Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

W listopadzie 2015 roku przypada stulecie ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Teoria ta była zwieńczeniem niezwykłego życia naukowego Einsteina. Nauczyła nas, że przestrzeń sama w sobie jest plastyczna, potrafi się uginać i rozciągać pod wpływem materii i energii. Jego pomysły zrewolucjonizowały wizję ludzkości na temat powstania i rozwoju Wszechświata, a także wprowadziła do naszego słownika tak oszałamiające pojęcia, jak czarne dziury czy tunele czasoprzestrzenne.

Teoria względności Einsteina opisuje szeroki zakres zjawisk, od prawie momentu powstania Wszechświata do jego końca, a nawet podróż w najgłębsze przestrzenie kosmosu – do czarnych dziur, poprzez punkt bez powrotu, zwany horyzontem zdarzeń, a potem dalej, aż do miejsca, gdzie czai się tzw. osobliwość.

Niels Bohr powiedział kiedyś, że wprawdzie swoją teorią względności Einstein dokonał przewrotu w fizyce, ale „poszedł na lunch”, jeśli chodzi o mechanikę kwantową. Ale nie do końca tak było. Prawda jest taka, że Einstein chciał „ożenić” teorię względności z mechaniką kwantową.

Głęboko w kwantowym świecie

Teoria Einsteina świetnie sprawdza się w dużych skalach wielkości. Zręcznie wyjaśnia zachowanie orbit pulsarów binarnych i orbity Merkurego. Stanowi kluczowy element systemu GPS. Ale powstanie Wszechświata i region w pobliżu centrum czarnej dziury to bardzo różne światy – światy kwantowe. Skale wielkości, które musimy brać pod uwagę w badaniu tych środowisk są subatomowe. I w tym miejscu zaczyna się problem.

Rozkwit teorii Einsteina zbiegł się z narodzinami mechaniki kwantowej, a historie o jego debatach z Nielsem Bohrem –  duńskim fizykiem, laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1922 roku za opracowanie struktury atomu – nad intuicją i prawdopodobnymi przewidywaniami teorii są legendarne. „Bóg nie gra w kości ze Wszechświatem” to słynne słowa, które miał w debacie z Bohrem  powiedzieć Einstein.

Jednak niezależnie od pogardy Einsteina dla teorii mechaniki kwantowej, uczony był świadomy konieczności zrozumieć sfery kwantowej. A w jego dążeniu do zrozumienia i wyjaśnienia ogólnej teorii względności, starał się zrozumieć, w jaki sposób można uspójnić ogólną teorię względności z prawami fizyki kwantowej, aby można było stworzyć kompletną i spójną ze sobą teorię – grawitację kwantową. Wynik jego przemyśleń można podsumować w dwóch słowach: nie wyszło.

Dopasowywanie świata kwantowego do teorii względności

Einstein spędził resztę swojego życia, bez powodzenia, nad szukaniem sposobów na integrację teorii względności z mechaniką kwantową. Choć chciałoby się opisać historię tych prób, to wysiłek jest interesujący przede wszystkim dla historyków. Po tym wszystkim, gdy okazało się to niewykonalne, nikt inny w następnych dziesięcioleciach nie podjął tego się wyzwania. Bardziej interesujące wydaje się poznanie podstawowych problemów związanych ze „ślubem” tych dwóch głównych teorii początku XX wieku. Początkowo problem był systemowym. Ogólna teoria względności udostępnia zestaw nieliniowych równań różniczkowych cząstkowych dla tensora metrycznego czasoprzestrzeni (są to właśnie równania Einsteina). Parametrami tych równań jest rozłożenie masy i energii oraz pędu we Wszechświecie, a ich rozwiązaniem kształt Wszechświata. Ponieważ nie możemy obserwacyjnie wyznaczyć tych wielkości dla odległych rejonów Wszechświata, modele kosmologiczne tworzy się w oparciu o zasadę kosmologiczną, mówiącą, że w dużych skalach Wszechświat jest jednorodny i izotropowy. Zakłada się zatem, że grawitacyjny efekt materii rozmieszczonej we Wszechświecie jest identyczny do wywoływanego przez pył o tej samej średniej gęstości, rozsiany równomiernie w przestrzeni. Założenie to pozwala łatwo rozwiązać równania Einsteina i przewidywać przeszłość i przyszłość Wszechświata w kosmologicznych skalach czasowych.

Natomiast mechanika kwantowa opisuje świat kwantowy, świat, w którym, mówiąc najprościej jak się tylko da, materia „dzieli się na kawałki”. To świat obiektów o bardzo małych rozmiarach: atomów i cząstek elementarnych, a zatem opisuje zjawiska rozpraszania i zderzeń w skali atomowej i subatomowej.

***

Einstein nigdy w swoim życiu nie przekonał się do mechaniki kwantowej, a w szczególności do jej interpretacji kopenhaskiej Nielsa Bohra, interpretacji probabilistycznej. Podstawowy obiekt, którym operuje mechanika kwantowa, funkcja falowa, jest czymś, co jest nieobserwowalne i niemierzalne. Jest to czysto teoretyczny i abstrakcyjny twór niemający żadnego przełożenia do czegokolwiek, co się obserwuje, natomiast obserwowalne wielkości w myśl mechaniki kwantowej to pewne prawdopodobieństwa otrzymania takiego czy innego wyniku pomiaru. Świat kwantowy nie jest już taki deterministyczny, on fundamentalnie rządzi się regułami probabilistycznymi. To najbardziej trapiło Einsteina, zresztą nie tylko jego. Jego słynne zdanie, że Pan Bóg nie gra w kości ze Wszechświatem może świadczyć o tym, że Einstein nie chciał się pogodzić z brakiem realizmu w mechanice kwantowej. Kwestia tego, czy Wszechświat bardziej przypomina mechanizm zegara czy stół do gry w kości pokazuje, że fizyka wciąż poszukuje prostych reguł leżących u podstaw całej różnorodności przyrody. 

Opracowano na podstawie: Einstein's Unfinished Dream: Marrying Relativity to the Quantum World