Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: FIZYKA TEORETYCZNA →

Roger Penrose
(ur. 8.08.1931)

Narodowość: Anglik

W 1970 r. R. Penrose – wybitny fizyk i matematyk, wraz ze S. Hawkingiem udowadnia twierdzenie o osobliwościach w ogólnej teorii względności. Mówi ono, że jeśli ogólna teoria względności jest prawdziwa, to osobliwości w czarnych dziurach i te na początku i końcu Wszechświata, są nieuniknione. Osobliwość to po prostu nieskończenie gęsty punkt.

Istotne są osiągnięcia Penrose'a w próbach podejścia do kwantowej grawitacji. Ta teoria w niepodważalnej całości jeszcze nie istnieje i są poważne problemy z jej sformułowaniem. Ogólna teoria względności zdaje się zupełnie nie pasować do mechaniki kwantowej. Istotą tego problemu jest to, że OTW widzi czasoprzestrzeń jako gładką, a według mechaniki kwantowej – jest ona porozrywana, ale widoczne jest to dopiero lokalnie, na odległościach mniejszych niż 10-35 m, tak jak komórka widoczna jest dopiero pod mikroskopem. Konieczne jest więc poszukiwanie teorii niwelującej tę sprzeczność, bo próby opisu grawitacji w języku mechaniki kwantowej, wskutek powyższej sprzeczności, spełzły na niczym. Nie tylko pojawiały się nieskończoności; nie były one nawet renormalizowalne (→ patrz rozdział o Feynmanie).

Teoria superstrun na swój sposób radzi sobie z „problemem połączenia”. Postuluje ona, że superstruna ma wymiary około 10-35 m, więc „schodzić” na odległości mniejsze od elementarnej nie ma sensu, bo nie istnieje pojęcie odległości mniejszej od tej elementarnej. Poza tym, w naturalny sposób pojawia się tam także grawiton. Niestety, teoria superstrun ma wiele problemów innego typu i nie jest pewne, czy nie stanowi ona ślepej uliczki fizyki teoretycznej.

Stan fizyki na dziś to dwie teorie – OTW zajmująca się grawitacją i tzw. model standardowy napisany w „języku” mechaniki kwantowej i opisujący 3 pozostałe oddziaływania (silne, słabe i elektromagnetyczne) jako tako zunifikowane. Zdaniem Penrose'a potrzebna jest nowa teoria kwantów, która poradzi sobie z grawitacją i nie będzie nastręczać trudności interpretacyjnych. Wychodzi on od ciekawego przykładu redukcji funkcji falowej. Zgodnie z równaniem Schrödingera, ewoluuje ona w czasie w sposób deterministyczny. Poza tym równanie to jest liniowe, tzn. że ma ciekawą własność: kombinacja liniowa niezależnych od siebie rozwiązań równania też jest jego rozwiązaniem.

Na przykład ψ jest kombinacją liniową φ1 i φ2.

ψ = Aφ1 + Bφ2

Podczas odpowiedniego pomiaru nasza funkcja ψ zredukuje się do stanu φ1 z prawdopodobieństwem A2 lub do stanu φ2 z prawdopodobieństwem B2. Widzimy więc, że na etapie pomiaru i związanej z nim redukcji funkcji falowej, złamana zostaje deterministyczna (jednoznaczna) ewolucja ψ. Może on po pomiarze zająć albo stan φ1, albo stan φ2. Następuje rozszczepienie ψ i żadna gałąź po rozszczepieniu nie jest pewna, czyli określona jednoznacznie (bo jest ich więcej niż jedna). Penrose przewiduje, że w przyszłej teorii oba te procesy:
  • Ewolucja czasowa funkcji falowej (procedura U)
  • Redukcja funkcji falowej (procedura R)
okażą się być przejawami jednego, wyższego procesu. Poza tym uważa on, że redukcja nie wiąże się tylko z procesem obserwacji w czasie pomiaru (czyli jest subiektywna), ale jest ona obiektywna. Na korzyść tego poglądu przemawia trudność pojawiająca się w tzw. paradoksie kota Schrödingera.
Załóżmy, że ψ opisuje foton zmierzający w kierunku zwierciadła półprzepuszczalnego. Po przejściu przez zwierciadło rozdziela się na 2 stany: odbity φ1 zmierzający w dal i przepuszczony φ2 uruchamiający pistolet, który strzela do kota zamkniętego w pudełku. Wedle mechaniki kwantowej, dopóki nie otworzymy pudełka i nie dokonamy aktu obserwacji kota, będzie on trwać w kombinacji stanów: żywy-zastrzelony (bo sygnał wysłany trochę uleciał w dal, a trochę uruchomił pistolet). Trudno pogodzić się z tą interpretacją. Kot jest albo martwy albo żywy i stany te nie powinny zależeć od tego, czy jest on obserwowany. Czyli wskazuje to na obiektywną (niezależną od obserwacji) redukcję funkcji falowej do jednego ze stanów.
Co determinuje ten jeden ściśle określony wybór? Zdaniem Penrose’a, jest to struktura czasoprzestrzeni. Jeśli stany w superpozycji wystarczająco różnią się swoimi strukturami czasoprzestrzennymi, przyroda, zgodnie z pewnym nieznanym jeszcze kryterium, wybiera jeden z nich. Struktury czasoprzestrzenne masywnego kota żywego i martwego różnią się tak bardzo, że zawsze będzie wybrany jeden z tych stanów i superpozycja „życia i śmierci” nigdy nie zaistnieje.

Pomysł Penrose'a nie jest konkretnym modelem matematycznym, ale jest bardzo ciekawy i zasługuje na uwagę, a nawet studia. Jest to pieczenie dwóch pieczeni na jednym ogniu. Włączenie grawitacji usuwa automatycznie problemy interpretacyjne mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa po włączeniu grawitacji polepszyłaby się, a nie pogorszyła. Tak więc możliwe, że pomysł ten wytycza właściwą drogę do prawidłowej teorii kwantowej grawitacji.

Godna uwagi jest hipoteza Penrose'a odnośnie strzałki czasu (patrz rozdział o Boltzmannie). Jego zdaniem, entropia Wszechświata, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki ciągle rośnie, bo osobliwość na początku Wszechświata miała niezmiernie małą entropię; była bardzo specyficzna. Matematycznie postuluje on, że jej tensor Weyla wynosił 0. Wraz z rozszerzaniem się Wszechświata rośnie wartość tensora Weyla, a z nią entropia.

Penrose zasłynął także jako teoretyk próbujący podejść do niezwykle trudnego zagadnienia: jak działa ludzki umysł. Penrose, tym razem ściśle, udowadnia, że w mózgu ludzkim mają miejsce procesy nieobliczeniowe, czyli takie, których wynik nie powstaje na skutek działania ściśle określonych wzorów postępowania (algorytmów). A więc z dowodu Penrose'a wynika, że komputery, które tylko liczą opierając się tylko na algorytmach, nigdy nie będą w stanie całkowicie symulować pracy ludzkiego mózgu. Specyfika mózgu ludzkiego zaklęta jest nie tyle w algorytmach („softwarze”, programach pracy, w jakie wyposaża nas natura), co musi mieć ona związek z samą jego konstrukcją – „hardwarem”.

Zaciekawionych tematyką zmagań z kwantową grawitacją i ludzkim umysłem odsyłam do bardzo dobrych książek Penrose’a: „Nowy umysł cesarza”, „Cienie umysłu” i „Makroświat, mikroświat i ludzki umysł”.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski