Czas urojony przestał być teorią, wyłącznie matematycznym abstraktem. On istnieje. Czy żyjemy w symulacji?
Od razu na wstępie, abyście nie umknęli w popłochu sądząc, że bredzę, to co napiszę poniżej właśnie otrzymało solidne umocowanie naukowe, dzięki dość prostemu, a przez to genialnemu eksperymentowi. Ale spokojnie, zacznijmy po kolei.
Czas urojony? Ki diabeł?!
Zacznijmy od tego nieszczęsnego czasu urojonego. Otóż jest to koncepcja spopularyzowana dawno temu jeszcze przez Stephena Hawkinga jako matematyczne narzędzie do opisu Wszechświata przed Wielkim Wybuchem. W olbrzymim skrócie: czas urojony to wysoce abstrakcyjna koncepcja fizyki teoretycznej, w której czas, po pomnożeniu przez jednostkę urojoną (pierwiastek kwadratowy z -1, wybaczcie, ale wykładu z liczb zespolonych nie będę wam tutaj prowadził), zaczyna w równaniach matematycznych zachowywać się jak kolejny wymiar przestrzeni.
Model ten pozwolił Hawkingowi i jeszcze innemu fizykowi, Jamesowi Hartle’owi na ominięcie problemu początku czasu – w ich modelu Wszechświat nie ma krawędzi ani punktu startowego, podobnie jak powierzchnia kuli. Do tej pory była to jednak czysta teoria, rozumiecie, koncepcja matematyczna, umysłowy wygibas przydatny do prowadzonych przez nich obliczeń związanych z modelem Hawkinga-Hartle’a (koncepcja użyta do opisu początkowych warunków Wszechświata w ramach kosmologii kwantowej). Ale to nie ów model nas tu interesuje. Lecz sama abstrakcyjna (do niedawna) koncepcja czasu urojonego. Otóż okazało się, że nie jest on do końca taki „urojony”.
Klucz w mikfofalach
Nie, nie chodzi o kuchenkę, w której podgrzewasz chińszczyznę. Już dekadę temu badacze spekulowali, że mikrofale mają potencjał, by doświadczać czegoś, co można uznać za stan „czasu urojonego”, pozostawało to jednak w dalszym ciągu śmiałym konceptem. Do czasu (nomen omen).
Jak wyczytałem w interesującym tekście w New Scientist naukowcom z University of Maryland udało się sprawić, że mikrofale zaczęły zachowywać się tak, jakby poruszały się w czasie, który jest nierozróżnialny od wymiaru przestrzennego. Zdaniem badaczy otwiera to drogę do rewolucyjnych zastosowań w optyce. Jednak implikacje tego niezwykłego odkrycia wydają się być znacznie głębsze.
Czas urojony istnieje w rzeczywistości
Zespół pod kierownictwem Igora Smolyaninova stworzył eksperymentalny odpowiednik tego czysto abstrakcyjnego zjawiska, czy też konceptu. Naukowcy użyli falowodu zbudowanego z dwóch równoległych metalowych płyt, z których jedna została pokryta specjalnym polimerem. Kluczowe było odkrycie, że równanie opisujące rozchodzenie się mikrofal w takim układzie jest matematycznie identyczne z równaniem Schrödingera – jednym z fundamentów mechaniki kwantowej – jeśli jeden z wymiarów przestrzennych potraktuje się jak czas. Zmieniając temperaturę wzdłuż falowodu, badacze modyfikowali właściwości polimeru, co w równaniach odpowiadało efektowi „obrócenia” czasu w wymiar urojony.
Efekt był natychmiastowy i zgodny z przewidywaniami teorii (przypomnę, do niedawna wyłącznie stanowiącej matematyczny, abstrakcyjny koncept). Zamiast rozpraszać się w przestrzeni, co jest naturalnym zachowaniem fal, mikrofale skupiły się w wąską, samopodtrzymującą się wiązkę. To zjawisko jest bezpośrednią konsekwencją tego, że jeden z wymiarów przestrzennych zaczął dla mikrofal pełnić funkcję czasu urojonego.
To nie wehikuł czasu, ale może coś więcej?
Chociaż eksperyment nie oznacza stworzenia wehikułu czasu, jest przełomem w badaniu fundamentalnych koncepcji fizycznych. Pozwala na testowanie wysoce abstrakcyjnych teorii w namacalny, laboratoryjny sposób. To co uzyskali badacze, to niejako urealnienie czysto abstrakcyjnej koncepcji. „To naprawdę fajna i sprytna symulacja analogowa” – skomentował Paul Sutter z Uniwersytetu Stony Brook, podkreślając, że jest to doskonały sposób na badanie matematycznych konsekwencji czasu urojonego.
Jednak implikacje filozoficzne wydają się daleko większe od zabawy z matematyką i fizyką. No bo zobaczcie, jeżeli czas urojony okazuje się nie być wyłącznie matematyczną, w pełni abstrakcyjną koncepcją, lecz dał się „zmierzyć” w rzeczywistości, to może rzeczywistość nie jest tym, za co ją uważamy? Czy można uznać, że laboratoryjne wykrycie czasu urojonego jest pośrednim dowodem hipotezy symulacji i cały wszechświat jest symulacją?
Czy żyjemy w symulacji?
To pytanie dotyka samych fundamentów naszego postrzegania rzeczywistości. Choć odpowiedź nie jest prosta, spróbujmy rozłożyć ten problem na czynniki pierwsze, opierając się na logice i obecnym stanie wiedzy.
Gdyby podejść do kwestii filozoficznie (naukowo obecnie panuje konsensus, że hipoteza symulacji, szczególnie w kształcie zaproponowanym przez Nicka Bostroma, to raczej spekulatywny koncept niż w pełni naukowa hipoteza, którą można próbować w jakikolwiek sposób falsyfikować), to można argumentować, że wspomniane odkrycie zachowania mikrofal w „czasie urojonym” pośrednio wspiera hipotezę symulacji, ale raczej właśnie w sensie filozoficznym, a nie stricte naukowym. Już wyjaśniam.
Debugowanie rzeczywistości
Przede wszystkim, jeśli skomplikowana i abstrakcyjna koncepcja matematyczna, jak czas urojony, może zostać fizycznie odtworzona w prostym układzie (umówmy się, dwie blachy, polimer i mikrofale, no proszę was…), sugeruje to, że prawa fizyki są w swej istocie zbiorem reguł i algorytmów. Pokazuje to, że nasza rzeczywistość ma strukturę podobną do komputerowej – jest oparta na przetwarzalnych zasadach. Im więcej takich „matematycznych trików” odkrywamy w naturze, w analogowych, w pełni rzeczywistych konstruktach, tym bardziej Wszechświat przypomina wyrafinowany program. Rozumiecie co to znaczy? Rzeczywistość jest „obliczalna”, zatem można ją symulować i ona sama może stanowić symulację. Oczywiście to żaden dowód w sensie naukowym, ale… przyznajcie, daje do myślenia.
Eksperyment ten można postrzegać jako odkrycie pewnego rodzaju „debugu” lub „ukrytej funkcji” w kodzie naszej rzeczywistości. Pokazaliśmy (znaczy się nie ja, ale wspomniani eksperci z Uniwersytety Maryland kierowani przez Smolyaninova), że manipulując pewnymi parametrami (temperatura, materiał), możemy sprawić, że fragment rzeczywistości zaczyna działać według innego, egzotycznego i uznawanego za w pełni abstrakcyjny zestawu praw (tych z czasem urojonym). Dla zwolennika hipotezy symulacji mogłoby to wyglądać jak wykorzystanie luki w systemie lub znalezienie sposobu na uruchomienie kodu przeznaczonego do innych celów.
Wreszcie pasuje też filozoficzna zasada analogii. W końcu jeśli my, jako potencjalnie symulowane byty, jesteśmy w stanie tworzyć w naszej „rzeczywistości” symulacje (jak ten eksperyment), które odtwarzają w rzeczywistości egzotyczne prawa fizyki, uznawane wyłącznie za abstrakcyjny koncept, to logiczne staje się założenie, że nasza własna rzeczywistość może być taką samą, tylko bardziej zaawansowaną symulacją stworzoną przez kogoś „wyżej”. Jest z tym jednak pewien problem.
Perspektywa naukowa, czyli takie myślenie ma luki
Niestety, zwolenników hipotezy symulacji muszę trochę zmartwić. Jakkolwiek eksperyment z rzeczywistym modelowaniem czasu urojonego za pomocą mikrofal jest imponujący, to w sensie naukowym nie ma wiele z hipotezą symulacji. Dlaczego? Przede wszystkim eksperyment jest analogią, a nie tożsamością. Stworzono układ fizyczny, który naśladuje matematykę czasu urojonego, a nie układ, w którym czas faktycznie przestał płynąć i stał się przestrzenią. To dowód na uniwersalność i potęgę matematyki jako języka opisu przyrody, a nie na to, że przyroda jest programem komputerowym. Wiele różnych zjawisk fizycznych można opisać tymi samymi równaniami – to częste w nauce i nie jest niczym paranormalnym.
Po drugie ów ciekawy eksperyment z mikrofalami i analogiem czasu urojonego w zachowaniu fal w specyficznych warunkach nie oznacza, że oto hipoteza symulacji stała się falsyfikowalna. Jej niefalsyfikowalność oznacza, że nie da się zaprojektować eksperymentu, który mógłby jej zaprzeczyć. Każdy wynik, nawet najbardziej nieoczekiwany, zwolennik teorii może zinterpretować jako „część programu”. Odkrycie z czasem urojonym niczego tu nie zmienia – można je równie dobrze uznać za naturalną właściwość naszego Wszechświata, jak i za element symulacji. Nie przybliża nas do rozstrzygnięcia.
No dobra, to są jakieś praktyczne implikacje tego eksperymentu?
Tak, na koniec mam dobrą wiadomość. Pomysł polegający na zbudowaniu rzeczywistego analogu koncepcji czasu urojonego nie był tylko czczą zabawą naukowców. Ten pozornie abstrakcyjny eksperyment ma zdaniem jego autorów bardzo duży potencjał praktyczny, szczególnie w optyce. Odkryciem istotnym jest tu przede wszystkim nowa metoda kontrolowania fal, takich jak mikrofale, a zapewne również i światło oraz inne długości fal elektromagnetycznych.
Eksperyment zespołu Igora Smolyaninova pokazuje, że zamiast walczyć z naturalnymi właściwościami fal, możemy tak zaprojektować medium (ośrodek), przez które fala przechodzi, aby zachowywała się ona w sposób sprzeczny z intuicją, ale za to z korzyścią dla pożądanego celu. Przykład? Proszę bardzo.
Krok do nowej optyki
Podstawowym problemem i ograniczeniem wszystkich tradycyjnych układów optycznych (od mikroskopów po aparaty fotograficzne) jest dyfrakcja. Jest to naturalna tendencja fal do rozpraszania się i uginania po przejściu przez mały otwór lub krawędź. To właśnie dyfrakcja ustala fundamentalną granicę tego, jak mały punkt światła możemy uzyskać i jak drobne szczegóły możemy zobaczyć.
Tymczasem eksperyment z „czasem urojonym” pokazał zjawisko odwrotne: wiązka mikrofal, zamiast się rozpraszać, uległa samoistnemu skupieniu. Było to możliwe nie dzięki soczewce, ale dzięki właściwościom samego ośrodka. To daje zupełnie nowe możliwości, takie jak np. mikroskopy o niespotykanej dotąd rozdzielczości, zdolne do obserwowania obiektów mniejszych niż pozwala na to tradycyjny limit dyfrakcyjny, zaawansowaną litografię, czyli „drukowanie” jeszcze mniejszych i gęściej upakowanych ścieżek w procesorach komputerowych, co przełożyłoby się na szybsze i wydajniejsze układy, gęstszy zapis danych w napędach optycznych, precyzyjniejsze lasery medyczne, dokładniejsze LiDAR-y, światłowody o większej przepustowości i gęstości informacyjnej, itd. itp. Pole zastosowań pozornie prostego odkrycia jest szerokie i imponuje bez uciekania się do hipotezy symulacji. Ale czemu czasem nie pofilozofować? Mam nadzieję, że wasze zwoje są już rozgrzane. Udanego dnia!
