უძველეს დროში, ეჩვენებოდათ, რომ ბუნება თვითნებურია. ნებისმიერი სახის უბედურება, კატასტროფა, მაგალითად, წარღვნა ან რომელიმე დაავადების გავრცელება ხდებოდა ყოველგვარი „გაფრთხილების“, რაიმე ცხადი მიზეზის გარეშე. შესაბამისად, იმ დროს ხალხი ყოველ ასეთ მოვლენას მიაწერდა ღმერთებს და ზებუნებრივ ძალებს. არავინ იცოდა და ვერავინ გამოიცნობდა, თუ რას მოისურვებდნენ და გააკეთებდნენ ისინი. ერთადერთი, რასაც ადამიანები მოიმოქმედებდნენ მათი კეთილგანწყობის მოსაპოვებლად, ეს იყო სხვადასხვა შესაწირები, ძღვენები და რიტუალები ღმერთებისთვის…
თანდათანობით, მიუხედავად ყველაფრისა, ადამიანებმა შეამჩნიეს გარკვეული სისტემურობა, კანონზომიერებები ბუნების ქცევაში. ეს კანონზომიერებები ყველაზე უფრო ცხადად პირველად შენიშნეს ციური სხეულების მოძრაობაში, ცაზე დაკვირვებისას. ასე, რომ ასტრონომია იყო პირველი მეცნიერება, რომელიც განვითარდა.
ეს კანონზომიერებები მათემატიკურად აღწერილი და გამყარებული იქნა ნიუტონის მიერ 300 წლის წინ და ჩვენ დღემდე ვიყენებთ მისი მოძრაობის კანონებს, რომ განვსაზღვროთ ციური სხეულების მოძრაობა.
ნელ-ნელა აღმოჩნდა, რომ ბუნების სხვა მოვლენებიც ასევე აღიწერებიან გარკვეული კანონებით. ამ ყველაფერმა მეცნიერები მიიყვანა ე.წ. „სამეცნიერო დეტერმინიზმის“ იდეამდე, რომელიც პირველად სახალხოდ გააჟღერა ფრანგმა მეცნიერმა ლაპლასმა. ის დაახლოებით ასეთ რამეს ამბობდა:
თუ, დროის რომელიმე მომენტში ჩვენ გვეცოდინება სამყაროს ყველა ნაწილაკის მდებარეობა და სიჩქარე, მაშინ ჩვენ შევძლებთ, რომ ვიწინასწარმეტყველოთ ნებისმიერი მოვლენა მომავალში და აღვადგინოთ ნებისმიერი მოვლენა წარსულში.
არსებობს ასეთი გადმოცემა, რომ როდესაც ნიუტონმა ჰკითხა მას, თუ როგორ ჯდებოდა ამ სისტემაში ღმერთი, მან უპასუხა: „სერ, მე არ მჭირდება მსგავსი ჰიპოთეზები“. მე არ ვფიქრობ, რომ ლაპლასი ამტკიცებდა, რომ ღმერთი არ არსებობს, უბრალოდ ის არ ერევა ფიზიკის კანონებში! ეს უნდა იყოს ყველა მეცნიერის პოზიცია. ბუნების კანონი აღარ არის ბუნების კანონი, თუ ნებისმიერი სუპერძალა როცა მოისურვებს დაარღვევს მათ…
იდეა, რომ სამყაროს მდგომარეობა დროის მოცემულ მომენტში გვაძლევს საშუალებას, ვიწინასწარმეტყველოთ მისი მდგომარეობები ნებისმიერ სხვა დროს, გახდა მეცნიერების ცენტრალური პრინციპი ლაპლასის შემდეგ. ის გულისხმობს, რომ ჩვენ პრინციპში შეგვიძლია მომავლის წინასწარმეტყველება. პრაქტიკულად ეს არც ისე ადვილია (რბილად რომ ვთქვათ) შესაბამისი განტოლებების სირთულის და რაოდენობის გამო. მიუხედავად ამ სირთულეებისა, ეს იდეა დომინირებდა მეცნიერებაში მთელი XIX საუკუნის მანძილზე. თუმცა, XX საუკუნეში ფიზიკის განვითარებამ გამოკვეთა ორი საკითხი, რომლებმაც აჩვენეს, რომ ლაპლასის ხედვა, მომავლის სრულიად წინასწარმეტყველების შესახებ, ვერ იქნებოდა რეალიზებული.
პირველი, ეს არის კვანტური მექანიკა, რომელსაც საფუძველი ჩაუყარა გერმანელმა ფიზიკოსმა მაქს პლანკმა. მან გამოთქვა იდეა, რომ ნებისმიერი ნაწილაკი შეიძლება, ასხივებდეს მხოლოდ გარკვეული პორციებით, კვანტებით. მას არ ჩაუდია ამაში რაიმე ფიზიკური აზრი, მხოლოდ როგორც მათემატიკური ხერხი ისე გამოიყენა.
შემდეგში სხვა მეცნიერები შეეცადნენ, რომ ეპოვნათ სხვა მოვლენები, რომლებიც იხსნებოდნენ კვანტური თეორიით. მაგალითად, აღმოჩნდა, რომ ელემენტარული ნაწილაკები იქცევიან, როგორც ბზრიალა სათამაშოები. ისინი ბრუნავენ რაღაც ღერძის გარშემო, მაგრამ სპინის რაოდენობა ვერ იქნება ნებისმიერი სიდიდის. მას აქვს გარკვეული დაკვანტული მნიშვნელობები რომლებიც რაღაც სიდიდის ჯერადია. ყველაფერი კარგად იყო 1926 წლამდე, ვიდრე ასევე გერმანელმა ფიზიკოსმა ჰაიზენბერგმა არ აღმოაჩინა, რომ ჩვენ არ შეგვიძლია ერთდროულად ზუსტად გავზომოთ ნაწილაკის მდებარეობა და სიჩქარე (ჰაიზენბერგის განუზღვრელობის პრინციპი).
ეს ყველაფერი ხდება იმიტომ, რომ მიკროსამყაროში გაზომვისას შეტანილი შეშფოთება პრინციპული ხასიათისაა. რაც უფრო ზუსტად გავზომავთ ნაწილაკის სიჩქარეს, მით უფრო ნაკლებად ზუსტად შევძლებთ მისი მდებარეობის განსაზღვრას და პირიქით. ჰაიზენბერგის განუზღვრელობის პრინციპი ფორმულირდება შემდეგნაირად:
კოორდინატის გაზომვის ცდომილება გამრავლებული სიჩქარის გაზომვის ცდომილებაზე, ყოველთვის მეტია ვიდრე (h) პლანკის მუდივა გაყოფილი მასაზე.
ცხადია, რომ თუ ზუსტად გავზომავთ ნაწილაკის მდებარეობას, მაშინ არაფერი ვიცით მისი სიჩქარის შესახებ და პირიქით. შესაბამისად, ლაპლასის იდეას, რომელიც გულისხმობდა, რომ ჩვენ ერთდროულად, დროის ერთი და იგივე მომენტში უნდა გვცოდნოდა ნაწილაკების სიჩქარეები და მდებარეობა, ჰაიზენბერგის პრინციპი ძირს უთხრის, რადგან რეალურად შეუძლებელია ამ ორი სიდიდის ერთდროულად ზუსტად გაზომვა. ასე, რომ როგორი სწრაფი კომპიუტერებიც არ უნდა გვქონდეს ზემოთნახსენები განტოლებების დასათვლელად, აზრი აღარ აქვს, რადგან თუ არასწორი მონაცემები გადავეცით, შედეგადაც არასწორ გამოთვლებს მივიღებთ.
აინშტაინს ძალიან აწუხებდა შემთხვევითობის პრობლემა. მისი საყვარელი ფრაზა იყო: „მე არ მჯერა, რომ ღმერთი კამათელს აგორებს“. იგი თვლიდა, რომ განუზღვრელობის პრინციპი დროებითია, რომ ნაწილაკებს აქვთ მკაცრად განსაზღვრული სიჩქარე და მდებარეობა და რომ ისინი აღიწერებიან დეტერმინიზირებული კანონებით ლაპლასის პრინციპის მიხედვით. იგი ამბობდა, რომ ეს ყველაფერი ღმერთისთვის ნათელია და ჩვენ სინათლის კვანტური ბუნების გამო ვერ ვხედავთ ამას.
სხვა მეცნიერები უფრო მზად აღმოჩნდნენ XIX საუკუნის დეტერმინიზმის ხედვის მოდიფიცირებისთვის. კვანტური თეორია განავითარეს ჰაიზენბერგმა, ავსტიელმა მეცნიერმა შრედინგერმა და ინგლისელმა ფიზიკოსმა დირაკმა. კვანტური მექანიკა დაახლოებით 70 წელია რაც არსებობს და დღემდე ბოლომდე არ არის გაგებული და აღიარებული იმ ხალხისგანაც კი, ვინც იყენებს ამ მოდელს გამოთვლებში. კვანტური თეორია ეს მთლიანად სხვა სურათია ფიზიკური სამყაროსი და რეალობის. კვანტურ მექანიკაში ნაწილაკებს არ გააჩნიათ ცალსახად განსაზღვრული პოზიცია და სიჩქარე. ისინი წარმოდგენილი არიან ე.წ. ტალღური ფუნქციით (რაც გულისხმობს სივრცის სხვადასხვა წერტილებში რაღაც მნიშვნელობების მოცემას). ტალღის სიგრძე გვაძლევს ალბათობას, რომ ნაწილაკი აღმოჩნდება სივრცის კონკრეტულ წერტილში. სიდიდე, რომლითაც იგი იცვლება წერტილიდან წერტილამდე გვაძლევს ნაწილაკის სიჩქარეს. ვთქვათ ტალღურ ფუნქციას აქვს მკვეთრი პიკი სივრცის რაიმე პატარა არეში. ეს ნიშნავს, რომ მდებარეობის განუზღვრელობა მცირეა. თუმცა ფუნქცია ძალიან სწრაფად შეიცვლება პიკის მახლობლად რაც ნიშნავს, რომ სიჩქარის განუზღვრელობა დიდი იქნება. შესაბამისად, შეიძლება გვქონდეს ტალღური ფუნქცია, რომელშიც მდებარეობის განუზღვრელობა იქნება დიდი, ხოლო სიჩქარის — მცირე.
ტალღური ფუნქცია შეიცავს ყველაფერს, რაც შეიძლება ვიცოდეთ ნაწილაკის შესახებ — მათ სიჩქარეებსაც და მდეობარეობასაც. თუ ჩვენ ვიცით ტალღური ფუნქცია დროის ერთ მომენტში, მაშინ ჩვენ შეგვიძლია შრედინგერის განტოლებით ვიპოვოთ იგი დროის სხვა მომენტშიც. ეს წააგავს დეტერმინიზმს, მაგრამ არა ლაპლასის ხედვით. იმის მაგივრად, რომ ვიწინასწარმეტყველოთ ნაწილაკის სიჩქარე და მდებარეობა, ჩვენ ვწინასწარმეტყველებთ ტალღურ ფუნქციას, რომელიც გვაძლევს ალბათობებს ნაწილაკის სივრცის მოცემულ წერტილში აღმოჩენისას და მისი სიჩქარისას. რაც მხოლოდ ნახევარია იმისა რასაც ლაპლასი გულისხმობდა…
ასევე პრობლემას ქმნის გრავიტაცია, რომელიც ისე ამრუდებს სივრცე-დროს, რომ არსებობს ისეთი არეები, რომლებსაც ჩვენ უბრალოდ ვერ ვაკვირდებით.
საინტერესოა, რომ 1799 წელს ლაპლასმა გამოაქვეყნა წერილი, სადაც იგი ამბობდა, რომ არსებობენ ისეთი ვარსკვლავები, რომლებსაც აქვთ იმდენად მძლავრი გრავიტაციული ველი, რომ თვით სინათლის სხივიც ვერ გამოდის მათგან. იგივე იდეა გამოთქვა 16 წლის წინ მიტჩელმა. ისინი, ორივე ფიქრობდნენ რომ სინათლის სხივი ეს არის ნაწილაკების ნაკადი და ხსნიდნენ გრავიტაციული ველის ასეთ ზემოქმედებას მასზე. 1887 წელს მაიკელსონმა და მორლიმ ჩაატარეს შესანიშნავი ექსპერიმენტი, რომელშიც აჩვენეს, რომ სინათლეს აქვს ყოველთვის ერთი და იგივე სიჩქარე მიუხედავად იმისა, საიდან მოდის იგი. შეუძლებელი იყო, რომ სივრცეზე და დროზე მაშინდელი მოსაზრებებით აეხსნათ ეს მოვლენა. მაგრამ 1915 წელს გამოქვეყნებული აინშტაინის რევოლუციური ფარდობითობის ზოგადი თეორია მთლიანად ცვლის ჩვენს წარმოდგენებს სივრცეზე და დროზე. იგი განიხილავს ერთ ობიექტს სივრცე-დროს, რომელშიც ორივე (სივრცეც და დროც) არ არიან დამოუკიდებლები და განცალკევებულები, ისინი ერთი ობიექტია. მათ უბრალოდ აქვთ სხვადასხვა მიმართულება ერთ ობიექტში — „სივრცე-დრო“. აინშტაინი ამბობდა, რომ სივრცე-დრო არ არის ბრტყელი, მას ამრუდებენ მასში არსებული მატერია და ენერგია.
წარმოვიდგინოთ გაჭიმული ნაჭერი და მასში მოთავსებული მასიური სხეული (ნახსენები ვარსკვლავის ანალოგად). ცხადია, რომ ეს სხეული თავისი წონის გამო მის მახლობლად გაამრუდებს ნაჭერს. ახლა წარმოვიდგინოთ, რომ ამ ნაჭერზე ვიღაცამ გააგორა ბურთულა. გასაგებია, რომ ამ ბურთის მოძრაობის ტრაექტორია გამრუდდება მასიური სხეული მახლობლად, იმის მაგივრად, რომ იყოს სწორხაზოვანი. დაახლოებით ეს არის სივრცე-დროის გამრუდების ადვილად წარმოსადგენი მაგალითი. 1919 წელს ბრიტანულმა ექსპედიციამ ჩაატარა ექსპერიმენტი დასავლეთ აფრიკაში საიდანაც აკვირდებოდნენ ვარსკვლავებიდან მოსულ სინათლის სხივებს, რომლებიც გაივლიდნენ მზის მახლობლად. მათ ნახეს, რომ ვარსკვლავების გამოსახულება იყო წანაცვლებული, რაც გამოწვეული იყო სინათლის სხივის ტრაექტორიის შეცვლით. ფარდობითობის ზოგადი თეორია იქნა მიღებული.
წარმოვიდგინოთ ახლა უფრო მეტად და მეტად ძმიმე და მკვრივი სხეული ჩვენს ნაჭერზე. იგი უფრო მეტად ჩაზნიქავს მას და რომელიღაც კრიტიკულ მომენტში გაჩნდება ხვრელი ჩვენს ნაჭერზე (ბუნებრივია ნაჭერი გაიხევა). ამის შემდეგ ყველა ბურთულა ჩავარდება ამ ხვრელში და არაფერი ამოვა იქიდან.
რა ხდება სივრცე-დროში ამის ანალოგად? ვარსკვლავი ამრუდებს სივრცე-დროს მის მახლობლად და რაც უფრო მასიური და კონცენტრირებულია მით უფრო მეტად და მეტად.. მასიური ვარსკვლავები ჩაქრობის შემდეგ იწყებენ გაციებას და შეკუმშვას და საბოლოოდ ისინი ისე ამრუდებენ მათ მახლობლად სივრცე-დროს, რომ ქმნიან ზუსტად ისეთივე ხვრელს, როგორიც განვიხილეთ ნაჭრის მაგალითზე. სინათლესაც კი არ შეუძლია იქიდან გამოსვლა. ასეთ ობიექტებს ეწოდათ შავი ხვრელები.
დღეს ჩვენ შეგვიძლია, რომ დავაკვირდეთ შავ ხვრელებს და ვიცით, რომ ისინი ნამდვილად არსებობენ ჩვენი გალაქტიკის ცენტრში. რა მნიშვნელობა აქვთ მათ დეტერმინიზმის საკითხთან?? პასუხი წერია სტიკერზე, რომელიც მე მაქვს გაკრული კარებზე:
შავი ხვრელები არიან ჩვენი მეთვალყურეობის მიღმა.
არამარტო ნაწილაკები, არამედ უბედური ასტორავტებიც რომლებიც მოხვდებიან შავ ხვრელში ვეღარასოდეს ამოვლენ იქიდან; და რაც ყველაზე მთავარია, ინფორმაცია რომელსაც ის ობიექტები ატარებენ, რომლებიც მოხვდებიან შავ ხვრელში სამუდამოდ დაკარგული იქნება ჩვენთვის. მინიმუმ, სამყაროს იმ არიდან, რომლიდანაც ჩვენ ვაკვირდებით (ვუყურებთ) შავ ხვრელებს.
შავი ხვრელების შემთხვევაში სიტუაცია უფრო განსხვავებულია ვიდრე განუზღვრელობის და კვანტურობის პრობლემაში. რაც არ უნდა მოხვდეს შავ ხვრელში, შედეგად ჩვენ შეგვიძლია გავიგოთ, მხოლოდ საერთო მასა. ანუ, აღარ გვაქვს ერთი-ერთზე შესაბამისობა საწყის და საბოლოო მდგომარეობებს შორის, რასაც გულისხმობდა ლაპლასი დეტერმინიზმის იდეაში. შედეგი ერთია, რომ ნებისმიერი ინფორმაციას ჩვენ ვკარგავთ შავ ხვრელში (სამყარის იმ არიდან მაინც საიდანაც ვაკვირდებით შავ ხვრელს). შესაბამისად არ შეგვიძლია, არსებული მდგომარეობიდან ვიწინასწარმეტყველოთ შემდეგი მდგომარეობა. კვანტურ თეორიაში ჩვენ შეგვეძლო რაღაც დოზით მაინც ამის კეთება ტალღური ფუნქციის დათვლით, მაგრამ ამ შემთხვევაში ჩვენ მთლიანად ვკარგავთ ინფორმაციას. ასე, რომ აინშტაინი ორმაგად ცდებოდა, როდესაც ის ამბობდა, რომ ღმერთი კამათლით არ თამაშობს, რომ მოვლენები წინასწარგანსაზღვრულია. ღმერთი აგორებს კამათელს და თან ხანდახან შავ ხვრელშიც აგდებს, რომ ჩვენ ვერაფერი გავიგოთ.
შევაჯამოთ, რისი თქმა მინდოდა ამ ლექციაში. მთავარი შეკითხვა: სამყარო რენდომულად, თვითნებურად ვითარდება თუ ის დეტერმინიზირებულია? კლასიკური შეხედულებებით ნაწილაკების მოძრაობა მთლიანად განსაზღვრადი იყო თუ ჩვენ გვეცოდინებოდა მათი სიჩქარეები და მდებარეობები. მაგრამ კვანტურმა თეორიამ და ჰაიზენბერგის განუზღვრელობის პრინციპმა დაგვანახა, რომ ჩვენ ვერ განვსაზღვრავთ ნაწილაკის სიჩქარეს და მდებარეობას ერთრდოულად ორივეს ზუსტად, ხოლო შავი ხვრელების ეფექტმა გვიჩვენა, რომ ჩვენ მთლიანად ვკარგავთ ინფორმაციას იმ ნაწილაკებზე, რომლებიც მოხვდებიან მასში. ასე, რომ სამყაროს მომავალი არ არის მთლიანად განსაზღვრადი ფიზიკის დღეისთვის ცნობილი კანონებით. ყოველ შემთხვევაში, ლაპლასის ხედვით მაინც.
ღმერთს კვლავ აქვს შემონახული სხვადასხვა ხრიკები ჩვენს მოსატყუებლად.