Napredek v fiziki ter premislek o času in prostoru

Pogovor s teoretskim fizikom dr. Martinom Landom o povezovanju teorije relativnosti in kvantne teorije.

pon, 26.09.2016, 10:00
Einstein je zavrnil Newtonov pojem in opredelil čas kot četrto dimenzijo prostor-časa.

V preteklih desetletjih so eksperimenti v fiziki osnovnih delcev in polj pokazali, da so fizikalni opisi mikroskopskih in submikroskopskih teles, ki se gibljejo s svetlobno hitrostjo ali blizu nje, postavili povsem nova vprašanja o tako temeljnih pojmih, kot so prostor, čas, masa in energija.

Teoretični opis tovrstnih fizikalnih pojavov zahteva povezovanje teorije relativnosti in kvantne teorije, kar je eden najpomembnejših in najtežjih problemov sodobne fizike, pravi teoretski fizik dr. Martin Land, predsednik Mednarodnega združenja za relativistično dinamiko in predavatelj

na Hadasa Collegeu v Jeruzalemu in na Open University of Israel. Z njim smo se pogovarjali ob mednarodni konferenci o klasični in kvantni relativistični dinamiki delcev in polj, ki je pred nedavnim potekala v Ljubljani.

Tokratno deseto konferenco je v sodelovanju z Institutom Jožef Stefan organiziralo Mednarodno združenje za relativistično dinamiko, ustanovljeno leta 1998 v Houstonu. Dr. Land je med drugim soavtor knjige Time and Human Language Now (Čas in človeški jezik danes ), ki je izšla pri založbi Prickly Paradigm Press, napisal pa jo je v sodelovanju s prof. Jonathanom Boyarinom, antropologom na Univerzi Cornell.

Kakšni so cilji oziroma poslanstvo Mednarodnega združenja za relativistično dinamiko?

Relativistična dinamika je veja fizike, ki uporablja tako relativistične kot tudi kvantne pojme za opis odnosov med gibanjem in lastnostmi relativističnega sistema in sil, ki delujejo nanj. Relativistična dinamika se od drugih fizikalnih teorij razlikuje po uporabi tako imenovanega invariantnega skalarnega evolucijskega parametra, ki beleži evolucijo dogodkov v prostor-času. V skalno-invariantni teoriji jakost sil med delci ni odvisna od energij vpletenih delcev.

Težava, ki se pojavlja pri razlagi naših ciljev, je, da je celo razložiti ozadje, zakaj imamo te cilje, za večino ljudi nekaj novega. Večina namreč razmišlja o času na način, kot ga je opisal Isaac Newton pred več sto leti.

Gre zgolj za gibanje naprej skozi svet, ena stvar za drugo, en dogodek za drugim, in to je čas. V Newtonovem vesolju je bil čas absoluten. Nikoli se ni pospešil, nikoli se ni upočasnil. Toda za Einsteina je bil čas relativen.

Prepad med znanstvenim in vsakdanjim razumevanjem časa je zaposloval številne mislece v zgodovini.

Filozofi so o teh idejah razpravljali že v časih pred Sokratom. Tako je grški filozof Heraklit poudarjal časovno minljivost vseh stvari, Parmenid pa je trdil, da ni niti časa niti gibanja.

Filozofi govorijo o skrivnostnem toku časa. Naši čuti nam povedo, da čas teče: se pravi, da je preteklost nespremenljiva, prihodnost nedoločena, resničnost pa doživljamo v sedanjosti. Vendar različni fizikalni in filozofski argumenti nakazujejo nekaj drugega.

V vsakdanjem življenju na več različnih načinov razmišljamo o času. Govorimo o cikličnih časih leta, meseca, tedna in dneva, o času, ki ga doživljamo, ko sanjamo, in o času, ko se nam zdi, da imamo dobre čase in čase, ko se bojimo. Nikoli ni bilo jezika, s katerim bi lahko izrazili vse odtenke tega doživljanja. Vedno pa je obstajala predpostavka, da poteka v naši duševnosti neki notranji proces, notranja izkušnja, ki jo moramo povezati z realnim časom.

Toda vse od Einsteinovih odkritij v fiziki o času ne razmišljamo več tako.

Razločevanje med preteklostjo, sedanjostjo in prihodnostjo je zgolj iluzija, četudi trdovratna, so znamenite besede, ki jih Albert Einstein zapisal v pismu prijatelju. Einsteinov osupljivi zaključek izvira neposredno iz njegove posebne teorije relativnosti, ki zanika, da ima sedanji trenutek kakršenkoli absoluten, univerzalen pomen.

Po tej teoriji je istočasnost relativna, medtem ko je pred tem v fiziki prevladovalo mnenje, da je istočasnost absolutna in torej čas neodvisen od opazovalca.

Kot ste ugotavljali na konferenci, je danes čas še posebej aktualna tema v fiziki.

Iskanje poenotene teorije sili fizike, da ponovno premislijo najbolj temeljne predpostavke, in le malo stvari je bolj temeljnih, kot je čas. Brez globokega razmisleka o času, fizika, kot vse kaže, ne bo napredovala pri povezovanju teorije relativnosti in kvantne teorije.

Danes fizike zanima bolj kot kadarkoli v preteklosti, kaj so filozofi rekli o času, razmišljajo več kot kdaj prej o tem, kaj pomeni, če rečemo, da ima čas »smer«, in kakšne povezave ima to, če jih sploh ima, s človeško zavestjo in svobodno voljo.

Fiziki so razvili številne matematične postopke, da bi povezali teorijo relativnosti s kvantno teorijo. Kakšen pristop predlaga teorija relativistične dinamike?

Znani sovjetski fizik Vladimir Fock je bil prvi, ki je v tridesetih letih preteklega stoletja predlagal teorijo z evolucijskim parametrom za opis relativističnih kvantnih pojavov, toda teorija z evolucijskim parametrom, ki jo je razvil švicarski matematik in fizik Ernst Stückelberg, je bliže sedanjim pojmovanjem.

Te teorije so kasneje uporabili Nobelova nagrajenca za fiziko Richard Feynman in Julian Schwinger ter drugi za formulacijo teorije polja v poznih štiridesetih in zgodnjih petdesetih letih. Zanimanje za teorije z evolucijskim parametrom pa se je znova povečalo v poznih sedemdesetih z raziskavami izraelskega fizika Lawrencea P. Horwitza in ameriškega fizika Johna Fanchija, oba sta bila med pobudniki in ustanovitelji IARD, ter nekaterih drugih fizikov in matematikov.

Nekateri raziskovalci menijo, da je evolucijski parameter matematični pripomoček, medtem ko drugi vidijo ta parameter kot fizikalno merljivo količino.

Da bi razumeli vlogo evolucijskega parametra in temeljne razlike med standardno teorijo in teorijami z evolucijskim parametrom, moramo nujno obravnavati pojem časa. V tridesetih letih 20. stoletja so se namreč pojavili problemi, povezani z načinom, kako je Einstein razmišljal o času.

Za Newtona je bil čas »puščica«, ki označi smer razvoja sistema. Einstein je zavrnil Newtonov pojem in opredelil čas kot četrto dimenzijo prostor-časa. Einsteinovo pojmovanje časa zahteva fizikalno ekvivalentnost med koordinatnim časom in koordinatnim prostorom. S tega vidika mora biti čas reverzibilna koordinata, tako kot prostor. Delci, ki se gibljejo nazaj v času, se pogosto uporabljajo za prikaz antidelcev v Feynmanovih diagramih, vendar dejansko ni mišljeno, da bi se v resnici premikali nazaj v času, običajno se tako naredi, da se poenostavi označevanje. Toda veliko ljudi misli, da se resnično gibljejo nazaj v času, in to jemljejo kot dokaz za reverzibilnost časa.

Predlagate tudi eksperimente, s katerimi bi teorijo relativistične dinamike lahko preverili?

Predlagal sem več eksperimentov. Vse je pretežko izvesti, vsaj zaenkrat.

Bi potrebovali drago laboratorijsko opremo?

Ne, ne gre za to. Izvajati bi morali meritve, ki jih je pretežko opraviti. To bi bilo nekaj takega, kot če bi poskušali slišati, da je nekdo izpustil iglo v sosednji sobi, kjer igra glasba. Preveč je šuma v ozadju, ne bi mogli slišati tega, kar bi želeli.

Zanimivo je, da je Stückelbergovo delo privedlo do pomembnega napredka v teoretski fiziki, vendar ni bilo splošno priznano vse do sredine devetdesetih let. Kaj menite, zakaj?

Danes velja Ernst Stückelberg za enega najpomembnejših fizikov 20. stoletja. Eden od razlogov, da fiziki njegovega dela večinoma niso poznali, je, da je pisal v francoščini in svoja dela objavljal v manj pomembnih revijah, poleg tega je uporabljal poseben slog pisanja. Vendar mislim tudi, da so bile njegove ideje za njegov čas preveč radikalne.

Sam sem prebral njegove izvirne članke v francoščini in ugotovil, da je pisal o mnogo problemih in zadevah, ki so zelo presenetljive in ljudje tega večinoma ne poznajo. Toda imel je izjemen vpliv na nekatere znanstvenike.

Nobelovec Richard Feynman je sprejel veliko njegovih idej in jih prenesel v prakso. Stückelbergov pristop je uporabil pri formulaciji relativistične kvantne elektrodinamike. Svoje rezultate je predstavil leta 1948 na danes znameniti konferenci v Poconu v Pensilvaniji, vendar je naletel na močno nasprotovanje najuglednejših fizikov, kot sta nobelovca Paul Dirac in Niels Bohr. Zato se je temu pristopu takrat pri svojih raziskavah odpovedal in ga vključil zgolj kot dodatek k pomembnemu članku, ki je bil objavljen leta 1950 v ugledni reviji Physical Review.

Na podlagi te izkušnje je Feynman spoznal, da je treba radikalne ideje predstaviti tako, da niso videti preveč radikalne. Običajno je v takih primerih rekel približno tako: »Dobro, predpostavimo, da je to res. Vemo, da to ni res. Vemo, da to ne more biti res. Toda dovolite, da predpostavimo, da je to res, in nadaljujmo, kot da je to res…« In potem je vse izpeljal in vendarle predstavil za tisti čas zelo radikalen pristop, ki pa se je kasneje izkazal za pravilnega. Tako pač deluje znanost, saj ljudje popolnoma nove ideje neredko zelo težko sprejemajo.

Prijavi sovražni govor