόνο. Στην κανονική κβαντική κοσμολογία, η εξίσωση Wheeler–DeWitt δεν περιλαμβάνει τον χρόνο με τη συνηθισμένη μορφή του. Οι προτάσεις περί σχεσιακού ή αναδυόμενου χρόνου παραμένουν αντικείμενο ενεργού έρευνας και δεν αποτελούν ολοκληρωμένη, πειραματικά επιβεβαιωμένη θεωρία. Stanford Encyclopedia of Philosophy — Quantum Gravity and the Problem of Time · Einstein Online — Relativity and the Quantum
