Oduševila me knjiga Lee Smolina, koju je 2019. godine objavio pod nazivom “Einstein’s Unfinished Revolution – The Search for What Lies Beyond the Quantum”. Zaista se ne sjećam kada me neki popularno znanstveni tekst toliko zainteresirao da sam ga pročitao tri puta. Glavni razlog za toliki broj ponavljanja je potreba za povezivanjem detalja u razumljivu cjelinu. Iako je sadržaj “iz prve” naizgled razumljiv, tek u pokušaju reinterpretacije postalo mi je jasno koliko sam slabo upućen u temu.
Način na koji je knjiga pisana, kao i sadržaj koji obrađuje neće se svakome dopasti. Radi se o tekstu koji očekuje više od blage informiranosti jer u suprotnom neće potaknuti onaj “aha” efekt koji prati prepoznavanje nove ideje ili otkrivanje novog pristupa u rješavanju već ranije postavljene zagonetke. U ovom slučaju radi se o novom sagledavanju temelja kvantne fizike, te prijedlogu novog i drugačijeg razumijevanja stvarnosti.
Knjiga ima još jednu, ne tako eksplicitno istaknutu dimenziju. Naime, ona postavlja važna pitanja o utjecaju službene znanstvene zajednice na sadržaj znanosti te na prihvaćanje novih ideja. Autor opisuje realne prepreke na koje nove i revolucionarne teorije nailaze te potiče raspravu na temu razloga ili kriterija za odustajanje od utabanih puteva znanosti i skretanju prema sasvim novima.
Upravo je povijest razvoja kvantne teorije vrlo dobra pozornica za praćenje utjecaja službene znanosti na nove ideje. Od Einsteinovog prepoznavanja dualne prirode svjetlosti 1909. godine, koju je Niels Bohr koristio u postavljanju modela atoma i temelja kvantne mehanike za koji je nagrađen Nobelovom nagradom za fiziku iz 1922., a nakon toga i Heisenbergove matrične interpretacije kvantne mehanike iz 1925., zajedno sa Schrödingerovom jednadžbom iz 1926. kojom se matematički opisuje kvantno valno ponašanje te preko principa neodređenosti iz 1927. , sve do modernih objašnjenja uzroka dualnosti i neodređenosti, vodio se tihi znanstveni rat novih ideja protiv dominantnog tumačenja Nielsa Bohra, takozvane Kopenhaške interpretacije.
Neprikosnoveni utjecaj zvanične znanosti na razvoj i uvođenje novih znanstvenih ideja najprije sam pratio iz perspektive Hugha Everetta i njegove, kolokvijalno nazvane, Many-world interpretacije kvantne fizike. Slično, možda još i izrazitije ignoriranje znanstvene zajednice doživjela je De Broglie–Bohm (Pilot wave) teorija. Obje teorije, iako različite, mogu se smatrati realnima jer opisuju fizičku stvarnost, a ne njenu matematičku interpretaciju. Za razliku od njih, Kopenhaška interpretacija koja utjelovljuje teoriju Nielsa Bohra i koja je dominirala znanstvenim krugovima duže od pedeset godina je izrazito nerealna. Radi se o ideji da stvarnost ne možemo i ne trebamo shvatiti, već je zadatak znanosti pronaći adekvatan matematički model koji dovoljno dobro opisuje njeno ponašanje. U skladu s tom filozofijom, kvantni fizičari većine prošlog stoljeća nisu se usuđivali javno postaviti pitanje zašto se na mikrorazini priroda manifestira kao val pa sve do trenutka mjerenja i kolapsa valne funkcije uopće ne postoji istovremena vrijednost položaja i momenta čestice već samo njihova vjerojatnost, te zašto i u kojem slučaju do takvog kolapsa uopće dolazi.
Ključni moment znanstvenog nesuglasja u vezi temelja kvantne fizike definirao je Einstein koji, kao izraziti realist, nije mogao prihvatiti nedeterminiranost kvantne teorije smatrajući da ona nije kompletna. Smatrao je da cjelovita teorija mora biti predvidiva i da mora definirati konkretan položaj i moment čestice, a ne samo njihove vjerojatne iznose. Suprotstavljajući se Nielsu Bohru – Einstein, Podolsky i Rosen su 1935. sastavili dokument u kojem su opisali misaoni eksperiment kako bi dokazali nužnost postojanja skrivenih varijabli bez kojih takva, nedeterminirana kvantna teorija nije u skladu s realnošću.
Srž argumenta je kontradikcija koja proizlazi iz postojeće kvantne formulacije i odnosi se na efekt koji bi se u slučaju provođenja hipotetskog eksperimenta manifestirao kao trenutna uspostava konkretnih mjerenih vrijednosti dvije različite i prostorno vrlo udaljene čestice koje su do trenutka mjerenja bile u stanju suspregnute superpozicije (entanglement). Objašnjenje iz dokumenta trebalo je uvjeriti Nelsa Bohra da je postojeća kvantna teorija, bez uvođenja novih varijabli, suprotna definiciji realnosti – odnosno da može opstati samo ako dvije udaljene čestice utječu jedna na drugu ne-lokalno bez ikakve fizičke, realne veze.
Odgovor je uslijedio ubrzo i nije donio pojašnjenje ili ukazao na neispravnost argumenta, već ga je odbacio zbog neprimjenjivosti. Niels Bohr je, naime, ustvrdio da je koncept lokalnosti kao kriterija realiteta sustava neprimjenjiv na suspregnute čestice koje zajednički čine kvantni sustav. U odgovoru je konstatirao da se definicija realnosti temeljem lokalnog utjecaja ne može primijeniti jer je mjerenjem narušena cjelovitost sustava i da Einstein-Podolsky-Rosen argument ništa ne dokazuje. Takav odgovor, naravno, nije razuvjerilo Einsteina – nego su njegovo neprihvaćanje i povremena sukobljavanja s Kopenhaškom interpretacijom trajali sve do njegove smrti.
Dodatni udarac ideji skrivenih varijabli zadao je John Stewart Bell u dokumentu “On the Einstein Podolsky Rosen Paradox”, objavljenom 1964. godine, u kojem dokazuje da je kvantna fizika nekompatibilna s teorijama lokalnih skrivenih varijabli, i time dodatno učvrstio vjerovanje u Bohrovu ideju neshvatljive prirode.
Ipak, usprkos formalnim preprekama, nove teorije su se probijale unutar manje utjecajnih znanstvenih krugova. Pitanje trenutka i značenja kolapsa valne funkcije, odnosno problem mjerenja u kvantnoj mehanici posebno se aktualiziralo krajem prošlog stoljeća kad je entanglement fenomen ukazao na mogućnost praktične primjene u kriptografiji, a još više kao teoretska podloga za izradu kvantnih računala. Utjecaj Kopenhaške škole i Nielsa Bohra je oslabio, a teorije koje su se u pozadini razvijale godinama počele su se ozbiljnije razmatrati.
Iako teorija ima mnogo – autor knjige najviše prostora posvećuje Objective-collapse teoriji, koja pretpostavlja spontani kolaps valne funkcije, i u čijem se razvoju posebno ističe Roger Penrose. Znčajan prostor u knjizi dobila je i Bohemianova mehanika (Bohemian mechanics) koja ima dugu povijest i zasniva se na pilot wave teoriji, ali nakon početnog potiskivanja i zanemarivanja ona se i dalje razvija unutar manje grupe znanstvenika. Konačno, autor se najviše bavi many-worlds interpretacijom koja privlači sve veći broj pobornika i koja je posebno živnula krajem prošlog stoljeća utjecajem znanstvenika Davida Deutscha, možda zbog njegovog doprinosa teoretskom razvoju kvantnog računala.
Prve dvije teorije bi se mogle svrstati u grupu onih koje nadopunjuju ili mijenjaju postojeću. U prvom slučaju se problem kolapsa valne funkcije u trenutku mjerenja objašnjava spontanim kolapsom – odnosno procesom zgušnjavanja vala nakon prekoračenja granične energetske razlike između superponiranih komponenti – a ne nekim posebnim utjecajem mjernog procesa. U slučaju pilot-wave teorije radi se o tvrdnji da kolaps valne funkcije uopće ne postoji, već su čestice i val ravnopravne fizikalne komponente te da se čestica kreće trajektorijom koju valna funkcija određuje.
Još zanimljivija je many-worlds interpretacija kvantne fizike koja striktno slijedi Schrödingerovu jednadžbu i negira postojanje kolapsa valne funkcije pa uvodi pojam dekoherencije. Taj pojam opisuje trenutak interakcije makro svijeta s valom koji je, prema toj teoriji, jedina realna priroda stvarnosti i predstavlja superpoziciju povezanih kvantnih čestica nedefiniranog položaja i momenta. U trenutku sraza dolazi do dijeljenja superponiranih dijelova vala te njihovog vezanja (entanglement) s makro objektom stvarajući nove grane stvarnosti. Ova teorija striktno slijedi ideju valne prirode cjelokupnog svemira, ali uvodi teško shvatljiv problem dijeljenja valne funkcije, što kao nužni efekt ima multipliciranje svjetova.
Sve su ove teorije samo djelomično objasnile kvantno ponašanje i, čini se, na najteža pitanja i dalje nisu odgovorile. Teorija spontanog kolapsa i pilot wave teorija mogu funkcionirati samo uz nelokalnu prirodu svemira – odnosno, ako je prostor drugačiji nego ga doživljavamo te ako dvije čestice mogu biti u interakcija iako nisu u blizini. Za objašnjenje tog fenomena potrebno je drugačije definirati prostor. S druge strane, many-worlds teorija ne daje zadovoljavajuća objašnjenja o porijeklu vjerojatnosti u kvantnoj mehanici. Naime, ona se zasniva na determinističkoj Schrödingerovoj jednadžbi rasprostiranja vala – i jedino što se iz nje sa sigurnošću može zaključiti je da će do grananja valne funkcije u svim superponiranim smjerovima sigurno doći.
Nezadovoljan objašnjenjima koje nude postojeće teorije kvantne fizike, Lee Smolin je odlučio potražiti odgovore razvijajući novu ideju koja bi mogla ponuditi cjelovito objašnjenje kvantne fizike i gravitacije, na temelju koje bi mogao objasniti i nastajanje (emergence) prostora i vremena.
Ideja koju autor predlaže je suprotna uobičajenima, odnosno pretpostavlja da se u temeljima stvarnosti nalazi akcija – događaj, a ne stanje. Lee Solin tvrdi da je priroda satkana od događaja povezanih u kauzalnu strukturu i da je pogled na tu strukturu iz perspektive događaja osnovna komponenta iz koje nastaje kompletan svemir. Drugim riječima, kompletna fizika i svi fizikalni zakoni su posljedica sudara čestica te prijenosa momenta i energije iz prethodnih događaja na buduće. Takva kauzalna struktura ukazuje na vrijeme kao fundamentalnu veličinu – što nije slučaj u većini drugih teorija u kojima je prostor fundamentalan, a vrijeme izvedeno. Autor je ovu teoriju objavio 2013. godine u suradnji s Marinom Cortês pod imenom “Energetic causal sets”.
Prema toj ideji, pogled na kauzalnu strukturu iz perspektive trenutnog događaja, odnosno raspored događaja koji su neposredno prethodili i onih koji izravno slijede, kao i moment te intenzitet razmijenjene energije su u temelju svih fizikalnih manifestacija u prirodi – od materije do prostora i vremena.
Jedna od pretpostavki ove teorije je da se prostor pojavljuje kao posljedica međudjelovanja događaja koji imaju slične poglede. Odnosno, vjerojatnost interakcije je veća – što su razlike pogleda na neposrednu kauzalnu okolinu manje. To znači da će dva sustava sličnih pogleda moći ući u međudjelovanje pa će na makrorazini na kojoj se manifestira prostor – ti sustavi biti u blizini jedan drugome.
Ali, suprotno našoj intuiciji, zbog istog razloga jednostavni izolirani sustavi s istim pogledima na neposrednu kauzalnu strukturu, na primjer elektroni u dva izolirana atoma helija, također mogu biti u međusobnoj interakciji bez obzira na njihovu udaljenost mjerenu iz perspektive naše makro stvarnosti. To je kvantna realnost koja se manifestira kao ne-lokalna interakcija čestica u kvantno-povezanom (entanglement) stanju na koju je upozorio Einstein u EPR dokumentu.
Autor, nadalje, definira interakciju objekata kao prirodnu težnju sustava prema uspostavi stanja maksimalnih razlika u konfiguracijama kauzaulne strukture. Matematički opisujući promjene koje nastupaju u konfiguraciji kod interakcije i prijenosa momenta i energije kroz sustav radi maksimiziranja razlika – autor je uspio izvesti Scheredingerovu jednadžbu i kretanja čestica unutar postojeće pilot-wave kvantne teorije. Osim toga, zbog diskretne prirode događaja unutar kauzalne strukture postoji konceptualna veza prema kvantnoj definiciji gravitacije, odnosno prema teroiji relativnosti.
Iako je rad na teoriji energetskih kauzalnih pogleda tek na početku, tako da posao njenog dokazivanja predstoji – početni rezultati su dobar znak i ohrabruju autora u vjerovanju da bi ova teorija mogle biti korak prema okončanju Einstainove nedovršene misije, punom razumijevanju kvantne fizike i njenom ujedinjenju s gravitacijom te teorijom relativiteta – odnosno univerzalnom opisu prirode, od elementarnih komponenti mikro svijeta do cijelog svemira.
Lee Smolin (born June 6, 1955) is an American theoretical physicist, a faculty member at the Perimeter Institute for Theoretical Physics, an adjunct professor of physics at the University of Waterloo and a member of the graduate faculty of the philosophy department at the University of Toronto. Smolin’s 2006 book The Trouble with Physics criticized string theory as a viable scientific theory. He has made contributions to quantum gravity theory, in particular the approach known as loop quantum gravity. He advocates that the two primary approaches to quantum gravity, loop quantum gravity and string theory, can be reconciled as different aspects of the same underlying theory. His research interests also include cosmology, elementary particle theory, the foundations of quantum mechanics, and theoretical biology.
