A világunk tér és idő nélküli? – Betekintés a hurok-kvantumgravitáció által leírt világképbe
A világunk tér és idő nélküli? – Betekintés a hurok-kvantumgravitáció által leírt világképbe
Carlo Rovelli elméleti fizikus szerint- aki a világ szerkezetét leíró modern elméletek közül a kvantumgravitáció és ezen belül a hurok-kvantumgravitáció mellett teszi le a voksát (mindig hozzátéve, hogy ehhez vonzódik legjobban, ezt kutatja, de majd a jövő fizikus generációja kideríti, igaza van-e) – az általunk érzékelt tér és idő, benne mindenféle objektumokkal mindössze kovariáns kvantummezők folyamatai, az itt létrejövő kölcsönhatások megnyilvánulásai.
Ő… hogy mondod?
A kovariáns kvantummező fogalma a kvantumgravitáció kutatáshoz kapcsolódik, amelynek egyik feltett célja, hogy összeegyeztesse az elmúlt évszázad két nagy, a világot leíró elméletét: Einstein általános relativitás elméletét és a kvantummechanikát. Mind a kettőről hallunk, olvasunk, legalább említés szintjén tanulunk róluk a közoktatásban. Mind a kettő működni látszik, az előbbi főleg a kozmológia, asztrofizika szintjén, utóbbi pedig az atomfizika, magfizika területén, és mindkettőnek megvan a maga szintén jól működő gyakorlati alkalmazása is.
Az elmélet megértéséhez hívjunk segítségül például politikusokat :).
Mikor, hol, és miből vagy Te az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika szerint?
Az általános (és speciális) relativitásból ismerjük a gravitációs mező speciális tulajdonságait, többek között azt, hogy a téridő görbülete hogyan függ össze a gravitációval. Azt is, hogy például Donald Trump és Orbán Viktor csak nagyjából létezik egy időben, és ha Elon Musk véletlenül kilövi magát egy Teslán egy másik galaxisba, gyakorlatilag megszűnik vele a közös jelenünk (nincs egységes idő az univerzumban). Továbbá, ha Orbán Viktor feláll egy hokedlira, akkor gyorsabban telik nála az idő, mintha csak a padlón ücsörögne Le Pen sorsán szomorkodva (gravitációs erőtér és idő összefüggése). Ha pedig Trump gyorsabb repülőgépen utazik Putyinhoz, mint Orbán, akkor mire a moszkvai reptérre érnek, az amerikai elnöknek kicsivel kevesebbet őszül a haja, mint magyar miniszterelnöknek (a sebesség hatása az idő múlására). Ezek persze a mi számunkra érzékelhetetlen, csak nagyon spéci műszerekkel mérhető különbségek, de ettől még léteznek.
Eközben a kvantumfizika azt tanítja a világról, hogy az „szemcsés” szerkezetű (granularitás), de nem egészen úgy, ahogyan Démokritosz elképzelte, vagyis mintha minden kis kavicsokból (atomokból) állna. Ugyanis a kvantumfizikában az elemi részecskék nem léteznek állandóan: hol felbukkannak, hol pedig eltűnnek – kvantummezők kvantumainként. Úgy érti inkább, hogy adott rendszerben véges számú egymástól eltérő állapotok lehetnek. A „szemcsésségnek” megadja az elemi léptékét is, ami a Planck-állandó. Vagyis sem Trump, sem Orbán Viktor nem osztható végtelenül kis darabkákra, létezik a tovább nem osztható politikus.
Egy másik kvantumvilág jellemző a meghatározatlanság (indeterminizmus), ami annyit jelent, hogy az elemi részecske egy valószínűségi felhőn belül létezik (bárhol lehet) egészen addig, amíg kölcsönhatásba nem kerül valamivel. Lásd. a nagy klasszikus kétréses kísérlet. Az ilyen kvantumesemények valószínűségét az ún. Feynman-féle pályaösszeg számítás írja le.
És egy harmadik kulcsjellemző, hogy a világban nem úgy valóságosak a dolgok, hogy azok „tárgyszerűen vannak”, hanem mindössze fizikai rendszerek (mezők) kölcsönhatásaikor jelennek meg. Máshogy fogalmazva: nem eleve létező dolgok (részecskék) vannak, amelyek között létrejönnek kölcsönhatások, hanem a pillanatnyi kölcsönhatások maguk a dolgok. A foton például az elektromágneses mező kölcsönhatásaikor jelenik meg részecske természetével. (A részecskék és a mezők a kvantumtérelmélet szerint nem különálló dolgok). Tehát a részecskék relációkban tűnnek elő és válnak fizikai valósággá a „semmiből”. A kölcsönhatások nem előre megjósolhatóak, csak valószínűségük van. Az, hogy mi makroszinten látunk egy Orbán Viktort, az tulajdonképpen egy statisztikai jelenség.
A két elmélet viszonyában mégis van némi probléma. Rovelli egy rabbis viccel próbálja szemléltetni ezt: Két vitatkozó férfi bemegy a rabbihoz, hogy tegyen igazságot közöttük. Meghallgatja az egyiket, és mondja neki, „igazad van”. Aztán meghallgatja a másikat, és azt mondja neki, „igazad van”. Erre kikiabál a szomszéd szobából a feleség, hogy „de hát nem lehet igaza mindkettőjüknek”. Mire a rabbi: “…neked is igazad van”. Valahogy így éldegél egymás mellett a két teória, az általános relativitás nem foglalkozik a gravitációs mező szemcsésségével, a kvantummechanika pedig figyelmen kívül hagyja a téridő görbületeit. Viszont léteznek olyan fizikai helyzetek, ahol mindkettőre szükség lenne, például a fekete lyukak belsejének vizsgálata ilyen.
A hurok-kvantumgravitációs elmélet egyesítési kísérlete
A kvantumgravitáció, majd az ebből kinövő hurok-kvantumgravitáció az egyik olyan elmélet, amely igyekszik egyesíteni az általános relativitás elméletet és a kvantummechanikát, vagyis Einstein görbült, de folytonos téridejére vonatkozó viszonyokat és a kvantummechanika „szemcsés” világképét. Rovelli írja, hogy Einstein megértette, hogy a tér és az idő a gravitációs mező megnyilvánulása, Bohr, Heisenberg és Dirac pedig megértette, hogy minden fizikai mező kvantumos szerkezetű, szemcsés, valószínűségen alapuló és kölcsönhatásokban nyilvánul meg. Ebből az következne, hogy a térnek és időnek is kvantumtermészetű objektumoknak kellene lenniük. A kvantumgravitáció pedig épp ezt állítja: a tér, vagyis a gravitációs mező „térkvantumokból” áll.
Ezek a térkvantumok tulajdonképpen csomópontok, melyeket linkek (összekötő vonalak) kapcsolnak össze egy véges hálózattá, tulajdonképpen egy gráf lesz belőlük. Ahogy Rovelli írja: ebben a gráfban a csomók, mint „kvantumrészecskék” felelnek meg a térfogat elkülönülő kis csomagjainak. A csomó térfogata pedig csak valamilyen sajátos érték lehet, nem pedig tetszőleges (ennek kiszámítására Dirac általános kvantumelméleti egyenletei szolgálnak). A csomókból és a hurokszerűen futó linkekből álló gráfot spinhálónak nevezi a kvantumgravitáció elmélete.
A spinháló a gravitációs mező, vagyis a tér egy lehetséges kvantumállapotát jeleníti meg. Mert amúgy ők sincsenek ám sehol, csak egy valószínűségi spinfelhőben. Egészen egy következő kölcsönhatásig.
A gravitáció kvantumai nem a térben vannak, hanem ők maguk a tér. A gráf éleiből kialakuló zárt hurkok pedig a téridő görbületéről, és egyben a gravitációs mező erősségéről adnak információt (így tehát már látható valamiféle kapcsolódás a relativitás és a kvantummechanika között).
Rovelli így összegzi azt, hogy miből is áll a világ, amelynek Trumpon és Orbánon kívül mi is részei vagyunk, még ha erről ők sokszor nem is akarnak tudomást venni: a világ teljes egészében kvantummezőkből áll, mégpedig olyanokból, amelyeknek nem kell semmiféle alap vagy háttér – ezt a tulajdonságot fejezi ki itt a kovariáns jelző-, önmagukban léteznek, egymásra rétegződve. Ezen mezők folyamatai hozzák létre mind a teret, mind az időt és mindenféle objektumot. A „saját szintjükön” se tér, se idő nincs.
Trump 15 perces spinhabfürdője az idő nélküli világban
Nézzük akkor, hogy ha a teret az elemi részecskék szintjén „elvesztettük”, mi lesz a sorsa az időnek? Ugyanis a kvantumgravitáció az idő természetével is foglalkozik. Azzal, hogy az idő a mi léptékünkben miért jelenik meg valamiféle lineáris, múltból a jövő felé tartó jelenségként, amikor az elemi részecskék szintjén nem is létezik abban a formában, ahogyan mi ismerjük. Például amikor Donald Trump aláírja a víznyomást korlátozó rendelet eltörlését, hogy ne kelljen a gyönyörű haját olyan sokáig mosnia, akkor ennek a bizonyos „sokáig”-nak csak azért lehet számunkra értelme, mert Trump (és amúgy mindannyiunk) időérzékelése a világ egy elnagyolt, pontatlan érzékeléséből fakad.
Továbbra is Carlo Rovelli elméleti fizikus gondolatai nyomán haladunk. (*A kvantumgravitációs elméleteken belül egyébként jelenleg a hurok-kvantumgravitáció fő riválisa a húrelmélet).
Ahogyan a tér esetében a Planck-hossz (1.61×10−35 m), úgy az idő esetében a Planck-idő (5,39×10-44 másodperc) egy elméleti határa annak, amelyen túl az általunk- a mi emberi léptékünkben – ismert idő és fizika „eltűnik”. Ez azt is jelenti, hogy amint a tér, úgy az idő is „szemcsés” szerkezetű (kvantált), nem osztható végtelen számú időintervallumra.
Ahogyan a hurok-kvantumgravitáció elméletében a teret spinhálók alkotják (térkvantum-csomópontok plusz élek), úgy ebben a keretben a teljes téridőt ezeknek a spinhálóknak változásai, egymásba alakulása jelenti. Ez a változás lesz az, amit spinhabnak nevez az elmélet, vagy úgy is lehet mondani, hogy a spinhab: a spinháló „története”. A spinhab lesz maga a szemcsézett téridő. Valahogy úgy, ahogyan a szappanhab buborékjai élekből, csúcsokból és felületekből képződnek. Ha Donald Trump nem azt mondta volna, hogy az alacsony víznyomás miatt a gyönyörű hajával, hanem a habtestével kell 15 percig bíbelődni a zuhany alatt, tulajdonképpen igaza lett volna.
Ez a történet, a spinhab, tehát nem térben és időben keletkezik, hanem ez az egész folyamatból áll elő maga a téridő.
A hurok-kvantumgravitáció nem kevesebbet állít, mint hogy a világ alapszövetében nem létezik sem tér, sem idő, amely valamiféle háttérként vagy tartályként szolgálna a benne zajló eseményeknek. Itt a dolgok nem is haladnak kitüntetett irányba: vagyis a múlt felől a jövő irányába. Sőt, mindent, ami megtörténik mindössze valószínűségek írják le (lsd. előző rész). A valóság egy valószínűségi felhőből tűnik elő.
De ha a világ alapszerkezete idő- és térnélküli, ráadásul itt minden „csak valószínű”, akkor mi miért érzékeljük azt mégis egészen konkrétnak, térben és időben is meghatározottnak? Miért tudjuk megkülönböztetni a múltat a jövőtől?
Rovelli úgy fogalmaz, hogy egyszerűen azért, mert a mi makroléptékünkben csak hiányos és elnagyolt képet látunk a világról, továbbá, amit látunk, az egy statisztikai átlag, kvantumos események átlaga. Pont úgy, ahogyan most a monitorodat vagy telefonodat egy szilárd tárgyként érzékeled, az attól még az elemi részecskék szintjén egyáltalán nem szilárd, hanem számunkra érzékelhetetlen „kvantumos fluktuációk” összessége, ami a te léptékedben jól körülhatárolt, szilárd objektumként tűnik elő. Ebben a mérettartományban mi már csak ilyen „végtermékekkel” kerülünk kölcsönhatásba. Amivel pedig nem kerülünk kölcsönhatásba, azt nem érzékeljük.
Az emberi elme leolvad, ha mindebbe belegondol, nem adott nekünk az evolúció ilyesfajta képzelőerőt, hiszen az evolúciónk is be van ágyazva ebbe a makroléptékbe.
Az idő múlásának érzékeléséről nem azt mondja Rovelli, hogy illúzió- bár sok helyen így interpretálják-, hanem hogy az idő a makroszkopikus állapotok jellemzője, azok egy speciális változója. Valahogy úgy, ahogyan egy pohár meleg víz a mikroszkopikus szinten nem meleg, ott ez a fogalom nem is létezik, hanem a részecskéknek van nagyobb sebessége. A mi szintünkön viszont ez hőként jelentkezik. Ettől még a hő nem illúzió.
De akkor hogyan keletkezik az idő?
Alain Connes matematikus vetette fel azt a gondolatot, hogy az idő csírája a kvantummechanika egyik alapvető jellegzetességéből fakad: az események felcserélhetetlenségéből. Például nem mindegy, hogy egy elektronnak először a sebességét mérem meg és utána a helyzetét vagy fordítva, mert mindkét esetben másképpen változik meg annak állapota. Ez tehát megad egy sorrendiséget. Viszont a valószínűség fogja megadni, a lehetséges sorrendek közül melyik lesz végül a nyerő. A valószínűség pedig a termodinamika második fő tételéből adódik, mely szerint: a zárt rendszerek mindig az alacsonyabb entrópia felől a magasabb entrópia felé mozdulnak. Ez azért van, mert a magasabb entrópiájú, rendezetlenebb rendszerhez több lehetséges mikroállapot konfiguráció tartozik, mint az alacsony entrópiájú rendszerhez. (Pl. a gyorsabban mozgó melegvíz részecskék több lehetséges állapotot vehetnek fel, mint a hidegvíz lassabb részecskéi: a meleg víznek nagyobb az entrópiája.) Vagyis: a magasabb entrópia a valószínűbb.
A termodinamika második fő tétele azt is mondja: a hő, mindig a meleg testek felől a hidegebb felé áramlik. Szokásos példája ennek, hogy egy pohár meleg víz egy hideg szobában le fog hűlni: hőt ad át a hidegebb levegőnek, felmelegíti, megnöveli annak entrópiáját. Fordítva nem nagyon szokott megtörténni: a meleg víz nem vesz fel további hőt a hideg szobából. Megtörténhet, de nem valószínű. Ha Donald Trump vámháborús mérgében földhöz vágja a vizespoharat, a valószínűbb állapot az, hogy darabokra törik és úgy marad, minthogy a szilánkok újra összeálljanak pohárrá. A becsapódó pohár hőenergiát ad át a talajnak, a hőátadás pedig növeli a rendszer entrópiáját.
Tehát: a természet a valószínűbb állapotokat részesíti előnyben, a nagyobb valószínűség pedig a nagyobb entrópiájú rendszerek sajátja.
Tulajdonképpen a hőnek ez a fajta áramlása ad egyedül információt arról, hogy milyen irányba halad az idő. Ha az entrópiát kivennénk a képből, többé nem tudnánk különbséget tenni múlt és jövő között. De akkor sem tudnánk, ha lemennénk a mikroállapotok szintjére, és láthatnánk őket egyesével. Megint csak a makroléptékben történő szemlélődésünk az, ami a legvalószínűbb állapotot – vagyis a sok mikroesemény átlagát – képes csak érzékelni. Ez viszont bele is taszít minket azonnal az idő érzékelésébe.
Ha már azt gondolná az ember, hogy ezen a ponton megértette az idő irányultságát, entrópiástul, valószínűségestül, Rovelli csavar egyet a gondolatmeneten azzal, hogy: az entrópia is relatív jelenség. Például a mi szempontunkból egy megkevert kártyapakli nagyobb entrópiájú, mint egy valamilyen szabály szerint sorbarendezett. Az utóbbit tekintjük különlegesnek, amitől haladunk a kevésbé különleges, valószínűbb állapotok felé. A kaotikus lapelrendezés az átlagos, valószínű állapot számunkra. De mi van, ha egy másik lény, aki más változók alapján, kevésbé életlenül látja a világot (többféle konfigurációt tud megkülönböztetni), a számunkra átlagos rendezetlen állapotokban lát különleges rendezettséget és a magasabb entrópia valami egészen mást jelent számára, például a mi látásmódunk szerinti rendezett állapotot. Neki másik irányba fog telni az idő, abba az irányba, ami számára a magasabb entrópiát jeleni. Ezzel tulajdonképpen azt állítja Rovelli, hogy az idő irányultsága is lehet relatív, amit a megfigyelő nézőpontja határoz meg.
Azt a fajta időt, ami az entrópia növekedéséből keletkezik Rovelli termikus időnek hívja, ez egy elméleti időfogalom, amelynek még nincs objektív múlt-jövő irányultsága. Ennek a makroszintű szubjektív (sajátosan életlen) nézőpontja lesz a mi saját időérzékelésünk.
Lehetséges, hogy egy földönkívüli lény számára, ha véletlenül betéved Trump fürdőszobájába, a spinhabtesű elnök zuhanyzása talán egy teljesen bizarr, időben visszafelé zajló esemény.
(Később még tervezek írni ennek a témának a filozofikusabb vonatkozásairól, információról memóriáról, tudatosságról néhány kortárs filozófus meg fizikus segítségével.)
Carlo Rovelli elméleti fizikus szerint- aki a világ szerkezetét leíró modern elméletek közül a kvantumgravitáció és ezen belül a hurok-kvantumgravitáció mellett teszi le a voksát (mindig hozzátéve, hogy ehhez vonzódik legjobban, ezt kutatja, de majd a jövő fizikus generációja kideríti, igaza van-e) – az általunk érzékelt tér és idő, benne mindenféle objektumokkal mindössze kovariáns kvantummezők folyamatai, az itt létrejövő kölcsönhatások megnyilvánulásai.
Ő… hogy mondod?
A kovariáns kvantummező fogalma a kvantumgravitáció kutatáshoz kapcsolódik, amelynek egyik feltett célja, hogy összeegyeztesse az elmúlt évszázad két nagy, a világot leíró elméletét: Einstein általános relativitás elméletét és a kvantummechanikát. Mind a kettőről hallunk, olvasunk, legalább említés szintjén tanulunk róluk a közoktatásban. Mind a kettő működni látszik, az előbbi főleg a kozmológia, asztrofizika szintjén, utóbbi pedig az atomfizika, magfizika területén, és mindkettőnek megvan a maga szintén jól működő gyakorlati alkalmazása is.
Az elmélet megértéséhez hívjunk segítségül például politikusokat :).
Mikor, hol és miből vagy Te az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika szerint?
Az általános (és speciális) relativitásból ismerjük a gravitációs mező speciális tulajdonságait, többek között azt, hogy a téridő görbülete hogyan függ össze a gravitációval. Azt is, hogy például Donald Trump és Orbán Viktor csak nagyjából létezik egy időben, és ha Elon Musk véletlenül kilövi magát egy Teslán egy másik galaxisba, gyakorlatilag megszűnik vele a közös jelenünk (nincs egységes idő az univerzumban). Továbbá, ha Orbán Viktor feláll egy hokedlira, akkor gyorsabban telik nála az idő, mintha csak a padlón ücsörögne Le Pen sorsán szomorkodva (gravitációs erőtér és idő összefüggése). Ha pedig Trump gyorsabb repülőgépen utazik Putyinhoz, mint Orbán, akkor mire a moszkvai reptérre érnek, az amerikai elnöknek kicsivel kevesebbet őszül a haja, mint magyar miniszterelnöknek (a sebesség hatása az idő múlására). Ezek persze a mi számunkra érzékelhetetlen, csak nagyon spéci műszerekkel mérhető különbségek, de ettől még léteznek.
Eközben a kvantumfizika azt tanítja a világról, hogy az „szemcsés” szerkezetű (granularitás), de nem egészen úgy, ahogyan Démokritosz elképzelte, vagyis mintha minden kis kavicsokból (atomokból) állna. Ugyanis a kvantumfizikában az elemi részecskék nem léteznek állandóan: hol felbukkannak, hol pedig eltűnnek – kvantummezők kvantumainként. Úgy érti inkább, hogy adott rendszerben véges számú egymástól eltérő állapotok lehetnek. A „szemcsésségnek” megadja az elemi léptékét is, ami a Planck-állandó. Vagyis sem Trump, sem Orbán Viktor nem osztható végtelenül kis darabkákra, létezik a tovább nem osztható politikus.
Egy másik kvantumvilág jellemző a meghatározatlanság (indeterminizmus), ami annyit jelent, hogy az elemi részecske egy valószínűségi felhőn belül létezik (bárhol lehet) egészen addig, amíg kölcsönhatásba nem kerül valamivel. Lásd. a nagy klasszikus kétréses kísérlet. Az ilyen kvantumesemények valószínűségét az ún. Feynman-féle pályaösszeg számítás írja le.
És egy harmadik kulcsjellemző, hogy a világban nem úgy valóságosak a dolgok, hogy azok „tárgyszerűen vannak”, hanem mindössze fizikai rendszerek (mezők) kölcsönhatásaikor jelennek meg. Máshogy fogalmazva: nem eleve létező dolgok (részecskék) vannak, amelyek között létrejönnek kölcsönhatások, hanem a pillanatnyi kölcsönhatások maguk a dolgok. A foton például az elektromágneses mező kölcsönhatásaikor jelenik meg részecske természetével. (A részecskék és a mezők a kvantumtérelmélet szerint nem különálló dolgok). Tehát a részecskék relációkban tűnnek elő és válnak fizikai valósággá a „semmiből”. A kölcsönhatások nem előre megjósolhatóak, csak valószínűségük van. Az, hogy mi makroszinten látunk egy Orbán Viktort, az tulajdonképpen egy statisztikai jelenség.
A két elmélet viszonyában mégis van némi probléma. Rovelli egy rabbis viccel próbálja szemléltetni ezt: Két vitatkozó férfi bemegy a rabbihoz, hogy tegyen igazságot közöttük. Meghallgatja az egyiket, és mondja neki, „igazad van”. Aztán meghallgatja a másikat, és azt mondja neki, „igazad van”. Erre kikiabál a szomszéd szobából a feleség, hogy „de hát nem lehet igaza mindkettőjüknek”. Mire a rabbi: “…neked is igazad van”. Valahogy így éldegél egymás mellett a két teória, az általános relativitás nem foglalkozik a gravitációs mező szemcsésségével, a kvantummechanika pedig figyelmen kívül hagyja a téridő görbületeit. Viszont léteznek olyan fizikai helyzetek, ahol mindkettőre szükség lenne, például a fekete lyukak belsejének vizsgálata ilyen.
A hurok-kvantumgravitációs elmélet egyesítési kísérlete
A kvantumgravitáció, majd az ebből kinövő hurok-kvantumgravitáció az egyik olyan elmélet, amely igyekszik egyesíteni az általános relativitás elméletet és a kvantummechanikát, vagyis Einstein görbült, de folytonos téridejére vonatkozó viszonyokat és a kvantummechanika „szemcsés” világképét. Rovelli írja, hogy Einstein megértette, hogy a tér és az idő a gravitációs mező megnyilvánulása, Bohr, Heisenberg és Dirac pedig megértette, hogy minden fizikai mező kvantumos szerkezetű, szemcsés, valószínűségen alapuló és kölcsönhatásokban nyilvánul meg. Ebből az következne, hogy a térnek és időnek is kvantumtermészetű objektumoknak kellene lenniük. A kvantumgravitáció pedig épp ezt állítja: a tér, vagyis a gravitációs mező „térkvantumokból” áll.
Ezek a térkvantumok tulajdonképpen csomópontok, melyeket linkek (összekötő vonalak) kapcsolnak össze egy véges hálózattá, tulajdonképpen egy gráf lesz belőlük. Ahogy Rovelli írja: ebben a gráfban a csomók, mint „kvantumrészecskék” felelnek meg a térfogat elkülönülő kis csomagjainak. A csomó térfogata pedig csak valamilyen sajátos érték lehet, nem pedig tetszőleges (ennek kiszámítására Dirac általános kvantumelméleti egyenletei szolgálnak). A csomókból és a hurokszerűen futó linkekből álló gráfot spinhálónak nevezi a kvantumgravitáció elmélete.
A spinháló a gravitációs mező, vagyis a tér egy lehetséges kvantumállapotát jeleníti meg. Mert amúgy ők sincsenek ám sehol, csak egy valószínűségi spinfelhőben. Egészen egy következő kölcsönhatásig.
A gravitáció kvantumai nem a térben vannak, hanem ők maguk a tér. A gráf éleiből kialakuló zárt hurkok pedig a téridő görbületéről, és egyben a gravitációs mező erősségéről adnak információt (így tehát már látható valamiféle kapcsolódás a relativitás és a kvantummechanika között).
Rovelli így összegzi azt, hogy miből is áll a világ, amelynek Trumpon és Orbánon kívül mi is részei vagyunk, még ha erről ők sokszor nem is akarnak tudomást venni: a világ teljes egészében kvantummezőkből áll, mégpedig olyanokból, amelyeknek nem kell semmiféle alap vagy háttér – ezt a tulajdonságot fejezi ki itt a kovariáns jelző-, önmagukban léteznek, egymásra rétegződve. Ezen mezők folyamatai hozzák létre mind a teret, mind az időt és mindenféle objektumot. A „saját szintjükön” se tér, se idő nincs.
Trump 15 perces spinhabfürdője az idő nélküli világban
Nézzük akkor, hogy ha a teret az elemi részecskék szintjén „elvesztettük”, mi lesz a sorsa az időnek? Ugyanis a kvantumgravitáció az idő természetével is foglalkozik. Azzal, hogy az idő a mi léptékünkben miért jelenik meg valamiféle lineáris, múltból a jövő felé tartó jelenségként, amikor az elemi részecskék szintjén nem is létezik abban a formában, ahogyan mi ismerjük. Például amikor Donald Trump aláírja a víznyomást korlátozó rendelet eltörlését, hogy ne kelljen a gyönyörű haját olyan sokáig mosnia, akkor ennek a bizonyos „sokáig”-nak csak azért lehet számunkra értelme, mert Trump (és amúgy mindannyiunk) időérzékelése a világ egy elnagyolt, pontatlan érzékeléséből fakad.
Továbbra is Carlo Rovelli elméleti fizikus gondolatai nyomán haladunk. (*A kvantumgravitációs elméleteken belül egyébként jelenleg a hurok-kvantumgravitáció fő riválisa a húrelmélet).
Ahogyan a tér esetében a Planck-hossz (1.61×10−35 m), úgy az idő esetében a Planck-idő (5,39×10-44 másodperc) egy elméleti határa annak, amelyen túl az általunk- a mi emberi léptékünkben – ismert idő és fizika „eltűnik”. Ez azt is jelenti, hogy amint a tér, úgy az idő is „szemcsés” szerkezetű (kvantált), nem osztható végtelen számú időintervallumra.
Ahogyan a hurok-kvantumgravitáció elméletében a teret spinhálók alkotják (térkvantum-csomópontok plusz élek), úgy ebben a keretben a teljes téridőt ezeknek a spinhálóknak változásai, egymásba alakulása jelenti. Ez a változás lesz az, amit spinhabnak nevez az elmélet, vagy úgy is lehet mondani, hogy a spinhab: a spinháló „története”. A spinhab lesz maga a szemcsézett téridő. Valahogy úgy, ahogyan a szappanhab buborékjai élekből, csúcsokból és felületekből képződnek. Ha Donald Trump nem azt mondta volna, hogy az alacsony víznyomás miatt a gyönyörű hajával, hanem a habtestével kell 15 percig bíbelődni a zuhany alatt, tulajdonképpen igaza lett volna.
Ez a történet, a spinhab, tehát nem térben és időben keletkezik, hanem ez az egész folyamatból áll elő maga a téridő.
A hurok-kvantumgravitáció nem kevesebbet állít, mint hogy a világ alapszövetében nem létezik sem tér, sem idő, amely valamiféle háttérként vagy tartályként szolgálna a benne zajló eseményeknek. Itt a dolgok nem is haladnak kitüntetett irányba: vagyis a múlt felől a jövő irányába. Sőt, mindent, ami megtörténik mindössze valószínűségek írják le (lsd. előző rész). A valóság egy valószínűségi felhőből tűnik elő.
De ha a világ alapszerkezete idő- és térnélküli, ráadásul itt minden „csak valószínű”, akkor mi miért érzékeljük azt mégis egészen konkrétnak, térben és időben is meghatározottnak? Miért tudjuk megkülönböztetni a múltat a jövőtől?
Rovelli úgy fogalmaz, hogy egyszerűen azért, mert a mi makroléptékünkben csak hiányos és elnagyolt képet látunk a világról, továbbá, amit látunk, az egy statisztikai átlag, kvantumos események átlaga. Pont úgy, ahogyan most a monitorodat vagy telefonodat egy szilárd tárgyként érzékeled, az attól még az elemi részecskék szintjén egyáltalán nem szilárd, hanem számunkra érzékelhetetlen „kvantumos fluktuációk” összessége, ami a te léptékedben jól körülhatárolt, szilárd objektumként tűnik elő. Ebben a mérettartományban mi már csak ilyen „végtermékekkel” kerülünk kölcsönhatásba. Amivel pedig nem kerülünk kölcsönhatásba, azt nem érzékeljük.
Az emberi elme leolvad, ha mindebbe belegondol, nem adott nekünk az evolúció ilyesfajta képzelőerőt, hiszen az evolúciónk is be van ágyazva ebbe a makroléptékbe.
Az idő múlásának érzékeléséről nem azt mondja Rovelli, hogy illúzió- bár sok helyen így interpretálják-, hanem hogy az idő a makroszkopikus állapotok jellemzője, azok egy speciális változója. Valahogy úgy, ahogyan egy pohár meleg víz a mikroszkopikus szinten nem meleg, ott ez a fogalom nem is létezik, hanem a részecskéknek van nagyobb sebessége. A mi szintünkön viszont ez hőként jelentkezik. Ettől még a hő nem illúzió.
De akkor hogyan keletkezik az idő?
Alain Connes matematikus vetette fel azt a gondolatot, hogy az idő csírája a kvantummechanika egyik alapvető jellegzetességéből fakad: az események felcserélhetetlenségéből. Például nem mindegy, hogy egy elektronnak először a sebességét mérem meg és utána a helyzetét vagy fordítva, mert mindkét esetben másképpen változik meg annak állapota. Ez tehát megad egy sorrendiséget. Viszont a valószínűség fogja megadni, a lehetséges sorrendek közül melyik lesz végül a nyerő. A valószínűség pedig a termodinamika második fő tételéből adódik, mely szerint: a zárt rendszerek mindig az alacsonyabb entrópia felől a magasabb entrópia felé mozdulnak. Ez azért van, mert a magasabb entrópiájú, rendezetlenebb rendszerhez több lehetséges mikroállapot konfiguráció tartozik, mint az alacsony entrópiájú rendszerhez. (Pl. a gyorsabban mozgó melegvíz részecskék több lehetséges állapotot vehetnek fel, mint a hidegvíz lassabb részecskéi: a meleg víznek nagyobb az entrópiája.) Vagyis: a magasabb entrópia a valószínűbb.
A termodinamika második fő tétele azt is mondja: a hő, mindig a meleg testek felől a hidegebb felé áramlik. Szokásos példája ennek, hogy egy pohár meleg víz egy hideg szobában le fog hűlni: hőt ad át a hidegebb levegőnek, felmelegíti, megnöveli annak entrópiáját. Fordítva nem nagyon szokott megtörténni: a meleg víz nem vesz fel további hőt a hideg szobából. Megtörténhet, de nem valószínű. Ha Donald Trump vámháborús mérgében földhöz vágja a vizespoharat, a valószínűbb állapot az, hogy darabokra törik és úgy marad, minthogy a szilánkok újra összeálljanak pohárrá. A becsapódó pohár hőenergiát ad át a talajnak, a hőátadás pedig növeli a rendszer entrópiáját.
Tehát: a természet a valószínűbb állapotokat részesíti előnyben, a nagyobb valószínűség pedig a nagyobb entrópiájú rendszerek sajátja.
Tulajdonképpen a hőnek ez a fajta áramlása ad egyedül információt arról, hogy milyen irányba halad az idő. Ha az entrópiát kivennénk a képből, többé nem tudnánk különbséget tenni múlt és jövő között. De akkor sem tudnánk, ha lemennénk a mikroállapotok szintjére, és láthatnánk őket egyesével. Megint csak a makroléptékben történő szemlélődésünk az, ami a legvalószínűbb állapotot – vagyis a sok mikroesemény átlagát – képes csak érzékelni. Ez viszont bele is taszít minket azonnal az idő érzékelésébe.
Ha már azt gondolná az ember, hogy ezen a ponton megértette az idő irányultságát, entrópiástul, valószínűségestül, Rovelli csavar egyet a gondolatmeneten azzal, hogy: az entrópia is relatív jelenség. Például a mi szempontunkból egy megkevert kártyapakli nagyobb entrópiájú, mint egy valamilyen szabály szerint sorbarendezett. Az utóbbit tekintjük különlegesnek, amitől haladunk a kevésbé különleges, valószínűbb állapotok felé. A kaotikus lapelrendezés az átlagos, valószínű állapot számunkra. De mi van, ha egy másik lény, aki más változók alapján, kevésbé életlenül látja a világot (többféle konfigurációt tud megkülönböztetni), a számunkra átlagos rendezetlen állapotokban lát különleges rendezettséget és a magasabb entrópia valami egészen mást jelent számára, például a mi látásmódunk szerinti rendezett állapotot. Neki másik irányba fog telni az idő, abba az irányba, ami számára a magasabb entrópiát jeleni. Ezzel tulajdonképpen azt állítja Rovelli, hogy az idő irányultsága is lehet relatív, amit a megfigyelő nézőpontja határoz meg.
Azt a fajta időt, ami az entrópia növekedéséből keletkezik Rovelli termikus időnek hívja, ez egy elméleti időfogalom, amelynek még nincs objektív múlt-jövő irányultsága. Ennek a makroszintű szubjektív (sajátosan életlen) nézőpontja lesz a mi saját időérzékelésünk.
Lehetséges, hogy egy földönkívüli lény számára, ha véletlenül betéved Trump fürdőszobájába, a spinhabtesű elnök zuhanyzása talán egy teljesen bizarr, időben visszafelé zajló esemény.
(Később még tervezek írni ennek a témának a filozofikusabb vonatkozásairól, információról memóriáról, tudatosságról néhány kortárs filozófus meg fizikus segítségével.)
Források: Carlo Rovelli: Hét rövid fizikalecke (2014), A valóság nem olyan, amilyennek látjuk (2014), Az idő rendje (2017)