LAWRENCE M. KRAUSS

FIZYKA PODRÓŻY MIĘDZYGWIEZDNYCH

( Przełożyli: Ewa L. Łokas; Bogumił Bieniok)

PRZEDMOWA

Było mi bardzo miło, że Data zdecydował się zaprosić Newtona, Einsteina i mnie na partyjkę pokera na pokładzie kosmicznego statku Enterprise. Miałem okazję zdobyć przewagę nad dwoma wielkimi ludźmi grawitacji, zwłaszcza nad Einsteinem, który nie wierzył w przypadek, czyli w to, że Bóg gra w kości. Niestety, nie udało mi się zabrać ze sobą wygranej, ponieważ musieliśmy porzucić grę z powodu alarmu. Kontaktowałem się później ze studiem Paramount, aby zamienić żetony na gotówkę, ale jego przedstawiciele nie znali kursu wymiany.

Fantastyka naukowa, do której należy Star Trek, służy nie tylko dobrej zabawie, ale także poważniejszym celom, takim jak rozszerzanie ludzkiej wyobraźni. Być może nie potrafimy dotrzeć tam, gdzie nie stanęła dotąd ludzka stopa, ale możemy spróbować dokonać tego przynajmniej w wyobraźni. Możemy przewidywać reakcje ludzkości na przyszły postęp w nauce i spekulować na temat charakteru tego postępu. Wymiana myśli między fantastyką naukową a nauką zachodzi w obie strony. Fantastyka dostarcza pomysłów, które naukowcy włączają do swoich teorii, ale czasami to właśnie nauka stwarza pojęcia, które nie przyszłyby do głowy żadnemu autorowi science fiction. Przykładem są czarne dziury, do których rozgłosu walnie przyczyniła się trafna nazwa nadana im przez Johna Archibalda Wheelera. O „zamarzniętych gwiazdach” lub „obiektach całkowicie zapadniętych grawitacyjnie”, jak początkowo nazywano czarne dziury, nie napisano by zapewne nawet połowy tego, co mieliśmy okazję przeczytać.

Zarówno Stor Trek, jak i inne utwory fantastycznonaukowe, poświęcają szczególnie dużo uwagi podróżom z prędkościami ponadświetlnymi. Rzeczywiście, trudno wyobrazić sobie bez nich fabułę Star Trek. Gdyby Enterprise mógł przemieszczać się jedynie z prędkościami choćby niewiele mniejszymi od prędkości światła, podróż do środka Galaktyki i z powrotem trwałaby dla załogi tylko kilka lat, ale na Ziemi upłynęłoby w tym czasie 80 tysięcy lat. Nie byłoby mowy o ponownym spotkaniu z rodziną!

Na szczęście ogólna teoria względności Einsteina stwarza możliwość obejścia tej trudności: można zakrzywić czasoprzestrzeń i stworzyć drogę na skróty między miejscami, które chce się odwiedzić. Mimo pojawiających się wtedy problemów z ujemną energią, takie zakrzywianie czasoprzestrzeni może być dla nas w przyszłości wykonalne. Jak dotąd nie prowadzono w tej dziedzinie zbyt wielu poważnych badań, po części, jak sądzę, dlatego, że za bardzo przypomina to fantastykę naukową. Jedną z konsekwencji szybkich podróży międzygwiezdnych byłaby możliwość podróży wstecz w czasie. Można sobie jednak wyobrazić krzyk, jaki podniosłaby opinia publiczna w obronie pieniędzy podatników, gdyby ogłoszono, że rządowe agendy wspierają finansowo badania nad podróżami w czasie. Naukowcy pracujący w tej dziedzinie muszą zatem ukrywać swoje prawdziwe zainteresowania, używając technicznych terminów, takich jak „zamknięte krzywe czasowe”, które oznaczają po prostu podróże w czasie. Jednakże dzisiejsza fantastyka naukowa staje się często naukowym faktem jutra. Fizyka leżąca u podstaw Star Trek jest niewątpliwie warta zbadania. Ograniczenie poszukiwań do spraw czysto ziemskich byłoby równoznaczne z narzucaniem ograniczeń ludzkiemu duchowi.

STEPHEN HAWKING

WSTĘP

Dlaczego zajmując się fizyką podróży międzygwiezdnych, zagłębimy się w świat Star Trek? Dzieło Gene'a Rodden-berry'ego jest przecież fantastyką i nie przedstawia faktów naukowych. Wiele cudów techniki w tym serialu odwołuje się więc z konieczności do pojęć, które mogą być niewłaściwie zdefiniowane lub w inny sposób pozostają w sprzeczności z naszą obecną wiedzą o Wszechświecie. Nie chciałem napisać książki poświęconej tylko wyliczeniu kwestii, w których twórcy Star Trek nie mieli racji.

Nie mogłem jednak uwolnić się od myśli o tej książce. Przyznam się, że tak naprawdę oczarował mnie transporter. Myślenie o tym, jakim wyzwaniom należałoby sprostać tworząc taką fantastyczną technologię, zmusza do rozważenia szerokiego wachlarza tematów: od komputerów i przekazu informacji po zagadnienia fizyki cząstek elementarnych, mechaniki kwantowej, fizyki jądrowej, budowy teleskopów, zawiłości biologii, a nawet problem istnienia ludzkiej duszy! Do tego doszły jeszcze takie pojęcia, jak zakrzywiona czasoprzestrzeń i podróże w czasie, i tak temat ten wciągnął mnie bez reszty.

Wkrótce zdałem sobie sprawę, że to, co było dla mnie tak fascynujące, bliskie jest temu, co niezmiennie pociąga dzisiejszych wielbicieli Star Trek, prawie trzydzieści lat po wyemitowaniu pierwszego odcinka serialu. Tym czymś, jak to ujął Q, wszechmocny żartowniś ze Star Trek, jest „badanie nieznanych możliwości istnienia”. Q zapewne zgodziłby się ze mną, że samo wyobrażanie sobie tych możliwości to już dobra zabawa.

W przedmowie do tej książki Stephen Hawking stwierdza, że fantastyka naukowa pomaga rozwijać ludzką wyobraźnię. Rzeczywiście, badanie nieskończonych możliwości, jakie niesie przyszłość - łącznie ze światem, w którym, przezwyciężywszy napięcia międzynarodowe i uprzedzenia rasowe, ludzkość wyrusza, by w pokoju badać Wszechświat -jest częścią nie słabnącego powodzenia Stor Trek. Ponieważ wydaje mi się to istotną cechą cudu współczesnej fizyki, na tych właśnie możliwościach postanowiłem się skoncentrować w niniejszej książce.

Jak wynika z przeprowadzonych przeze mnie pewnego dnia nieformalnych badań w trakcie spaceru po miasteczku uniwersyteckim, liczba ludzi w Stanach Zjednoczonych, którzy nie znają wyrażenia „prześlij mnie, Scotty”, jest w zasadzie porównywalna z liczbą ludzi, którzy nigdy nie słyszeli o ketchupie. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że wystawa na temat statku Enterprise, zorganizowana przez Smithsonian Institution w Waszyngtonie, cieszyła się największym powodzeniem w całej historii tamtejszego Muzeum Lotnictwa i Lotów Kosmicznych -większym nawet, niż pokazywany tam prawdziwy statek kosmiczny - staje się oczywiste, iż Star Trek jest dla wielu ludzi symbolem zaciekawienia Wszechświatem. Czy istnieje lepszy kontekst, w którym można by przedstawić jedne z najciekawszych teorii fizyki dnia dzisiejszego i wskazać, w jakim kierunku podąży fizyka jutra? Mam nadzieję, że ta podróż będzie dla czytelników tej książki równie fascynująca, jak dla mnie.

Szerokiej drogi!

CZĘŚĆ I

KOSMICZNY POKER

W części tej fizyka amortyzatorów bezwładności

i wiązek holowniczych przeciera szlak dla podróży w czasie,

napędu czasoprzestrzennego, deflektorów,

tuneli czasoprzestrzennych i innych osobliwości czasoprzestrzeni.

ROZDZIAŁ I

OTWARCIE NEWTONA

Gdziekolwiek pójdziesz, tam będziesz.

Z tablicy na statku Exelsior.

Star Trek VI: Nieznany kraj

(prawdopodobnie zapożyczenie z Przygód Buckaroo Banzai)

Znajdujesz się za sterem statku kosmicznego Defiant (NCC-1764), krążącego właśnie po orbicie wokół planety Iconia, w pobliżu strefy neutralnej. Masz spotkać się na drugim końcu tego układu słonecznego ze statkiem będącym składem części zamiennych, by zdobyć części potrzebne do zreperowania głównych cewek zasilających transporter. Nie musisz rozwijać prędkości czasoprzestrzennych; ustawiasz tylko na pełną moc silnik pulsacyjny, aby spokojnie podróżować z prędkością równą połowie prędkości światła. Powinno to wystarczyć do osiągnięcia celu w ciągu kilku godzin; w tym czasie będziesz mógł zaktualizować dziennik pokładowy. W miarę oddalania się od orbity zaczynasz jednak odczuwać silny ucisk w klatce piersiowej. Ręce ci ciążą i przyklejasz się do fotela. Twoje usta zamierają w grymasie, masz wrażenie, że za chwilę oczy wyskoczą ci z orbit, a płynąca w twoim ciele krew nie chce dochodzić do głowy. Powoli tracisz świadomość... i w ciągu kilku minut umierasz.

Co się stało? Nie są to pierwsze oznaki międzyfazowego znoszenia przestrzennego, które później obejmie cały statek, ani atak ukrytego dotąd statku romulańskiego. Padłeś ofiarą czegoś znacznie potężniejszego. Pomysłowi twórcy serialu Star Trek, od których jesteś uzależniony, nie wynaleźli jeszcze amortyzatorów bezwładności; urządzenia te dopiero później zostaną wprowadzone do serialu. Zostałeś pokonany przez coś tak zwykłego, jak prawa ruchu Izaaka Newtona, o których uczymy się w szkole, lecz zazwyczaj szybko zapominamy.

Już słyszę głosy trekkerów:¹ „Ale beznadzieja! Nie częstuj mnie Newtonem. Opowiedz mi o czymś naprawdę interesującym, na przykład jak działa napęd czasoprzestrzenny lub co to za błysk pojawia się przy osiąganiu prędkości czasoprzestrzennych (czy przypomina uderzenie dźwiękowe przy przekraczaniu prędkości dźwięku?), albo co to takiego ten kryształ dwulitu?” W tej chwili mogę jedynie powiedzieć, że dojdziemy i do tego. Podróżowanie po świecie Stor Trek wiąże się z najbardziej niezwykłymi pojęciami w fizyce. Zetkniemy się z wieloma różnymi problemami, zanim będziemy mogli zadać najbardziej fundamentalne pytanie związane ze Star Trek: czy coś z tego może zdarzyć się naprawdę, a jeśli tak, to w jaki sposób?

Zanim udamy się tam, gdzie nikt jeszcze nie dotarł - zanim nawet wyjdziemy z Kwatery Głównej Gwiezdnej Floty - musimy stawić czoło tym samym zagadnieniom, z którymi ponad trzysta lat temu zmagali się Galileusz i Newton. W przeciwnym razie nigdy nie uda nam się rozstrzygnąć kosmicznego pytania, tkwiącego u źródeł wizji Gene'a Roddenberry'ego, twórcy Star Trek: co, na podstawie współczesnej nauki, możemy powiedzieć na temat przyszłości naszej cywilizacji? Pytanie to leży u podstaw tej książki.

Każdy, kto kiedykolwiek znajdował się w samolocie lub szybkim samochodzie, zna uczucie wgniatania w fotel, gdy pojazd rusza z dużym przyspieszeniem. Zjawisko to jeszcze silniej daje się odczuć na pokładzie statku kosmicznego. Reakcje syntezy w silniku pulsacyjnym wytwarzają olbrzymie ciśnienia, które wypychają z dużymi prędkościami gazy i promieniowanie ze statku. To właśnie siła reakcji wywierana na silniki przez uciekający gaz i promieniowanie powoduje „odrzut” w przód. Ponieważ statek jest połączony z silnikami, również zostaje „odrzucony”. Także osoba siedząca przy sterach jest popychana do przodu za sprawą siły wywieranej przez fotel na ciało, które z kolei działa taką samą siłą na fotel.

I tu właśnie tkwi sedno sprawy. Młotek uderzający z dużą prędkością w Twoją czaszkę działa z siłą, która może okazać się śmiertelna. Na podobnej zasadzie może Cię zabić fotel, na którym siedzisz, jeśli siła, którą zadziała on na Twoje ciało, będzie zbyt wielka. Piloci samolotów odrzutowych i statków kosmicznych nazywają siły, jakim poddawane są ich ciała w trakcie dużych przyspieszeń (w samolocie lub podczas wystrzeliwania statku kosmicznego) siłami G. Mogę je opisać posługując się przykładem swoich bolących pleców. Kiedy pracuję na komputerze, zawsze czuję nacisk krzesła na pośladki - presję, z którą nauczyłem się żyć (choć, mógłbym dodać, moje pośladki reagują na to w bardzo niehigieniczny sposób). Siła działająca na moje pośladki ma swoje źródło w grawitacji, która, gdyby nic jej nie przeciwdziałało, spowodowałaby mój ruch w kierunku Ziemi. Powstrzymuje mnie przed tym - czyli przed upadkiem na podłogę - Ziemia, wywierając skierowaną przeciwnie siłę na żelbetonową konstrukcję mojego domu, która działa siłą skierowaną ku górze na drewnianą podłogę mojego gabinetu na pierwszym piętrze; z kolei podłoga działa na krzesło, wywierające siłę na tę część mojego ciała, która znajduje się z nim w kontakcie... Gdyby Ziemia miała dwa razy większą masę, ale taką samą średnicę, nacisk wywierany na moje pośladki byłby dwa razy większy. Siły skierowane ku górze musiałyby być dwukrotnie większe, aby zrównoważyć siłę grawitacji.

Te same czynniki należy wziąć pod uwagę w przypadku podróży kosmicznych. Jeśli siedzisz w fotelu kapitana i wydajesz polecenie przyspieszenia statku, musisz wziąć pod uwagę siłę, z jaką będzie na Ciebie oddziaływał fotel. Gdy zwiększysz przyspieszenie dwukrotnie, działająca na Ciebie siła również wzrośnie dwa razy. Im większe przyspieszenie, tym większa siła. Jedyny problem polega na tym, że żaden materiał - a już na pewno nie Twoje ciało - nie wytrzyma działania siły potrzebnej do przyspieszenia statku do prędkości pulsacyjnych.

Ten sam problem pojawia się wielokrotnie w serialu Stor Trek, nawet wówczas, gdy akcja filmu dzieje się na Ziemi. Na początku Star Trek V: Ostateczna granica James Kirk, bawiący na wakacjach w Parku Narodowym Yosemite, wspina się bez asekuracji. Nagle potyka się i spada. Spock, który ma na sobie buty rakietowe, pędzi na ratunek i chwyta kapitana, gdy ten znajduje się już metr czy dwa nad ziemią. Niestety, jest to jeden z tych przypadków, kiedy rozwiązanie może być tak samo fatalne w skutkach, jak sam problem. To właśnie proces hamowania na dystansie kilku centymetrów może być śmiercionośny, niezależnie od tego, czy spada się na Ziemię czy w objęcia Spocka Vulcana.

Zanim jeszcze pojawią się siły reakcji, które rozerwą lub połamią Twoje ciało, na scenę wkroczą inne poważne fizjologiczne problemy. Co najważniejsze, Twoje serce nie będzie już mogło pompować krwi wystarczająco silnie, aby docierała ona do głowy. Dlatego właśnie piloci wojskowi czasami tracą świadomość w trakcie wykonywania manewrów wymagających dużych przyspieszeń. Aby temu zapobiec, wynaleziono nawet specjalne skafandry wymuszające przepływ krwi z nóg pilotów. Te zaburzenia fizjologiczne są jednym z czynników, które należy wziąć pod uwagę przy określaniu, jak wielkie może być przyspieszenie współczesnego statku kosmicznego. Dlatego też NASA nigdy nie wystrzeliła na orbitę ludzi z wielkiej armaty, jak proponował Juliusz Verne w powieści Podróż na Księżyc.

Jeśli chcę przyspieszyć rakietę od stanu spoczynku do, powiedzmy, 150 tyś. Km/s, czyli do połowy prędkości światła, muszę to robić stopniowo - tak, by moje ciało nie uległo rozerwaniu. Abym uniknął wgniatania w fotel z siłą większą niż 3G, moje przyspieszenie nie może przekroczyć trzykrotnej wartości przyspieszenia, z jakim przedmioty spadają na ziemię. W tym tempie osiągnięcie połowy prędkości światła zajęłoby około 5 milionów sekund, czyli blisko 2,5 miesiąca! Nie byłoby to ekscytujące wydarzenie.

Wkrótce po wyprodukowaniu pierwszego statku kosmicznego klasy konstytucyjnej - Enterprise (NCC-1701) - autorzy Star Trek musieli odpowiedzieć na krytykę dotyczącą tego, że olbrzymie przyspieszenia na pokładzie statku kosmicznego powinny zmieniać jego załogę w marmoladę². Aby rozwiązać ten problem, wynaleźli „amortyzatory bezwładności”, rodzaj kosmicznych pochłaniaczy uderzenia, bardzo przemyślne urządzenie, zaprojektowane w celu rozwiązania tego dokuczliwego problemu.

Amortyzatory bezwładności najłatwiej zauważyć, gdy ich nie ma. Na przykład statek Enterprise ledwie uniknął zniszczenia po utracie kontroli nad swoimi amortyzatorami bezwładności, kiedy elektroniczne formy życia, znane jako Nanici, zaczęły, w ramach swojego procesu ewolucyjnego, chrupać pamięć centralnego komputera statku. Łatwo zauważyć, że prawie każdą katastrofę Enterprise (która zdarza się zwykle w najmniej odpowiedniej chwili) poprzedza awaria amortyzatorów bezwładności. Skutki podobnej utraty kontroli na romulan-skim statku Wdrbird umożliwiły nam przekonanie się, że krew Romulan jest zielona.

Niestety, podobnie jak w przypadku większości technologii we wszechświecie Stor Trek, o wiele łatwiej jest opisać problem, który rozwiązują amortyzatory bezwładności, niż dokładnie wyjaśnić, jak mogłyby one działać. Pierwsze Prawo Fizyki Star Trek musi więc brzmieć: im bardziej podstawowy jest problem, który chce się rozwiązać, tym bardziej niezwykłe musi być rozwiązanie. Przyczyną, dla której doszliśmy tak daleko i dla której możemy w ogóle spodziewać się przyszłości takiej, jaką pokazano w Star Trek, jest specyfika fizyki, która rozwija się odwołując się do własnych podstaw. Przyszłość będzie więc musiała poradzić sobie nie tylko z danym problemem w fizyce, ale także z każdym fragmentem wiedzy fizycznej, który wiąże się z tym właśnie problemem. Postęp w fizyce dokonuje się nie dzięki rewolucjom, które znoszą wszystko, co było przedtem, ale drogą ewolucji, która wykorzystuje to, co najlepsze w dotychczasowym rozumieniu świata. Prawa Newtona będą tak samo prawdziwe za milion lat jak obecnie, bez względu na to, jak dalece rozszerzymy granice nauki. Upuszczona piłka zawsze spadnie na ziemię. Jeśli będę siedział przy biurku i pisał przez całą wieczność, moje pośladki zawsze będą tak samo cierpiały.

Czego by nie powiedzieć, nie byłoby w porządku, gdybyśmy zostawili amortyzatory bezwładności bez jakiegokolwiek dokładniejszego opisu ich działania. Jak już wcześniej stwierdziłem, muszą one tworzyć wewnątrz statku kosmicznego sztuczny świat, w którym znika siła reakcji na siłę przyspieszającą. Przedmioty znajdujące się wewnątrz statku zostają „oszukane”; mają zachowywać się tak, jak gdyby nie było przyspieszenia. Opisywałem już, w jaki sposób przyspieszenie imituje grawitację. Związek ten, który stał się podstawą ogólnej teorii względności Einsteina, jest o wiele głębszy, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Amortyzatory bezwładności mogą więc działać tylko na jednej zasadzie: muszą wytwarzać wewnątrz statku sztuczne pole grawitacyjne, które znosi siły reakcji.

Nawet, jeśli przyjmiemy tę możliwość, pozostają jeszcze inne praktyczne sprawy, jak choćby to, że włączenie się amortyzatorów bezwładności po pojawieniu się nieoczekiwanego impulsu wymaga czasu. Kiedy na przykład Enterprise został uwięziony w pętli przyczynowej przez Bozemana, gdy ten ostatni wynurzał się z zakrzywienia czasowego, załoga została rozrzucona po całym obszarze mostka (zanim jeszcze nastąpiła awaria napędu czasoprzestrzennego i amortyzatorów). W opisie technicznym Enterprise wyczytałem, że czas reakcji amortyzatorów bezwładności wynosi około 60 milisekund³. Wydaje się on krótki, ale takie opóźnienie podczas zaprogramowanych okresów przyspieszania wystarczyłoby, żeby Cię zabić. Aby się o tym przekonać, pomyśl, ile czasu potrzebuje spadający z wysoka młotek, by rozbić ci głowę, lub ziemia, by zabić człowieka spadającego ze stromego urwiska w Parku Narodowym Yosemite? Wystarczy pamiętać, że zderzenie z prędkością 20 km/h jest równoważne kolizji biegacza z murem z cegieł! Lepiej więc, żeby amortyzatory bezwładności miały krótki czas reakcji. Kilku znajomych trekkerów zauważyło, że kiedy statek zostaje uderzony, nikogo z załogi nie odrzuca na odległość większą niż parę metrów.

Zanim opuścimy znany świat fizyki klasycznej, chciałbym wspomnieć o innym cudzie technologii, który, aby działać, musi brać pod uwagę prawa Newtona, a mianowicie o wiązce holowniczej na Enterprise. Odegrała ona pewną rolę w czasie ratowania kolonii Genomów na Moabie IV, odchylając zbliżający się fragment jądra gwiazdy, a także w podobnej próbie, (choć zakończonej niepowodzeniem) uratowania Bre'ela IV przez skierowanie planetoidalnego księżyca z powrotem na orbitę. Na pierwszy rzut oka wiązka holownicza wygląda prosto - mniej więcej tak jak niewidzialna lina lub wędka - nawet jeśli wywierana przez nią siła jest niezwykła. Podobnie jak mocna lina, wiązka holownicza świetnie sobie radzi z wciąganiem wahadłowca, holowaniem innego pojazdu lub zapobieganiem ucieczce wrogiego statku kosmicznego. Jedyny problem polega na tym, że kiedy ciągniemy coś na linie, musimy się uczepić Ziemi lub innego ciężkiego przedmiotu. Każdy, kto kiedykolwiek jeździł na łyżwach, wie, co się dzieje, gdy znajdujemy się na lodzie i próbujemy odepchnąć kogoś od siebie. Udaje nam się rozdzielić, ale bez punktu zaczepienia stajemy się bezradną ofiarą własnej bezwładności.

Ta właśnie zasada skłoniła kapitana Jeana-Luca Picarda w odcinku pod tytułem Bitwa do wydania polecenia porucznikowi Rikerowi, aby wyłączył wiązkę holowniczą; Picard zauważył, że holowany statek będzie przemieszczał się obok nich dzięki swojemu własnemu pędowi - własnej bezwładności. Na tej samej zasadzie, gdyby Enterprise spróbował użyć wiązki holowniczej do oddalenia od siebie Stargazera, powstała siła popchnęłaby Enterprise do tyłu tak samo, jak Stargazera do przodu.

To zjawisko ma duży wpływ na sposób, w jaki obecnie pracuje się w przestrzeni kosmicznej. Załóżmy na przykład, że jesteś astronautą, który ma dokręcić śrubę w Kosmicznym Teleskopie Hubble'a. Jeśli zabierzesz ze sobą w tym celu śrubokręt elektryczny, po dotarciu na miejsce może Cię czekać niemiła niespodzianka. To, że uda Ci się dokręcić śrubę, jest tak samo prawdopodobne jak to, że Ty sam zaczniesz się wtedy obracać.

Dzieje się tak dlatego, że teleskop Hubble'a jest o wiele cięższy od Ciebie. Kiedy śrubokręt działa pewną silą na śrubę, silą reakcji, jaką odczuwasz, obróci raczej Ciebie niż śrubę, zwłaszcza Jeśli śruba trzyma się dość mocno. Jeśli jednak - podobnie jak zabójcy Kanclerza Gorkona - jesteś szczęśliwym posiadaczem butów grawitacyjnych, które utrzymują Cię pewnie na każdym podłożu, możesz się przemieszczać tak samo skutecznie jak na Ziemi.

Można też zobaczyć, co się stanie, gdy Enterprise spróbuje przyciągnąć do siebie inny statek kosmiczny. O ile Enterprise nie jest znacznie cięższy od tego statku, po włączeniu się wiązki holowniczej to on będzie się przysuwał do drugiego obiektu, a nie odwrotnie. W przestrzeni kosmicznej to rozróżnienie nie ma wielkiego znaczenia. Bez znajdującego się w pobliżu układu odniesienia skąd możemy wiedzieć, kto kogo ciągnie? Jeżeli znajdujesz się jednak na planecie tak pechowej, jak Moab IV, na drodze zagubionej gwiazdy, to nie jest bez znaczenia., czy Enterprise odsuwa na bok gwiazdę, czy gwiazda statek.

Jeden z moich znajomych trekkerów utrzymuje, że sposób obejścia tego problemu został już pośrednio zasugerowany przynajmniej w jednym odcinku: gdyby Enterprise użył swoich silników pulsacyjnych, kiedy włączona jest wiązka holownicza, działając w przeciwnym kierunku siłą swoich silników mógłby skompensować wywieraną nart siłę, gdy jest ciągnięty lub na coś pchany. Jak twierdzi ów trekker, powiedziano gdzieś, że aby wiązka holownicza mogła działać, musi być uruchomiony napęd pulsacyjny. Nigdy jednak nie zauważyłem, by Kirk lub Picard wydawali polecenie włączenia silników pulsacyjnych w trakcie używania wiązki holowniczej. Poza tym nie sądzę, aby społeczeństwo, które potrafi zaprojektować i zbudować amortyzatory bezwładności, potrzebowało takich siłowych rozwiązań. Pamiętając o tym, że Geordi LaForge musiał zakrzywić czasoprzestrzeń, aby spróbować cofnąć księżyc Bre'ela IV, sądzę, że ostrożna - choć na razie nieosiągalna - manipulacja przestrzenią i czasem równie skutecznie pomogłaby wykonać to zadanie. Aby lepiej to zrozumieć, musimy użyć amortyzatorów bezwładności i przeskoczyć jak najszybciej do współczesnego świata zakrzywionej przestrzeni i czasu.

ROZDZIAŁ 2

EINSTEIN PODNOSI STAWKĘ

Pewna młoda dama imieniem Aurora

Gdy nie pędziła szybciej od światła, była chora.

Kiedy razu pewnego w podróż wyjechała,

Na relatywny sposób się zdecydowała

i powróciła poprzedniego wieczora.

ANONIM

„Czas, ostateczna granica” - tak lub podobnie powinien zaczynać się każdy odcinek serialu Star Trek. Trzydzieści lat temu, w klasycznym odcinku Jutro będzie wczoraj, Enterprise rozpoczął podróże w czasie. (Właściwie już pod koniec wcześniejszego odcinka Nagi czas statek zostaje przerzucony w czasie o trzy dni wstecz - jest to jednak podróż tylko w jedną stronę). W wyniku bliskiego spotkania z „czarną gwiazdą” (termin „czarna dziura” nie funkcjonował jeszcze wtedy w kulturze masowej) statek przenosi się na Ziemię XX wieku. Dziś pojęcia tak niezwykłe, jak „tunele czasoprzestrzenne” i „osobliwości kwantowe”, pojawiają się regularnie w odcinkach najnowszej serii Star Trek: Voyager. Dzięki Albertowi Einsteinowi i tym, którzy poszli jego śladem, tkanina czasoprzestrzeni utkana jest z dramatów.

Chociaż każdy z nas jest podróżnikiem w czasie, przekonanie, iż jesteśmy skazani na podróż tylko w jednym kierunku -w przyszłość - podnosi historię ludzkości do rangi tragedii. Czego byśmy nie dali za możliwość podróży w przeszłość, ponownego przeżycia chwil chwały, naprawienia błędów, spotkania historycznych bohaterów, a może nawet uniknięcia katastrof lub po prostu powtórnego przeżycia młodości, korzystając z nabytej z wiekiem mądrości? Podróże w czasie przychodzą nam na myśl za każdym razem, gdy spoglądamy w gwiazdy, ale wydaje się, że jesteśmy na stałe uwięzieni w teraźniejszości. Pytanie, które inspiruje nie tylko twórczość dramatyczną, ale i zadziwiająco dużą część badań we współczesnej fizyce teoretycznej, można sformułować następująco: Jesteśmy czy nie Jesteśmy więźniami w kosmicznym pociągu czasu, który nie może zmieniać toru?

Początki nowoczesnego gatunku literackiego, który nazywamy fantastyką naukową, są ściśle związane z motywem podróży w czasie. Wczesny utwór Marka Twaina Jankes na dworze króla Artura jest bardziej beletrystyką niż fantastyką naukową, mimo że treść książki obraca się wokół przygód wynikających z przeniesienia nieszczęsnego Amerykanina do średniowiecznej Anglii. (Być może Twain nie zastanawiał się szczególnie nad naukowymi aspektami podróży w czasie, gdyż obiecał Picardowi na pokładzie Enterprise, że nie opisze swojego spojrzenia w przyszłość, kiedy już powróci do dziewiętnastego stulecia, przeskakując przez szczelinę czasową na Devidii II, w odcinku Strzałka czasu). Dopiero niezwykłe dzieło H. G. Wellsa Wehikuł czasu stworzyło paradygmat, na którym oparł się Stor Trek, Wells był absolwentem Imperiał College of Science and Technology w Londynie i rozmowy jego bohaterów, podobnie jak wypowiedzi załogi Enterprise, przesiąknięte są językiem naukowym.

Te odcinki serialu Star Trek, które opowiadają o podróżach w czasie, są niewątpliwie najbardziej twórcze i zmuszają do myślenia. W pierwszych dwóch seriach doliczyłem się ponad dwudziestu dwóch odcinków zajmujących się tym tematem. Podobnie jest w trzech pełnometrażowych filmach Star Trek oraz w odcinkach z serii Voyager i Stacja kosmiczna, które wyemitowano do chwili obecnej. Jeśli chodzi o Stor Trek, prawdopodobnie najbardziej fascynującym aspektem podróży w czasie jest niechęć do łamania Najwyższego Zakazu. Załogi Gwiezdnej Flory przestrzegane są przed ingerencją w normalny historyczny rozwój obcych cywilizacji, które odwiedzają. Cofnięcie się w czasie umożliwia jednak całkowitą likwidację teraźniejszości. Może nawet całkowicie zniweczyć historię!

Zarówno w literaturze fantastycznonaukowej, jak i w fizyce, pojawia się ten sam słynny paradoks: co się stanie, jeśli cofniesz się w czasie i zabijesz swoją matkę przed własnymi narodzinami? Niewątpliwie przestaniesz wtedy istnieć. Ale jeśli przestaniesz istnieć, nie będziesz mógł wrócić i zabić swojej matki. Skoro zaś nie zabiłeś swojej matki, nie przestałeś istnieć. Innymi słowy, jeśli istniejesz, to nie możesz istnieć, a jeśli nie istniejesz, to musisz istnieć.

Są jeszcze inne, mniej oczywiste, ale równie dramatyczne i zdumiewające pytania, które piętrzą się, gdy zaczynamy myśleć o podróżach w czasie. Na przykład w zakończeniu Strzałki czasu Picard pomysłowo wysyła wiadomość z XIX do XXIV wieku - wprowadza kod binarny do głowy Daty, wiedząc, że zostanie ona odnaleziona i połączona z jego ciałem prawie pięć wieków później. Patrzymy, jak wpisuje wiadomość, a następnie widzimy LaForge'a, który w XXIV stuleciu przytwierdza Dacie głowę. Widzowi te wydarzenia wydają się jednoczesne, ale takie nie są; po tym, jak Picard wprowadza wiadomość do głowy Daty, leży ona jeszcze przez pół tysiąclecia. Ale jeśli badam głowę Daty w XXIV wieku, a Picard nie odbył jeszcze podróży w przeszłość, aby zmienić przyszłość, czy mógłbym taką wiadomość odczytać? Można by się spodziewać, że jeśli Picard nie odbył jeszcze podróży, nie mogła ona mieć wpływu na głowę Daty. Jednak działania zmieniające oprogramowanie Daty zostały podjęte w XIX wieku, bez względu na to, kiedy Picard wyruszył w podróż w czasie, aby je wykonać. A więc to już się stało, nawet jeśli Picard jeszcze nie wyruszył! W ten sposób przyczyna w XIX wieku (wprowadzanie kodu przez Picarda) może wywołać efekt w dwudziestym czwartym stuleciu (zmiana obwodów elektrycznych Daty), zanim przyczyna w XXIV wieku (wyprawa Picarda) wywoła skutek w dziewiętnastym stuleciu (przybycie Picarda do jaskini, gdzie znajduje się głowa Daty), który pozwoli, aby początkowa przyczyna (wprowadzenie kodu przez Picarda) w ogóle miała miejsce.

Jeśli powyższe rozumowanie jest niejasne, to co powiedzieć o największym ze wszystkich paradoksów czasowych, który pojawia się w ostatnim odcinku serii Stor Trek: Następne pokolenie.

Picard zapoczątkowuje w nim łańcuch wydarzeń, które cofną się w czasie i unicestwią nie tylko jego przodków, ale i całe życie na Ziemi. Dokładniej, „podprzestrzenne zakrzywienie czasu” związane z „antyczasem” narasta wstecz w czasie, pochłaniając w końcu zbudowaną z aminokwasów protoplazmę na młodej Ziemi, zanim jeszcze powstaną pierwsze proteiny - cegiełki, z których zbudowane są żywe organizmy. Jest to jaskrawy przykład skutku powodującego przyczynę. Zakrzywienie czasu powstaje w przyszłości. Gdyby w odległej przeszłości podprzestrzenne zakrzywienie czasu zniszczyło pierwsze żywe organizmy na Ziemi, życie nigdy nie mogłoby się rozwinąć i zbudować cywilizacji zdolnej do wytwarzania takich zakrzywień w przyszłości!

Popularnym wśród wielu fizyków typowym rozwiązaniem takich paradoksów jest przyjęcie a priori, że w racjonalnym wszechświecie, podobnym do tego, w którym żyjemy, takie wydarzenia są niemożliwe. Problem polega na tym, że równania ogólnej teorii względności Einsteina nie tylko nie wykluczają takich możliwości, lecz wręcz je przewidują.

W ciągu trzydziestu lat badań nad równaniami ogólnej teorii względności znaleziono rozwiązanie, w którym wyraźnie pojawia się możliwość podróży w czasie. Jego autorem jest słynny matematyk Kurt Godel, który pracował razem z Einsteinem w Institute for Advanced Study w Princeton. Mówiąc językiem Star Trek, rozwiązanie to pozwala na stworzenie „czasowej pętli przyczynowej”, analogicznej do tej, w jaką został złapany Enterprise po ataku Bozemana. Bardziej sucha terminologia współczesnej fizyki określa to zjawisko jako „zamkniętą krzywą czasową”. Jakkolwiek je nazwiemy, wynika z niego możliwość podróżowania w czasie w obie strony i powracania do punktu wyjścia zarówno w przestrzeni, jak i w czasie! Rozwiązanie Godła dotyczy wszechświata, który, w przeciwieństwie do znanego nam, nie rozszerza się, ale jednostajnie obraca. Okazuje się, że w takim wszechświecie w zasadzie można cofnąć się w czasie, zataczając jedynie duże koło w przestrzeni. Choć ten hipotetyczny wszechświat dramatycznie różni się od naszego, sam fakt, że takie rozwiązanie w ogóle istnieje, wskazuje jasno, że ogólna teoria względności dopuszcza podróże w czasie.

Istnieje pewna maksyma o Wszechświecie, którą zawsze przekazuję moim studentom: To, co nie jest jawnie zakazane, na pewno się zdarzy, lub, jak powiedział Data w odcinku Wszechświaty równolegle, mając na myśli prawa mechaniki kwantowej: „wszystkie zjawiska, które mogą zajść, zachodzą”. Sądzę, że w tym duchu należy podchodzić do praw fizyki rządzących światem Star Trek. Powinniśmy rozróżniać nie miedzy tym, co praktyczne, a tym, co niepraktyczne, lecz między tym, co możliwe, a tym, co niemożliwe.

Fakt ten oczywiście nie pozostał nie zauważony przez samego Einsteina, który napisał: „Problem [rozwiązania] Kurta Godła [dopuszczającego podróże w czasie] niepokoił mnie już podczas tworzenia ogólnej teorii względności i nie udało mi się go wyjaśnić. [...] Interesujące będzie rozważenie, czy rozwiązań tych nie należy wykluczyć ze względów fizycznych”.

Od tej pory wyzwaniem dla fizyków stało się określenie konsekwencji istnienia takich „fizycznych powodów”, które wykluczałyby możliwość podróży w czasie, przewidywanych przez równania ogólnej teorii względności. Aby przedyskutować te problemy, będziemy musieli wyjść poza klasyczny świat teorii względności i wkroczyć w mroczny obszar, gdzie mechanika kwantowa decyduje o naturze przestrzeni i czasu. Po drodze, podobnie jak Enterprise, napotkamy czarne dziury i tunele czasoprzestrzenne. Najpierw jednak musimy przenieść się w czasie do drugiej połowy XIX wieku.

Mariaż przestrzeni i czasu, który ogłosił nadejście ery nowoczesności, rozpoczął się wraz z połączeniem zjawisk elektryczności i magnetyzmu w 1864 roku. To niezwykłe osiągnięcie intelektualne, u podstaw którego legł wspólny wysiłek takich wielkich fizyków, jak Andre-Marie Ampere, Charles-Augustin de Coulomb i Michael Faraday, zostało uwieńczone przez błyskotliwego fizyka brytyjskiego Jamesa Gierka Maxwella. Odkrył on nie tylko, że prawa elektryczności i magnetyzmu są ze sobą ściśle związane, ale że wynika z nich istnienie fal elektromagnetycznych, które powinny poruszać się w przestrzeni z określoną prędkością, wynikającą ze znanych własności elektryczności i magnetyzmu. Prędkość ta okazała się równa prędkości światła, którą zmierzono już wcześniej.

Od czasów Newtona spierano się o to, czy światło jest falą - to znaczy przemieszczającym się w pewnym ośrodku zaburzeniem - czy też cząstką, która podróżuje niezależnie od obecności ośrodka. Odkrycie fal elektromagnetycznych i tego, że poruszają się one z prędkością światła, zakończyło tę debatę: światło okazało się falą elektromagnetyczną.

Każda fala jest po prostu przemieszczającym się zaburzeniem. Jeśli światło to zaburzenie elektromagnetyczne, czym w takim razie jest ośrodek, który ulega zaburzeniu, gdy rozchodzi się w nim fala? Pod koniec XIX wieku wiele uwagi poświęcono temu problemowi. Ośrodek ów miał już swoją nazwę od czasów Arystotelesa. Nazywano go eterem, ale wszystkie próby jego bezpośredniego wykrycia kończyły się niepowodzeniem. W roku 1887 Albert A. Michelson i Edward Morley (pracujący w instytucjach, które połączyły się w 1967 roku, tworząc Case Western Reserve University - obecne miejsce mojej pracy) przeprowadzili eksperyment, gwarantujący wykrycie nie tyle samego eteru, co efektów jego istnienia. Ponieważ przypuszczano, że eter wypełnia całą przestrzeń, Ziemia musiała się poruszać względem niego. Światło podróżujące w różnych kierunkach względem kierunku ruchu Ziemi w eterze powinno zatem wykazywać różnice w prędkości. Eksperyment ten uważa się obecnie za jeden z najważniejszych w ubiegłym stuleciu, mimo że Michelson i Morley nigdy nie zaobserwowali efektu, którego poszukiwali. Właśnie dlatego, że nie udało im się zaobserwować efektu ruchu Ziemi względem eteru, pamiętamy dziś ich nazwiska (A. A. Michelson został pierwszym amerykańskim laureatem Nagrody Nobla z fizyki za swoje badania eksperymentalne nad prędkością światła, a ja czuję się zaszczycony, zajmując obecnie pozycję, którą on piastował ponad sto lat temu. Edward Morley zasłynął jako chemik między innymi dzięki wyznaczeniu masy atomowej helu).

Negatywny wynik eksperymentu wywołał pewien niepokój wśród fizyków, ale, jak w przypadku wielu przełomowych odkryć, z jego implikacji zdawało sobie w pełni sprawę bardzo niewielu uczonych, którzy zaczynali już zauważać paradoksy związane z teorią elektromagnetyzmu. Mniej więcej w tym czasie pewien uczeń szkoły średniej, który miał osiem lat w chwili, gdy Michelson i Morley przeprowadzali swój eksperyment, spróbował niezależnie stawić czoło tym paradoksom. W 1905 roku, zanim skończył 26 lat, Albert Einstein - bo o nim tu mowa - rozwiązał ten problem. Ale jak to zwykle bywa, kiedy fizyka stawia wielkie kroki naprzód, wyniki Einsteina stworzyły więcej problemów niż rozwiązały.

Rozwiązanie Einsteina, które stanowi jądro szczególnej teorii względności, wynikało z prostego, choć pozornie absurdalnego założenia: jedynym sposobem na to, by teoria elektromagnetyzmu Maxwella pozostała spójna, było przyjęcie, że obserwowana prędkość światła jest niezależna od prędkości obserwatora względem światła. Problem polega na tym, że stwierdzenie to całkowicie przeczy zdrowemu rozsądkowi. Jeśli z poruszającego się z prędkością pulsacyjną statku Enterprise wypuszczona zostanie sonda, obserwator na pobliskiej planecie zobaczy, jak przelatuje ona z prędkością dużo większą niż ta, którą zmierzyłby członek załogi Enterprise patrzący przez okno statku. Einstein uświadomił sobie jednak, że teoria Maxwella może być nie-sprzeczna tylko wtedy, gdy fale światła zachowują się inaczej: jeśli ich prędkość mierzona przez obydwu obserwatorów jest taka sama, niezależnie od ich względnego ruchu. Jeśli więc wystrzelę wiązkę fazera z dziobu Enterprise i będzie się ona poruszała z prędkością światła w kierunku mostka romulanskiego statku Warbird, który sam zbliża się do Enterprise z prędkością pulsacyjną równą 3/4 prędkości światła, obserwatorzy na wrogim statku zauważą, że wiązka zbliża się do nich dokładnie z prędkością światła, a nie z prędkością l i 3/4 rażą większą. Tego rodzaju problemy sprawiają trudności wielu trekkerom, którzy wyobrażają sobie, że jeżeli Enterprise porusza się z prędkością bliską prędkości światła, a inny statek leci w przeciwnym kierunku z podobną prędkością, światło wysłane z Enterprise nigdy nie dotrze do drugiego statku (a zatem Enterprise pozostanie dla niego niewidoczny). Sprawa wygląda Jednak inaczej; obserwatorzy na drugim statku powinni dostrzec, że światło z Enterprise zbliża się do nich z prędkością światła.

Nie to odkrycie jednak przyniosło Einsteinowi sławę. Znacznie ważniejsze było to, że chciał on badać wynikające z tego spostrzeżenia wnioski, które na pierwszy rzut oka wydawały się absurdalne. W naszym codziennym doświadczeniu to czas i przestrzeń sprawiają wrażenie absolutnych, natomiast prędkość jest czymś względnym: obserwowana prędkość poruszającego się obiektu zależy od tego, jak szybko się poruszamy. Kiedy jednak zbliżamy się do prędkości światła, to prędkość staje się wielkością absolutną, a więc przestrzeń i czas muszą stać się względne!

Dzieje się tak dlatego, że prędkość definiuje się ściśle jako odległość pokonaną w pewnym określonym czasie. Tak więc jedynym sposobem, aby poruszający się względem siebie obserwatorzy mogli stwierdzić, że pojedynczy promień światła przebywa względem nich w ciągu jednej sekundy tę samą odległość - powiedzmy 300 milionów metrów - konieczne jest, aby ich „sekundy” lub ich „metry” różniły się między sobą! Okazuje się, że szczególna teoria względności wybiera rozwiązanie najgorsze, to znaczy zarówno sekundy, jak i metry stają się wielkościami względnymi.

Wychodząc od prostego założenia, że prędkość światła mierzona przez różnych obserwatorów jest zawsze taka sama, niezależnie od ich względnego ruchu, Einstein wyciągnął następujące wnioski na temat przestrzeni, czasu i materii:

(a) Zdarzenia, które dla danego obserwatora zachodzą w tym samym czasie i w dwóch różnych miejscach, nie muszą być równoczesne dla innego obserwatora, poruszającego się względem pierwszego. Dla każdego z nich „teraz” znaczy co innego. Pojęcia „przed” i „po” są względne dla odległych zdarzeń.

(b) Wszystkie zegary na statkach kosmicznych, które poruszają się względem mnie, chodzą wolniej niż mój zegar. Czas zwalnia dla obiektów w ruchu.

(c) Linijki znajdujące się na statkach, które poruszają się względem nas, wydają się krótsze, niż gdyby spoczywały w naszym układzie odniesienia. Obiekty, ze statkami kosmicznymi włącznie, ulegają skróceniu podczas ruchu.

(d) Wszystkie obiekty mające masę stają się tym cięższe, im szybciej się poruszają. Gdy ich prędkość zbliża się do prędkości światła, ich masa staje się nieskończona. Innymi słowy, tylko obiekty pozbawione masy, takie jak światło, mogą poruszać się z prędkością światła.

Nie będę tu opowiadał o wszystkich wspaniałych pozornych paradoksach, jakie pojawiają się w teorii względności. Niech nam wystarczy to, że - czy nam się to podoba, czy nie - wszystkie cztery wnioski są prawdziwe, zostały bowiem sprawdzone. Na pokład poruszających się z wielkimi prędkościami samolotów zabrano zegary atomowe i zaobserwowano, że spóźniają się one po powrocie w stosunku do swoich ziemskich odpowiedników. Na całym świecie w laboratoriach fizyki cząstek elementarnych konsekwencje szczególnej teorii względności są chlebem powszednim eksperymentatorów. Niestabilne cząstki przyspiesza się do prędkości bliskich prędkości światła, a ich mierzone czasy życia zwiększają się wielokrotnie. Kiedy elektrony, które w spoczynku mają masę 2000 razy mniejszą niż protony, przyspieszy się do prędkości bliskich prędkości światła, niosą one pęd równoważny pędom ich cięższych kuzynów. Elektron przyspieszony do prędkości równej 0,9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999 prędkości światła uderzyłby Cię z taką samą siłą, jak jadąca z przeciętną prędkością ciężarówka.

Oczywiście przyczyną, dla której tak trudno jest nam wziąć za dobrą monetę wnioski dotyczące względności przestrzeni i czasu, jest to, że żyjemy i poruszamy się z prędkościami znacznie mniejszymi niż prędkość światła. Każdy z wymienionych efektów staje się zauważalny dopiero wtedy, gdy wchodzą w grę prędkości relatywistyczne. Nawet przy prędkości równej połowie prędkości światła zegary zwalniają, a linijki kurczą się tylko o około 15%. Na wahadłowcu NASA, który okrąża Ziemię z prędkością 8 km/s, zegary chodzą tylko o jedną dziesięciomilionową procenta wolniej, niż ich odpowiedniki na powierzchni Ziemi.

W świecie Enterprise lub innego statku kosmicznego, gdzie powszechne są duże prędkości, z względnością mielibyśmy jednak do czynienia na co dzień. Można sobie wyobrazić trudności w zarządzaniu Federacją, gdy konieczne byłoby zsynchronizowanie zegarów na dużym obszarze Galaktyki, zwłaszcza że znaczna część tych zegarów poruszałaby się z prędkością bliską prędkości światła. W wyniku tego w gwiezdnej flocie przyjęto jako regułę, że normalne manewry, wykonywane przy użyciu napędu pulsacyjnego, będą ograniczone do prędkości 0,25c, czyli 1/4 prędkości światła: marnych 75 tysięcy km/s.

Nawet przy zastosowaniu tej zasady zegary na statkach podróżujących z taką prędkością będą zwalniały o około 3% w stosunku do zegarów w Centrum Dowodzenia. Oznacza to, że po miesiącu podróży zegary będą opóźnione o prawie jeden dzień. Gdyby po takiej podróży Enterprise wrócił do Centrum Dowodzenia, na statku byłby piątek, a w bazie sobota. Przypuszczam, że ta niedogodność nie sprawiałaby większego problemu niż przestawianie zegarków przy przekraczaniu międzynarodowej granicy daty podczas podróży na wschód, choć w tym przypadku załoga powróciłaby o jeden dzień młodsza, natomiast w trakcie podróży na wschód i z powrotem zyskuje się jeden dzień jadąc w jednym kierunku, a traci się go wracając.

Możemy się teraz przekonać, jak istotny dla Enterprise jest napęd czasoprzestrzenny. Pozwala on nie tylko obejść zasadę nieprzekraczalności prędkości światła i w ten sposób efektywnie podróżować przez Galaktykę, lecz także uniknąć problemów związanych z dylatacją czasu, pojawiającą się, gdy statek porusza się z prędkością bliską prędkości światła.

Nie można przecenić tych faktów. Wielu autorów fantastyki naukowej (a tak naprawdę wszyscy, którzy marzą o podróżach międzygwiezdnych) traktuje zjawisko zwalniania chodu zegarów w miarę zbliżania się do prędkości światła jako otwarcie możliwości pokonywania olbrzymich odległości między gwiazdami w czasie życia ludzkiego - przynajmniej za życia osób znajdujących się na pokładzie statku kosmicznego.

Podróż z prędkością bliską prędkości światła do, powiedzmy, centrum naszej Galaktyki zajęłaby ponad 25 tysięcy lat czasu ziemskiego. Dla osób znajdujących się na pokładzie statku, gdyby poruszał się on z prędkością dostatecznie bliską prędkości światła, podróż ta mogłaby trwać krócej niż 10 lat -czas długi, ale do przyjęcia. Jednak nawet gdyby umożliwiło to odbywanie pojedynczych podróży, z pewnością nie pozwoliłoby na sprawne zarządzanie federacją cywilizacji rozproszonych po całej Galaktyce. Jak słusznie przypuszczali twórcy Star Trek, fakt, że dziesięcioletnia podróż Enterprise odpowiadałaby okresowi 25 tysięcy lat w Centrum Dowodzenia, zniweczyłby szansę jakiegokolwiek działania mającego na celu zorganizowanie i kontrolowanie ruchu wielu takich statków kosmicznych. Jest więc niezwykle istotne, aby: po pierwsze, uniknąć ograniczenia związanego z prędkością światła i nie powodować dezorganizacji Federacji; po drugie, zastosować prędkości ponadświetlne, by swobodnie przemieszczać się po Galaktyce.

Szkopuł w tym, że w ramach samej szczególnej teorii względności tej ostatniej możliwości nie można zrealizować. Jeśli dopuści się prędkości ponadświetlne, fizyka staje się pełna sprzeczności. Nie bez znaczenia jest tu między innymi to, że ponieważ w miarę zbliżania się do prędkości światła wzrasta masa obiektów, potrzeba stopniowo coraz więcej energii, aby przyspieszyć je o coraz mniejszą wartość. Jak w greckim micie o Syzyfie, który skazany był na wtaczanie głazu pod górę przez całą wieczność po to tylko, aby za każdym razem, gdy docierał do szczytu, ponosić klęskę, cała energia we Wszechświecie nie wystarczyłaby na to, aby przyspieszyć ziarnko piasku, nie mówiąc już o statku kosmicznym, do prędkości ponadśwłetlnej.

Na tej samej zasadzie nie tylko światło, ale każde bezmasowe promieniowanie musi przemieszczać się z prędkością światła. Oznacza to, że wiele rodzajów istot zbudowanych z „czystej energii”, jakie napotyka Enterprise, a później Voyager, nie mogłoby istnieć w pokazanej postaci. Po pierwsze, nie mogłyby one pozostawać w bezruchu. Światło nie może zwolnić, nie mówiąc już o zatrzymaniu. Po drugie, zegary każdej inteligentnej, zbudowanej z energii istoty - na przykład fotonowi osobnicy w serii Voyager, zbudowani z energii mieszkańcy obłoku Beta Renna w serii Następne pokolenie, Zetarianie w pierwszej serii, czy Dal’Rok w serii Stacja kosmiczna - która zmuszona jest poruszać się z prędkością światła, miałyby nieskończenie duże opóźnienie w stosunku do naszych zegarów. Cała historia Wszechświata przebiegałaby dla niej w ciągu krótkiej chwili. Gdyby zbudowane z energii istoty mogły czegokolwiek doświadczać, doświadczałyby wszystkiego narazi Nie trzeba dodawać, że zanim skontaktowałyby się z istotami cielesnymi, te ostatnie już dawno byłyby martwe.

Skoro mówimy o czasie, myślę, że nadeszła już pora, by zapoznać się z manewrem Picarda. Jean-Luc zdobył sławę, wprowadzając tę taktykę, gdy przebywał na pokładzie Stargazera. Chociaż dotyczy ona podróży z prędkościami czasoprzestrzennymi, czyli ponadświetlnymi, które - jak dowodziłem - są niemożliwe w ramach samej szczególnej teorii względności, wymaga zastosowania takich prędkości tylko przez moment, tak że nie przeczy temu, co do tej pory powiedzieliśmy. W trakcie manewru Picarda, mającego na celu pomieszanie szyków atakującemu statkowi wroga, przyspiesza się własny statek na krótką chwilę do prędkości czasoprzestrzennej. Jest on wtedy widoczny w dwóch miejscach naraz. Dzieje się tak dlatego, że poruszając się przez moment szybciej niż światło wyprzedza on promienie świetlne, które opuściły go tuż przed uruchomieniem napędu czasoprzestrzennego. Chociaż jest to błyskotliwa strategia - i wydaje się na razie całkiem sensowna (jeśli zapomnimy na chwilę o tym, że nie wiemy, czy możliwe jest osiąganie prędkości czasoprzestrzennych) - widać od razu, iż otwiera ona prawdziwą puszkę Pandory. Po pierwsze, zaniedbuje kwestię podnoszoną przez wielu trekkerów przez lata: w jaki sposób załoga Enterprise może „widzieć” obiekty zbliżające się do niej z prędkością czasoprzestrzenną? Podobnie jak Stargazera wyprzedził swój własny obraz, to samo uczynią wszystkie obiekty podróżujące z prędkością czasoprzestrzenną; obiekt poruszający się z taką prędkością można zobaczyć dopiero długo po tym, jak przybędzie na miejsce. Możemy tylko przypuszczać, że kiedy Kirk, Picard czy Janeway chcą obejrzeć obraz na ekranie, pojawia się tam obraz uzyskany za pomocą czujników „podprzestrzennych” dalekiego zasięgu (to znaczy komunikacji ponadświetlnej). Nawet jeśli przymkniemy oko na to wyraźne przeoczenie, pokazany w Star Trek wszechświat, choć niewątpliwie ciekawy, byłby trudny do zarządzania - pełen pozornych obrazów obiektów, które dawno temu dotarły do celu, podróżując z prędkością czasoprzestrzenną.

Powróćmy do świata prędkości mniejszych niż prędkość światła; nie uporaliśmy się bowiem do końca z Einsteinem. Jego słynny związek między masą a energią, E = mc², będący konsekwencją szczególnej teorii względności, stanowi kolejne wyzwanie dla podróży międzygwiezdnych z prędkościami pulsacyjnymi. Rakieta, jak opisałem to w rozdziale pierwszym, wyrzuca materię w tył, aby poruszać się do przodu. Łatwo sobie wyobrazić, że im szybciej materia jest odrzucana w tył, tym większe będzie pchnięcie w przód. Spaliny nie mogą jednak wydostawać się z prędkością większą niż prędkość światła. Nawet nadawanie im prędkości światła nie jest łatwe: jedynym na to sposobem jest użycie paliwa spreparowanego z materii i antymaterii, które (o czym przekonamy się w jednym z kolejnych rozdziałów) może zupełnie anihilować i wytwarzać czyste promieniowanie poruszające się z prędkością światła.

Chociaż napęd czasoprzestrzenny w Enterprise wykorzystuje takie właśnie paliwo, napęd pulsacyjny działa na innej zasadzie. Jest on zasilany za pomocą syntezy jądrowej - tych samych reakcji Jądrowych, dzięki którym wodór przemienia się w hel we wnętrzu Słońca. W reakcjach jądrowych w energię zamienia się około 1% dostępnej masy. Przy takiej energii wytwarzane atomy helu wydostają się z tyłu rakiety z prędkością około 1/8 prędkości światła. Znając prędkość wypływu helu, możemy obliczyć ilość paliwa, jakiej potrzebuje Enterprise, aby przyspieszyć, powiedzmy, do połowy prędkości światła. Obliczenie to nie jest trudne, ale ograniczę się do podania odpowiedzi. Może ona być zaskakująca. Za każdym razem, kiedy Enterprise przyspiesza do połowy prędkości światła, musi spalić 81 razy więcej paliwa wodorowego niż sam waży. Statek klasy galaktycznej, taki jak Enterprise-D Picarda, ważyłby ponad 4 miliony ton, a zatem, aby przyspieszyć ten statek do połowy prędkości światła za pomocą napędu pulsacyjnego, za każdym razem trzeba by było zużyć ponad 300 milionów ton paliwa! Gdyby w silniku pulsacyjnym zastosować układ napędowy wykorzystujący materię i antymaterię, sytuacja wyglądałaby nieco lepiej. W tym przypadku wystarczyłoby spalić w trakcie przyspieszania tylko dwa razy więcej paliwa niż wynosiłaby waga statku.

Ale to nie wszystko. Obliczenie, które przedstawiłem powyżej, jest poprawne dla pojedynczego przyspieszenia. Aby zatrzymać się po osiągnięciu celu, statek potrzebowałby drugie tyle paliwa. Oznacza to, że aby udać się gdzieś z prędkością równą połowie prędkości światła, a następnie zatrzymać się, potrzebne byłoby paliwo w ilości 81x81= 6561 razy całkowita masa statku! Co więcej, przypuśćmy, że ktoś chciałby przyspieszyć do połowy prędkości światła w ciągu kilku godzin (zakładamy oczywiście, że amortyzatory bezwładności są włączone, osłaniając załogę oraz statek przed skutkami działania olbrzymich sił G). Moc wypromieniowana przez silniki w postaci spalin wyniosłaby wtedy około l O²² watów, czyli niemal miliard razy więcej niż całkowita średnia moc wytwarzana obecnie i zużywana przez ludzkość na Ziemi!

Prawdopodobnie powiesz teraz (jak to zrobił pewien mój bystry kolega, gdy pewnego dnia przedstawiłem mu tę argumentację), że jest tutaj pewna furtka. Rozumowanie to zakłada, że paliwo podróżuje razem z rakietą. Co by się jednak stało, gdyby paliwo można było zbierać w trakcie podróży? W końcu wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie. Czy nie można by go gromadzić, podróżując przez Galaktykę? Cóż, średnia gęstość materii w naszej. Galaktyce wynosi około 1 atom wodoru na centymetr sześcienny.

Aby uzbierać tylko 1 gram wodoru w ciągu sekundy, poruszając się nawet z prędkością będącą sporym ułamkiem prędkości światła, trzeba by było rozwinąć powierzchnie zbierające o średnicy ponad 40 kilometrów. Nawet gdyby udało się całą tę materię zamienić na energię, wystarczyłoby to tylko na około jedną stumilionową potrzebnej do napędu mocy!

Można tu przytoczyć słowa fizyka, laureata Nagrody Nobla, Edwarda Purcella, którego argumenty przedstawiłem i rozszerzyłem: „Jeśli wydaje Ci się to niedorzeczne, masz rację”. Ta absurdalność bierze się z podstawowych praw mechaniki klasycznej i szczególnej teorii względności. Argumenty przedstawione tutaj są tak pewne, jak to, że piłka spadnie, kiedy upuści się ją na ziemię. Podróże międzygwiezdne przez Galaktykę w statkach z napędem rakietowym z prędkością bliską prędkości światła nie są i nigdy nie będą praktycznie wykonalne!

Czy należy więc w tym miejscu zakończyć książkę? Czy powinniśmy odesłać gadżety związane ze Star Trek i poprosić o zwrot pieniędzy? Otóż nie, gdyż wciąż jeszcze nie skończyliśmy z Einsteinem. Jego ostatnie i chyba największe odkrycie daje nam iskierkę nadziei.

Cofnijmy się do roku 1908: odkrycie przez Einsteina względności przestrzeni i czasu zwiastuje jedno z tych doświadczeń ludzkości, które co jakiś czas nieodwołalnie zmieniają nasz obraz Wszechświata. Jesienią 1908 roku fizyk i matematyk Her-mann Minkowski napisał słynne zdanie: „Odtąd przestrzeń sama w sobie i czas sam w sobie są skazane na odejście w cień, a tylko rodzaj związku tych dwóch wielkości zachowa niezależne istnienie”.

Minkowski zdał sobie sprawę z tego, że chociaż przestrzeń i czas są względne dla obserwatorów poruszających się względem siebie - Twój zegar może tykać wolniej niż mój, a mierzone przeze mnie odległości będą inne niż mierzone w Twoim układzie odniesienia - to gdy zostają one połączone w jedną cztero-wymiarową całość (trzy wymiary przestrzenne i jeden czasowy), pojawia się nagle znowu pewna „absolutna”, obiektywna rzeczywistość.

Przebłysk zrozumienia, który stał się udziałem Minkowskie-go, można wyjaśnić uciekając się do analogii ze światem jednookich istot, które nie dostrzegają głębi. Przypuśćmy, że zamknąłeś jedno oko, ograniczając w ten sposób swoją percepcję głębi, a ja trzymam linijkę, tak abyś mógł ją widzieć. Następnie proszę kogoś innego, patrzącego pod innym kątem, by również zamknął jedno oko. Wówczas trzymana przeze mnie linijka wyda mu się krótsza niż Tobie; poniższy rysunek pokazuje opisaną sytuację z lotu ptaka:

Każdy obserwator pozbawiony możliwości bezpośredniej oceny głębi określi „długość” linijki (L lub L’) jako dwuwymiarowy rzut rzeczywistej, trójwymiarowej długości linijki na własną płaszczyznę widzenia. Ponieważ wiemy, że przestrzeń ma trzy wymiary, taka sztuczka nas nie oszuka. Wiemy, że patrzenie na coś pod innym kątem nie zmienia rzeczywistej długości przedmiotu, nawet jeśli zmienia ją pozornie. Minkowski wykazał, że w podobny sposób można wyjaśnić różne paradoksy teorii względności. Trzeba tylko przyjąć, że nasze widzenie przestrzeni to trójwymiarowy przekrój czegoś, co w rzeczywistości jest czterowymiarowym obiektem, w którym przestrzeń i czas są połączone. Dwaj różni obserwatorzy, poruszający się względem siebie, postrzegają różne trójwymiarowe przekroje ukrytej czterowymiarowej przestrzeni w bardzo podobny sposób, jak obróceni względem siebie obserwatorzy na rysunku widzą różne dwuwymiarowe przekroje przestrzeni trójwymiarowej.

Minkowski wyobraził sobie, że odległość przestrzenna mierzona przez dwóch poruszających się względem siebie obserwatorów jest projekcją ukrytej czterowymiarowej odległości na trójwymiarową przestrzeń, którą mogą postrzegać; i podobnie, że czasowa „odległość” między dwoma zdarzeniami jest rzutem odległości w czterowymiarowej czasoprzestrzeni na ich własny wymiar czasowy. Podobnie jak obrót przedmiotów w trzech wymiarach może wymieszać szerokość i głębokość, tak względny ruch w czterowymiarowej przestrzeni może pomieszać pojęcia „przestrzeni” i „czasu” różnych obserwatorów. Podobnie jednak jak długość przedmiotu nie zmienia się, gdy obracamy go w przestrzeni, tak samo odległość między dwoma zdarzeniami w czterowymiarowej czasoprzestrzeni jest stała - niezależnie od tego, w jaki sposób różni, poruszający się względem siebie obserwatorzy przypisują odległościom „przestrzenność” i „czasowość”.

I tak zadziwiająca niezmienność prędkości światła dla wszystkich obserwatorów stała się kluczem do odsłonięcia prawdziwej, czterowymiarowej natury Wszechświata, w którym żyjemy. Światło ukazuje ukryty związek między przestrzenią a czasem. W rzeczywistości prędkość światła definiuje ów związek.

To właśnie w tym miejscu Einstein powrócił, aby uratować Stor Trek. Kiedy już Minkowski wykazał, że czasoprzestrzeń szczególnej teorii względności jest jak czterowymiarowa kartka papieru, Einstein spędził większą część następnego dziesięciolecia napinając swoje matematyczne mięśnie, aż udało mu się zgiąć tę kartkę, co z kolei pozwala nam nagiąć reguły gry. Jak się zapewne domyślasz, kluczem do tego okazało się znowu światło.

ROZDZIAŁ 3

HAWKING WYKŁADA KARTY

Jakże słabo wy, śmiertelnicy, rozumiecie czas. Czy musisz być taki liniowy, Jean-Luc?

Q do Picarda w odcinku Wszystko, co dobre...

Planeta Wulkan, z której pochodzi Spock, jest bardzo zasłużona dla fizyki XX wieku. Na początku naszego stulecia wielką zagadkę astronomii stanowiło to, że peryhelium Merkurego - czyli punkt orbity, w którym planeta znajduje się najbliżej Słońca - w trakcie każdego jego obiegu wokół Słońca ulega niewielkiej precesji w sposób niezgodny z teorią grawitacji Newtona. Aby rozwiązać ten problem, wysunięto hipotezę, że jeszcze bliżej Słońca niż Merkury krąży inna planeta, która zaburza jego ruch. (Co ciekawe, podobne wyjaśnienie anomalii w ruchu orbitalnym Urana zaowocowało wcześniej odkryciem Neptuna). Ową hipotetyczną planetę nazwano Wulkanem.

Niestety, tajemnicza planeta Wulkan nie istnieje. Natomiast Einstein zaproponował, aby zastąpić płaską przestrzeń Newtona i Minkowskiego zakrzywioną czasoprzestrzenią ogólnej teorii względności. W tej zakrzywionej przestrzeni orbita Merkurego odchylałaby się nieco od toru, jaki przewidywała teoria Newtona, co wyjaśniałoby obserwowaną niezgodność.

Chociaż w ten sposób znikła potrzeba istnienia planety Wulkan, pojawiły się o wiele bardziej ekscytujące możliwości: z zakrzywioną przestrzenią związane są czarne dziury, tunele czasoprzestrzenne, a być może realne stają się nawet podróże w czasie.

Rzeczywiście, jeszcze zanim twórcy Star Trek wymyślili pole zakrzywiające czasoprzestrzeń, Einstein zakrzywiał ją podobnie jak oni, uzbrojony jedynie w swoją wyobraźnię. Zamiast jednak wyobrażać sobie technologię podróży międzygwiezdnych w XXII wieku, uczony przeprowadzał eksperymenty myślowe z windami. Einstein był niewątpliwie wielkim fizykiem, ale pewnie nigdy nie sprzedałby scenariusza.

Jego argumenty można jednak w nienaruszonej postaci przenieść na pokład Enterprise. Ponieważ światło jest nitką splatającą przestrzeń i czas, tory promieni świetlnych tworzą mapę czasoprzestrzeni tak samo, jak osnowa i wątek ukazują wzory gobelinu. Zazwyczaj światło podróżuje po liniach prostych. Co by się jednak stało, gdyby romulański dowódca na pokładzie znajdującego się w pobliżu statku Warbird wystrzelił promień fazera w kierunku Picarda, siedzącego na mostku swojego kapitańskiego jachtu Calypso, którego silnik pulsacyjny został właśnie uruchomiony (w tym przykładzie przyjmujemy, że amortyzatory bezwładności zostały wyłączone)? Picard ruszyłby gwałtownie naprzód, ledwo unikając promienia fazera. Z punktu widzenia układu odniesienia Picarda sytuacja wyglądałaby tak jak na rysunku na następnej stronie.

Dla Picarda tor promienia fazera byłby więc zakrzywiony. Co jeszcze mógłby on zauważyć? Jeśli przypomnimy sobie argumentację z rozdziału pierwszego, bez trudu stwierdzimy, że gdy amortyzatory bezwładności są wyłączone, Picard zostanie wgnieciony w fotel. Zwróciłem tam również uwagę na to, że gdyby Picard poruszał się naprzód z takim samym przyspieszeniem, z jakim spadają na Ziemię ciała pod wpływem siły grawitacji, odczułby, iż siła, która wgniata go w fotel, jest taka sama jak siła, która ciągnie go w dół, kiedy stoi na Ziemi. Einstein dowodził, że Picard (lub na przykład ktoś znajdujący się w jadącej w górę windzie) nie mógłby nigdy przeprowadzić eksperymentu, który wskazałby różnicę między siłą reakcji wywołaną przyspieszeniem a działaniem grawitacji jakiegoś ciężkiego obiektu znajdującego się w pobliżu statku. W ten sposób Einstein wszedł śmiało na teren nie znany dotąd fizykom i dowodził, że wszelkie zjawiska zaobserwowane przez przyspieszającego obserwatora wyglądałyby tak, jakby przebiegały w polu grawitacyjnym.

Z tego przykładu wynika co następuje: ponieważ Picard obserwuje zakrzywianie się promienia fazera, gdy oddala się od niego z pewnym przyspieszeniem, promień taki musi się również zakrzywiać w polu grawitacyjnym. Ale promienie świetlne wytyczają mapę czasoprzestrzeni; a zatem zakrzywieniu w takim polu ulega sama czasoprzestrzeń. Skoro zaś materia wytwarza pole grawitacyjne, to ona właśnie musi zakrzywiać czasoprzestrzeń!

Można jednak argumentować, że ponieważ światło ma energię, masa zaś i energia są związane ze sobą słynnym równaniem Einsteina, zakrzywianie się promienia świetlnego w polu grawitacyjnym nie jest wielkim zaskoczeniem - a już na pewno nie wynika z tego, że musimy przyjąć, iż to sama czasoprzestrzeń się zakrzywia. W końcu tory, po jakich porusza się materia, również ulegają zakrzywieniu (wystarczy chociażby podrzucić piłkę). Nawet Galileusz mógłby wykazać - gdyby znał takie obiekty - że tory piłek baseballowych i rakiet Pathfinder ulegają zakrzywieniu i wcale nie musiałby przy tym wspominać o zakrzywionej przestrzeni.

Można jednak obliczyć, o ile powinien zakrzywić się promień świetlny, gdyby zachowywał się tak samo, jak piłka baseballowa, a następnie zmierzyć rzeczywiste zakrzywienie. Zrobił to

w 1919 roku sir Arthur Stanley Eddington, który kierował ekspedycją mającą określić pozycje gwiazd na niebie w pobliżu Słońca w czasie jego zaćmienia. Eddington zmierzył ten efekt i okazało się, że światło zakrzywia się dokładnie dwa razy bardziej, niż mógłby przewidzieć Galileusz, zakładając, iż światło zachowuje się jak piłka baseballowa w płaskiej przestrzeni. Jak łatwo się domyślić, ta dwukrotnie większa wartość jest dokładnie zgodna z przewidywaniami Einsteina, przy założeniu, że czasoprzestrzeń zakrzywia się w pobliżu Słońca i światło (lub na przykład Merkury) porusza się w tym miejscu po „prostej” w zakrzywionej przestrzeni! Nagle nazwisko Einsteina stało się powszechnie znane.

Zakrzywiona przestrzeń otwiera cały wszechświat możliwości, jeśli mogę posłużyć się takim kalamburem. Podobnie jak Enterprise, uwalniamy się z okowów swego rodzaju liniowego myślenia - narzuconego nam przez szczególną teorię względności - tak znienawidzonego przez Q. W zakrzywionej przestrzeni możliwych jest wiele rzeczy, które nie mają racji bytu w przestrzeni płaskiej. Można na przykład wędrować ciągle w tym samym kierunku, a mimo to wrócić do punktu wyjścia - ludzie podróżujący dookoła świata robią to przez cały czas.

Centralne założenie ogólnej teorii względności Einsteina przedstawia się bardzo prosto i brzmi następująco: zakrzywienie czasoprzestrzeni jest określone przez rozkład zawartej w niej materii i energii. Równania Einsteina ustanawiają ścisły matematyczny związek między zakrzywieniem z jednej strony, a. materią i energią z drugiej:

lewa strona równania = prawa strona równania

ZAKRZYWIENIE = MATERIA I ENERGIA

Tym, co czyni tę teorię tak piekielnie trudną w zastosowaniach, jest właśnie owo proste sprzężenie zwrotne: zakrzywienie czasoprzestrzeni jest określone przez rozkład materii i energii we Wszechświecie, z kolei rozkład ten jest uzależniony od zakrzywienia czasoprzestrzeni. Można to porównać do problemu, co było pierwsze - jajko czy kura? Materia jest źródłem zakrzywienia czasoprzestrzeni, które z kolei określa ewolucję materii, co wpływa na zakrzywienie i tak dalej.

Dla zagadnienia podróży międzygwiezdnych jest to zapewne najważniejszy aspekt ogólnej teorii względności. Złożoność tej teorii oznacza, że ciągle jeszcze nie rozumiemy w pełni wszystkich jej konsekwencji, a zatem nie możemy wykluczyć różnych niezwykłych możliwości. Te właśnie możliwości są wodą na młyn Star Trek. Jak się przekonamy, u ich podstaw leży wielka niewiadoma, która przenika wszystko: od tuneli czasoprzestrzennych i czarnych dziur po wehikuły czasu.

Pierwszym ważnym dla przygód statku Enterprise wnioskiem wynikającym z tego, że czasoprzestrzeń nie musi być płaska, jest to, że sam czas staje się wielkością jeszcze bardziej dynamiczną niż w szczególnej teorii względności. Czas może płynąć w różnym tempie dla różnych obserwatorów, nawet jeśli nie poruszają się oni względem siebie. Wyobraźmy sobie, że podziałka na tarczy zegara zachowuje się jak podziałka na linijce zrobionej z gumy. Jeżeli rozciągniemy lub zegniemy linijkę, odległości między kreskami podziałki będą się zmieniać od punktu do punktu. Gdyby odległości te odpowiadały tyknięciom zegara, zegary umieszczone w różnych miejscach chodziłyby w różnym tempie. W ogólnej teorii względności Einsteina „zgiąć” linijkę może pole grawitacyjne, które z kolei wymaga obecności materii.

Ujmując to bardziej praktycznie: jeśli umieścimy w pobliżu zegara ciężką kulę żelazną, tempo jego tykania powinno ulec zmianie. Mówiąc jeszcze bardziej poglądowo: jeśli podczas mego snu budzik znajduje się bardzo blisko mojego ciała, zostanę obudzony nieco później, niż gdyby był daleko, przynajmniej w stosunku do reszty świata.

Słynny eksperyment, przeprowadzony w laboratoriach Uniwersytetu Harvarda w roku 1960, zademonstrował, że upływ czasu może zależeć od tego, gdzie się znajdujesz. Robert Pound oraz George Rebka wykazali, że częstość promieniowania y mierzonego przy źródle w piwnicy budynku różniła się od częstości tego promieniowania, gdy docierało ono na dach budynku, 22 metry wyżej (detektory, oczywiście, dokładnie wykalibrowano, tak by same nie powodowały żadnej różnicy). Przesunięcie było niezwykle małe - sięgało jednej milionowomiliardowej. Jeśli każdy okres fali promieniowania y porównać z ryknięciem zegara atomowego, z eksperymentu tego wynika, że zegar w piwnicy będzie chodził wolniej niż jego odpowiednik na dachu. Na niższym piętrze czas zwalnia, ponieważ znajduje się ono bliżej Ziemi niż dach, a więc pole grawitacyjne -a co za tym idzie również zakrzywienie czasoprzestrzeni - jest tam większe. Chociaż efekt ten był bardzo mały, jego wielkość dokładnie odpowiadała wartości przewidywanej przez ogólną teorię względności, przy założeniu, że w pobliżu Ziemi czasoprzestrzeń ulega zakrzywieniu.

Drugi wniosek z tego, że przestrzeń się zakrzywia, jest, jeśli chodzi o podróże międzygwiezdne, może jeszcze bardziej ekscytujący. Gdy przestrzeń jest zakrzywiona, linia prosta nie musi być najkrótszą drogą między dwoma punktami. Oto przykład. Przyjrzyjmy się okręgowi na kartce papieru. Zazwyczaj najkrótszą odległość między dwoma punktami A i B, umieszczonymi po przeciwnych stronach okręgu, stanowi łączący je odcinek, który przechodzi przez środek okręgu:

Gdybyśmy natomiast musieli przemieścić się z A do B po okręgu, podróż byłaby około 1,5 rażą dłuższa. Teraz narysujmy ten okrąg na kawałku gumy i odkształćmy środkowy obszar w następujący sposób:

Jeśli popatrzymy z naszej trójwymiarowej perspektywy, stanie się jasne, że podróż z -A do B przez środek tego obszaru będzie znacznie dłuższa niż po okręgu. Gdybyśmy jednak sfotografowali ten układ z góry, tak że powstałby obraz dwuwymiarowy, linia łącząca punkty A oraz B przez środek wyglądałaby jak linia prosta. Co ważniejsze, gdyby niewielki robaczek (lub jedna z dwuwymiarowych istot, jakie napotkał Enterprise) miał przejść po torze łączącym A i B przez środek, posuwając się po powierzchni, tor ten wydałby mu się prosty. Byłby zdziwiony, że linia prosta biegnąca przez środek i łącząca A z B nie jest już najkrótszą drogą między tymi dwoma punktami. Gdyby był inteligentny, musiałby dojść do wniosku, że dwuwymiarowa przestrzeń, w której żyje, jest zakrzywiona. Tylko obserwując, jak powierzchnia ta zanurzona jest w trójwymiarowej przestrzeni, możemy bezpośrednio zauważyć krzywiznę.

Należy pamiętać, że żyjemy w czterowymiarowej czasoprzestrzeni, która może być zakrzywiona, i nasze możliwości postrzegania jej krzywizny są tak samo ograniczone, jak możliwości robaczka idącego po powierzchni kartki. Nietrudno zgadnąć, do czego zmierzam: jeśli w zakrzywionej przestrzeni najkrótsza odległość między dwoma punktami nie musi być linią prostą, nie można wykluczyć, że dzięki znalezieniu krótszej drogi przez zakrzywioną czasoprzestrzeń uda się przebyć odległość, która wzdłuż linii widzenia wydaje się duża.

Opisane własności czasoprzestrzeni pozwalają snuć marzenia o podróżach międzygwiezdnych. Pozostaje oczywiście pytanie: ile z tych marzeń może się pewnego dnia urzeczywistnić?

TUNELE CZASOPRZESTRZENNE: FAKTY I MITY. Tunel bajorański w serii Stacja kosmiczna jest chyba najsłynniejszym tunelem czasoprzestrzennym w Star Trek, choć było też wiele innych, na przykład niebezpieczny tunel, który Scotty stworzył powodując zachwianie równowagi między materią i antymaterią w napędzie czasoprzestrzennym Enterprise, a także niestabilny tunel barzański, w którym zgubił się statek Ferengów w odcinku Cena serii Następne pokolenie, czy tunel czasowy, który napotkał Voyager, próbując powrócić do domu z krańca Galaktyki.

Idea tuneli czasoprzestrzennych ma swoje źródło w hipotezach, o których pisałem wcześniej. Jeśli czasoprzestrzeń jest zakrzywiona, mogą istnieć różne drogi łączące dwa punkty, między innymi takie, wzdłuż których odległość między punktami jest o wiele krótsza, niż gdybyśmy zmierzyli ją podróżując przez zakrzywioną przestrzeń wzdłuż „linii prostej”. Ponieważ nie potrafimy sobie wyobrazić zjawisk w zakrzywionej cztero-wymiarowej czasoprzestrzeni, jeszcze raz posłużymy się dwuwymiarowym kawałkiem gumy, którego zakrzywienie możemy obserwować w przestrzeni trójwymiarowej.

Jeśli kawałek gumy zakrzywiony jest w dużej skali, można go sobie wyobrazić następująco:

Gdybyśmy wbili ołówek w punkcie A i naciągnęli gumową powierzchnię aż do punktu B, a następnie zszyli obie części w ten sposób:

utworzylibyśmy znacznie krótszą drogę z A do B niż droga biegnąca między tymi punktami po powierzchni. Zauważmy, że w pobliżu A i B powierzchnia wydaje się płaska. Zakrzywienie, które powoduje, że te dwa punkty znajdują się wystarczająco blisko siebie, aby można je było połączyć tunelem, związane jest z globalnym zagięciem powierzchni na dużych odległościach. Robaczek (nawet inteligentny), znajdujący się w punkcie A i zmuszony do podróży po powierzchni, nie miałby pojęcia, że punkt B leży tak „blisko”, nawet gdyby potrafił przeprowadzać w okolicy A eksperymenty mające określić krzywiznę powierzchni.

Jak łatwo zgadnąć, tunel łączący na tym rysunku punkty A i B jest dwuwymiarowym odpowiednikiem trójwymiarowego tunelu, który mógłby biec między odległymi obszarami czasoprzestrzeni. Chociaż jest to fascynująca możliwość, należy zwrócić uwagę na kilka jej zwodniczych aspektów. Po pierwsze, nawet jeśli gumowa powierzchnia jest zanurzona w trójwymiarowej przestrzeni tak, abyśmy mogli „zobaczyć” jej zakrzywienie, ten powyginany kawałek gumy może istnieć również bez otaczającej go trójwymiarowej przestrzeni. A zatem, chociaż tunel między A i B mógłby się pojawić, stwierdzenie, że A i B są „blisko siebie”, nie ma sensu, jeśli nie ma tunelu. Nie można opuścić gumowej powierzchni i przemieścić się z A do B w trójwymiarowej przestrzeni, w której jest ona osadzona. Bez trójwymiarowej przestrzeni gumowa powierzchnia jest całym wszechświatem.

Wyobraź teraz sobie, że jesteś członkiem nieskończenie zaawansowanej w rozwoju cywilizacji (ale nie aż tak zaawansowanej, jak wszechmocne istoty Q, które właściwie nie liczą się

z prawami fizyki), potrafiącej budować tunele w przestrzeni. Urządzenie do budowy tuneli działałoby w zasadzie tak, jak ołówek w podanym przeze mnie przykładzie. Gdybyś posiadał moc wystarczającą, by wytwarzać olbrzymie, miejscowe zakrzywienia przestrzeni, musiałbyś potem przekłuwać przestrzeń wokół na chybił trafił w nadziei, że uda Ci się jakoś połączyć dwa obszary przestrzeni, które do momentu powstania tunelu znajdowały się bardzo daleko od siebie. Aż do chwili, gdy tunel utworzy most między tymi obszarami, w żaden sposób nie są one blisko siebie. To sam proces budowania tego mostu zmienia globalną naturę czasoprzestrzeni.

Z tego powodu tworzenia tuneli nie należy lekceważyć. Kiedy barzańska premier Bhavani odwiedziła Enterprise, aby odsprzedać prawa do barzańskiego tunelu, wykrzyknęła: „Przed wami rozciąga się pierwszy i jedyny znany stabilny tunel czasoprzestrzenny!” Niestety, nie był on stabilny: wszystkie tunele, których matematyczne istnienie zostało udowodnione w ramach ogólnej teorii względności, są w istocie krótkotrwałe. Powstają, gdy dwie mikroskopijne „osobliwości” - obszary czasoprzestrzeni, w których krzywizna staje się nieskończenie duża - odnajdują się i na chwilę łączą. Tunel zamyka się jednak szybko, pozostawiając znowu dwie rozłączne osobliwości. Trwa to tak krótko, że przez tunel nie zdążyłby się przedostać żaden amator podróży międzygwiezdnych. Nieszczęsny podróżnik rozpadłby się na kawałki w jednej lub drugiej osobliwości jeszcze przed końcem podróży.

Problem polegający na tym, jak wejście do tunelu utrzymać otwarte, jest niezwykle trudno sformułować w ścisły, matematyczny sposób, ale w sensie fizycznym można go łatwo wyrazić: grawitacja wciąga! Każdy rodzaj zwyczajnej materii lub energii zapada się pod wpływem własnego przyciągania grawitacyjnego, chyba że proces ten zostanie zatrzymany przez coś innego. Podobnie, w normalnych warunkach wejście do tunelu zostanie rozerwane w mgnieniu oka.

Sztuka polega więc na tym, aby pozbyć się owych normalnych warunków. W ostatnich latach m.in. Kip Thorne, fizyk z Caltech, dowodził, że jedynym sposobem na utrzymanie otwartych tuneli jest przymocowanie ich za pomocą „egzotycznej materii” o niezwykłych własnościach: przynajmniej dla niektórych obserwatorów miałaby ona „ujemną” energię. Można by oczekiwać (choć naiwne pomysły rzadko się sprawdzają w teorii względności), że taka materia „rozdmuchiwałaby”, a nie „wciągała”, przynajmniej jeśli chodzi o grawitację.

Nie trzeba być zagorzałym trekkerem, aby przystać na pomysł materii o ujemnej energii; chociaż, jak zauważyłem, w przypadku zakrzywionej przestrzeni nie należy zbytnio ufać swoim wyobrażeniom. Kiedy jednak doda się jeszcze do tego niezwykłe zjawiska, którymi zasypuje nas mechanika kwantowa i które rządzą zachowaniem materii w małej skali, prawie wszystkie przewidywania okazują się błędne.

CZARNE DZIURY I DR HAWKING. Na scenę wkracza Stephen Hawking. Zdobył on sławę wśród fizyków zajmujących się ogólną teorią względności dzięki udziałowi, jaki miał w udowodnieniu ogólnych twierdzeń związanych z istnieniem osobliwości w czasoprzestrzeni, a następnie - w latach siedemdziesiątych -dzięki wspaniałym odkryciom teoretycznym dotyczącym zachowania czarnych dziur. Są to obiekty powstające z materii, która zapadła się tak bardzo, że pole grawitacyjne uniemożliwia nawet światłu ucieczkę z ich powierzchni.

Nawiasem mówiąc, termin „czarna dziura”, który tak zniewolił publiczną wyobraźnię, wymyślił fizyk teoretyk John Archłbald Wheeler z Uniwersytetu w Princeton późną jesienią 1967 roku. Ta data jest bardzo interesująca, ponieważ, o ile mi wiadomo, pierwszy odcinek Star Trek, w którym pojawiło się pojęcie czarnej dziury - jeszcze pod nazwą „czarnej gwiazdy” -został wyemitowany w 1967 roku, zanim Wheeler użył tego terminu publicznie. Kiedy oglądałem ów odcinek zbierając materiały do książki, wydało mi się zabawne, że twórcy Stor Trek użyli nieprawidłowej nazwy. Teraz zdaję sobie sprawę, że oni niemal ją wynaleźli!

Czarne dziury są niezwykłymi obiektami z rozmaitych powodów. Po pierwsze, każda czarna dziura skrywa w swoim wnętrzu czasoprzestrzenną osobliwość, do której w nieunikniony

sposób musi dotrzeć wszystko, co spada na czarną dziurę. W takiej osobliwości - nieskończenie zakrzywionym „wierzchołku” czasoprzestrzeni - znane nam prawa fizyki się załamują. W pobliżu osobliwości krzywizna jest tak duża na tak małym obszarze, że efektami działania grawitacji rządzą prawa mechaniki kwantowej. Jak dotąd jednak nikomu nie udało się stworzyć teorii, która spójnie pomieściłaby w sobie zarówno ogólną teorię względności (czyli grawitację), jak i mechanikę kwantową. Autorzy Stor Trek potrafili właściwie ocenić napięcie istniejące między mechaniką kwantową a teorią grawitacji: zwykle określają wszystkie osobliwości czasoprzestrzeni jako „osobliwości kwantowe”. Jedno jest pewne: zanim pole grawitacyjne w środku czarnej dziury osiągnie wystarczająco duże natężenie, aby załamały się znane nam prawa fizyki, każdy zwyczajny fizyczny przedmiot zostanie rozerwany na strzępy. Nic nie przetrwa w stanie nietkniętym.

Powiedziałem, że czarna dziura „skrywa” w swoim wnętrzu osobliwość. Na krańcach czarnej dziury znajduje się zdefiniowana matematycznie powierzchnia, zwana horyzontem zdarzeń, która przesłania nam widok tego, co dzieje się z przedmiotami wpadającymi do czarnej dziury. Wszystko, co znajdzie się wewnątrz horyzontu, musi nieuchronnie dotrzeć do złowieszczej osobliwości. Jedynie obiekty będące na zewnątrz horyzontu zdarzeń mogą uniknąć tego losu. Pechowy obserwator (który wkrótce przestanie już być obserwatorem), spadający do czarnej dziury, nie zauważy niczego specjalnego w momencie przekraczania horyzontu zdarzeń, natomiast obserwator przyglądający się temu z daleka ujrzy coś zupełnie innego. Czas obserwatora spadającego swobodnie w pobliżu horyzontu zdarzeń zdaje się zwalniać w stosunku do czasu obserwatora znajdującego się daleko. W związku z tym odległemu obserwatorowi wydaje się, że ten, który spada, zwalnia swój ruch w miarę jak zbliża się do horyzontu zdarzeń. Im bliżej horyzontu się znajduje, tym wolniej chodzi jego zegar w stosunku do zegara zewnętrznego obserwatora. Chociaż spadającemu obserwatorowi przekroczenie horyzontu zdarzeń może zająć tylko kilka chwil (czasu własnego) - przy czym, powtarzam, nic specjalnego się tam nie dzieje i nic szczególnego nie znajduje - zewnętrzny obserwator musiałby na to czekać przez wieczność. Spadający na czarną dziurę obiekt sprawia wrażenie zamrożonego w czasie.

Co więcej, emitowane przez spadający obiekt światło coraz trudniej jest dostrzec z zewnątrz. Gdy obiekt taki zbliża się do horyzontu zdarzeń, staje się coraz słabiej widoczny (ponieważ częstość docierającego od niego promieniowania przesuwa się poniżej częstości widzialnych). A zatem nawet gdyby można było zobaczyć z zewnątrz moment przejścia spadającego obiektu przez horyzont zdarzeń (co jest niemożliwe w jakimkolwiek skończonym odstępie czasu), zniknąłby on w tej chwili zupełnie z pola widzenia, ponieważ emitowane przezeń światło zostałoby schwytane razem z nim. Cokolwiek znajdzie się wewnątrz horyzontu zdarzeń jest na zawsze stracone dla zewnętrznego świata. Ten brak komunikacji wygląda jak jednokierunkowa ulica: zewnętrzny obserwator może wysyłać sygnały do czarnej dziury, ale żaden z nich nigdy nie powróci.

W świetle tych faktów czarne dziury spotykane w Star Trek mają absurdalne właściwości. Horyzont zdarzeń nie jest namacalnym przedmiotem, ale umowną matematyczną granicą, którą wprowadzamy do opisu czarnej dziury, aby oddzielić obszar wewnętrzny od zewnętrznego. Oznacza to, że horyzont nie może wydawać z siebie trzasku, jak tego oczekuje załoga Voyager, kiedy w cudowny sposób udaje jej się uciec z wnętrza czarnej dziury. (Pomysł ten jest tak absurdalny, że dostał się na stworzoną przeze mnie listę dziesięciu największych błędów popełnionych przez scenarzystów Stor Trek, które opisuję w ostatnim rozdziale). Z kolei „istoty zamieszkujące osobliwości kwantowe”, napotkane przez załogę Enterprise, gdy wraz z romulańskim statkiem Warbird podróżuje on w przeszłość i przyszłość, wybierają niezbyt szczęśliwe miejsce na gniazdo dla swoich młodych: umieszczają je wewnątrz powstałej w naturalny sposób czarnej dziury (za którą mylnie biorą „sztuczną” osobliwość kwantową w rdzeniu silnika romulańskiego statku). Choć może to być bezpieczne miejsce, trudno jednak wydobyć z niego swoje potomstwo. Przypominam, że nic, coznajduje się wewnątrz czarnej dziury, nie może komunikować się z czymkolwiek na zewnątrz.

Czarne dziury jednak, mimo tylu ciekawych własności, nie muszą być aż tak niezwykłe. Jedyne czarne dziury, na których istnienie we Wszechświecie mamy jakiekolwiek dowody, powstają w wyniku zapadania się gwiazd o wiele bardziej masywnych od Słońca. Te zapadnięte obiekty stają się tak gęste, że łyżeczka znajdującej się wewnątrz nich materii ważyłaby wiele ton. Kolejną niezwykłą właściwością czarnych dziur jest to, że im większą mają masę, tym mniejsza musi być ich gęstość w chwili, gdy powstają. Na przykład gęstość czarnej dziury, która utworzyła się w wyniku zapadnięcia się obiektu o masie sto milionów razy większej od masy Słońca, nie musi być większa od gęstości wody. Obiekt o większej masie zapadnie się i utworzy czarną dziurę nawet przy jeszcze mniejszej gęstości. Jeśli będziemy dalej ekstrapolować tę zależność, okaże się, że gęstość konieczna do tego, aby powstała czarna dziura o masie równej masie obserwowalnego Wszechświata, jest mniej więcej taka sama jak średnia gęstość materii we Wszechświecie. Możliwe, że żyjemy wewnątrz czarnej dziury!

W 1974 roku Stephen Hawking dokonał niezwykłego odkrycia, stwierdzając, że czarne dziury nie są zupełnie czarne! Mogą emitować promieniowanie o pewnej charakterystycznej temperaturze zależnej od ich masy. Chociaż natura tego promieniowania nie zawiera żadnej informacji o tym, co wpadło do czarnej dziury, sama idea, że czarna dziura może promieniować, była zdumiewająca. Wydawało się, że narusza ona wiele twierdzeń -z których część Hawking sam wcześniej udowodnił - utrzymujących, iż materia może tylko wpadać do czarnych dziur, ale nigdy nie może się z nich wydostać. Wszystko to prawda, tyle że źródło promieniowania czarnej dziury nie jest zwykłą materią: promieniuje pusta przestrzeń, która może zachowywać się całkiem nietypowo - zwłaszcza w pobliżu czarnej dziury.

Odkąd prawa mechaniki kwantowej zostały uzgodnione ze szczególną teorią względności, do czego doszło wkrótce po drugiej wojnie światowej, wiemy, że pusta przestrzeń nie jest całkiem pusta. Jest ona raczej kipiącym, bulgoczącym morzem kwantowych zaburzeń. Te fluktuacje co jakiś czas wypluwają pary cząstek elementarnych, które istnieją przez okres tak krótki, że nie możemy ich zaobserwować wprost, a następnie z powrotem znikają w próżni, z której się narodziły. Zasada nieoznaczoności w mechanice kwantowej mówi, że nie da się badać bezpośrednio pustej przestrzeni w tak krótkich odcinkach czasu, a wiec nie można wykluczyć, iż owe cząstki, zwane wirtualnymi, pojawiają się na mgnienie oka i znikają. Choć nie potrafimy wykryć tych cząstek bezpośrednio, ich obecność ma wpływ na wielkości fizyczne, które możemy mierzyć, jak na przykład tempo i energia przejść między pewnymi poziomami energetycznymi w atomach. Ów efekt udało się doświadczalnie potwierdzić.

To przywodzi nas z powrotem do Hawkinga i jego niezwykłych odkryć. W normalnych warunkach, gdy fluktuacja kwantowa tworzy wirtualną parę cząstek, para ta anihiluje ł znika z powrotem w próżni w czasie tak krótkim, że nie można zaobserwować złamania zasady zachowania energii (spowodowanego kreacją tej pary z nicości). Kiedy jednak wirtualna para cząstek pojawia się w zakrzywionej przestrzeni w pobliżu czarnej dziury, jedna z cząstek może do niej wpaść, druga zaś uciec, dzięki czemu staje się dostępna obserwacjom. Dzieje się tak dlatego, że cząstka wpadająca do czarnej dziury może stracić w tym procesie więcej energii, niż jest potrzebne na jej stworzenie z niczego. Dostarcza więc ona do czarnej dziury „ujemnej energii” i w ten sposób energia czarnej dziury się obniża. Zasada zachowania energii nie ulega przy tym złamaniu, gdyż ta ujemna energia równoważy energię cząstki, która uciekła i została zaobserwowana. W ten sposób czarna dziura emituje promieniowanie. Co więcej, zmniejszaniu się energii czarnej dziury towarzyszy w tym procesie zmniejszanie się jej masy. W końcu może ona zupełnie wyparować, pozostawiając po sobie jedynie wyprodukowane w czasie swojego istnienia promieniowanie.

Hawking i wielu innych uczonych wykroczyli poza początkowe rozważania kwantowych fluktuacji materii w zakrzywionej przestrzeni i zajęli się czymś jeszcze bardziej niezwykłym i nie

tak dobrze określonym. Jeśli mechanika kwantowa dotyczy nie tylko materii i promieniowania, lecz również grawitacji, w wystarczająco małych skalach muszą pojawić się fluktuacje samej czasoprzestrzeni. Niestety, nie dysponujemy teorią, którą moglibyśmy wykorzystać do opisu takich procesów. Nie stanowiło to jednak przeszkody w podjęciu próbnych badań teoretycznych nad zjawiskami, które mogłyby z tego wyniknąć. Do najbardziej interesujących należy przypuszczenie, że procesy kwantowomechaniczne mogłyby pozwalać na spontaniczną kreację nie tylko cząstek, ale całych nowych wszechświatów. Mechanika kwantowa określa, przynajmniej matematycznie, jak miałoby się to odbywać, a formalny zapis tego procesu jest bardzo podobny do rozwiązań opisujących tunele czasoprzestrzenne, odkrytych w klasycznej teorii względności. Za pośrednictwem takich „euklidesowych” tuneli powstaje tymczasowy „most”, prowadzący do nowego wszechświata. Możliwości związane z procesami dotyczącymi tuneli euklidesowych i wszechświatów potomnych są tak fascynujące, że o kwantowych fluktuacjach wspomniano nawet w czasie gry w pokera, do której zasiedli Hawking, Einstein i Newton w odcinku Dziedzictwo z serii Następne pokolenie¹. Jeśli twórcy Stor Trek byli zdezorientowani, mieli do tego pełne prawo. Te zagadnienia pozostają niestety wciąż bardzo niejasne. Aż do chwili, gdy odkryjemy właściwy formalizm matematyczny, za pomocą którego będzie można opisywać procesy związane z kwantowaniem grawitacji, wszystkie tego rodzaju rozważania przypominają błądzenie po omacku.

Dla nas jednak najbardziej istotne są nie zjawiska parowania czarnych dziur, czy nawet wszechświatów potomnych, lecz raczej odkrycie, że kwantowe fluktuacje pustej przestrzeni nabierają, przynajmniej w obecności silnych pól grawitacyjnych, własności przypominających warunki konieczne do otwarcia tunelu czasoprzestrzennego. Zasadnicze pytanie, na które również nie ma jeszcze ostatecznej odpowiedzi, brzmi: czy fluktuacje kwantowe w pobliżu tunelu czasoprzestrzennego mogą się zachowywać wystarczająco nietypowo, ażeby utrzymać otwarty tunel?

(Przy okazji należy wspomnieć, że autorzy Star Trek jeszcze raz okazali się nadzwyczaj przewidujący w wyborze nazewnictwa. Mówi się, że tunele bajorariski i barzański wykorzystują pola „werteronowe”. Nie mam pojęcia, czy ta nazwa została wzięta z sufitu, czy nie. Ponieważ jednak cząstki wirtualne - fluktuacje kwantowe w pustej przestrzeni - są obecnie najlepszym kandydatem do miana „egzotycznej materii” Kipa Thorne'a, sądzę, że intuicja twórców Star Trek - o ile tym razem się nią posłużyli - zasługuje na uznanie).

Innymi słowy, jeśli fluktuacje kwantowe w próżni mogą być egzotyczne, czy nie wystarczyłyby jakieś inne nieklasyczne konfiguracje materii i promieniowania - chociażby wyrwa w środku zakrzywienia czasoprzestrzennego lub „mieszankowa” nierównowaga w napędzie czasoprzestrzennym Scotty'ego? Ciągle nie znamy odpowiedzi na takie pytania. Choć w żaden sposób nie wykluczają one istnienia stabilnych tuneli czasoprzestrzennych w rzeczywistym Wszechświecie, pozostawiają otwarte ogólniejsze pytanie, dotyczące tego, czy podróże przez tunel są niemożliwe, czy jedynie prawie niemożliwe. Problem tuneli jest nie tylko jednym z przedmiotów sporu pomiędzy nauką a fantastyką naukową: jest on kluczem, mogącym otworzyć drzwi, które wielu wolałoby pozostawić zamknięte.

NOWE SPOJRZENIE NA WEHIKUŁY CZASU. Tunele, chociaż znakomicie by się nadawały do pokonywania olbrzymich odległości w przestrzeni, kryją w sobie jeszcze bardziej niezwykłą możliwość, zauważoną ostatnio w odcinku Ucho igielne z serii Voyager. Załoga Voyager odkrywa mały tunel wiodący z powrotem do ich własnego „kwadrantu alfa” Galaktyki. Po nawiązaniu łączności przez ten tunel okazało się ku ich przerażeniu, że prowadzi on nie do kwadrantu alfa, który znali i kochali, ale do kwadrantu alfa o jedno pokolenie wcześniej. Dwa końce tunelu łączyły przestrzeń w dwóch różnych czasach!

I tym razem twórcy serii Voyager uchwycili sedno sprawy. Jeśli istnieją tunele czasoprzestrzenne, niewątpliwie mogą one być wehikułami czasu! Świadomość tego zaskakującego faktu narastała w ciągu ostatniego dziesięciolecia, w miarę jak różni teoretycy, nie mając nic lepszego do roboty, zaczęli badać fizykę tuneli czasoprzestrzennych nieco poważniej. Wykorzystując ideę tuneli, łatwo jest zaprojektować wehikuł czasu. Najprostszy chyba przykład znowu zawdzięczamy Kipowi Thorne'owi: tunel, którego jeden koniec pozostaje zamocowany, drugi zaś porusza się z dużą, ale podświetlną prędkością w odległym obszarze Galaktyki. W zasadzie jest to możliwe, nawet jeśli długość tunelu nie ulega zmianom. Używając przedstawionego wcześniej dwuwymiarowego modelu tunelu, przesuńmy po prostu dolną część powierzchni na lewo, pozwalając przestrzeni „prześlizgiwać się” po dolnym otworze tunelu, który przez cały czas znajduje się w tym samym miejscu w stosunku do drugiego otworu tunelu:

Ponieważ dolny wylot tunelu porusza się względem przestrzeni, w której jest umieszczony, natomiast górny pozostaje w tym samym miejscu, zgodnie ze szczególną teorią względności zegary na każdym z końców tunelu odmierzają czas w innym tempie. Jeśli jednak długość tunelu nie ulega zmianie, dla kogoś znajdującego się wewnątrz tunelu te dwa końce będą się znajdowały względem siebie w spoczynku. W tym układzie odniesienia zegary w obu końcach powinny tykać w takim samym tempie. Cofnijmy teraz dolną część powierzchni z powrotem w to samo miejsce, tak aby dolne wejście do tunelu znalazło się w początkowym położeniu. Powiedzmy, że czynność ta - obserwowana przez kogoś znajdującego się w pobliżu dolnego wylotu tunelu - zajmuje jeden dzień. Z punktu widzenia obserwatora znajdującego się przy górnym końcu tunelu ten sam proces może trwać dziesięć dni. Gdyby ten drugi obserwator spojrzał przez tunel na obserwatora znajdującego się na dole, zobaczyłby na jego ściennym kalendarzu datę o dziewięć dni wcześniejszą! Jeśli teraz zdecyduje się on złożyć wizytę drugiemu obserwatorowi podróżując przez tunel, cofnie się w czasie.

Jeśli istnieją stabilne tunele czasoprzestrzenne, musimy przyznać, że wehikuły czasu są możliwe. Powróćmy teraz do uwag Einsteina, o których była mowa na początku poprzedniego rozdziału. Czy podróże w czasie - a zatem stabilne tunele i egzotyczną materię o ujemnej energii - można „wykluczyć ze względów fizycznych”?

Tunele są w końcu tylko jednym z przykładów wehikułów czasu, które zaproponowano w ramach ogólnej teorii względności. Jeśli przypomnimy sobie naszą poprzednią dyskusję o naturze tej teorii, nie powinno być zaskakujące, że podróże w czasie stają się w niej możliwe. Powtórzmy jeszcze raz poglądowy zapis równań Einsteina, który podałem wcześniej:

Lewa strona równania = Prawa strona równania

ZAKRZYWIENIE = MATERIA I ENERGIA

Lewa strona tego równania określa geometrię czasoprzestrzeni. Prawa strona opisuje rozkład materii i energii. Moglibyśmy zapytać, jaka będzie krzywizna przestrzeni dla danego rozkładu materii i energii. Ale możemy też działać odwrotnie. Dla danej geometrii przestrzeni, włącznie z taką, która zawiera zamknięte krzywe czasowe - czyli pętle przyczynowe, pozwalające powrócić do początkowego punktu w przestrzeni i czasie (w pętlę taką wpadł Enterprise przed, w trakcie i po zderzeniu z Bozemanem) - równania Einsteina określają dokładnie, jaki rozkład materii i energii musi jej towarzyszyć. W zasadzie można więc zaprojektować dowolny rodzaj wszechświata z podróżami w czasie; równania Einsteina szczegółowo podpowiedzą, jakiego rozkładu materii i energii należy użyć. Kluczowe pytanie jest więc następujące: czy taki rozkład materii i energii jest fizycznie możliwy?

Przekonaliśmy się już, dlaczego to pytanie pojawia się, gdy dyskutujemy o tunelach czasoprzestrzennych. Istnienie stabilnych tuneli wymaga egzotycznej materii o ujemnej energii. Rozwiązanie umożliwiające podróże w czasie znalazł w ramach ogólnej teorii względności Kurt Godeł. Wymaga ono istnienia wszechświata o stałej, jednorodnej gęstości energii i zerowym ciśnieniu; wszechświata, który się obraca, ale nie rozszerza. Ostatnio zaproponowano wehikuł czasu związany z istnieniem strun kosmicznych, który również wymaga konfiguracji o ujemnej energii. Niedawno udowodniono, że w ogólnej teorii względności każda konfiguracja materii, która mogłaby pozwalać na podróże w czasie, wymagałaby zastosowania egzotycznych rodzajów materii o ujemnej energii z punktu widzenia przynajmniej jednego obserwatora.

Ciekawe, że prawie we wszystkich odcinkach Stor Trek mówiących o podróżach w czasie lub pętlach czasowych dochodzi również do gwałtownego uwolnienia energii, zwykle związanego z wyrwą w środku zakrzywienia czasoprzestrzennego. Na przykład czasowa pętla przyczynowa, w którą został złapany Enterprise, powstała zaraz po (choć właściwie pojęcia „przed” i „po” tracą sens w pętli przyczynowej) zderzeniu z Bozemanem, które spowodowało naruszenie zakrzywienia czasoprzestrzennego i zniszczenie Enterprise. Ta sama seria wydarzeń powtarzała się wielokrotnie, aż w końcu w jednym cyklu załodze udało się uniknąć zderzenia. Chwilowe zamrożenie czasu na pokładzie Enterprise, odkryte przez Picarda, Datę, Troia i LaForge'a w odcinku Czasobroz, przypuszczalnie również było spowodowane przez narastające naruszenie zakrzywienia czasoprzestrzeni w połączeniu z awarią rdzenia silnika na pokładzie pobliskiego statku romulańskiego. W odcinku Czas do kwadratu rozległy „węzeł energetyczny” cofnął Picarda w czasie. W klasycznym przykładzie podróży w czasie w Stor Trek:. Nagi czas statek Enterprise zostaje przerzucony o trzy dni wstecz w wyniku implozji zakrzywienia czasoprzestrzennego.

Natomiast olbrzymie zakrzywienie czasoprzestrzeni w ostatnim odcinku z serii Następne pokolenie, podróżujące wstecz w czasie i grożące pochłonięciem całego Wszechświata, zostało spowodowane jednoczesną eksplozją trzech wersji Enterprise, które - choć pochodziły z różnych epok - znalazły się w tym samym punkcie przestrzeni.

Wygląda więc na to, że podróże w czasie w rzeczywistym Wszechświecie, podobnie jak we wszechświecie Star Trek, związane są z możliwościami istnienia egzotycznych konfiguracji materii. Czy jakaś wystarczająco zaawansowana obca cywilizacja mogłaby skonstruować stabilny tunel czasoprzestrzenny? Czy potrafimy opisać wszystkie rozkłady masy, które mogą prowadzić do podróży w czasie, a następnie wykluczyć je „ze względów fizycznych”, jak zapewne życzyłby sobie tego Einstein? Na razie nie znamy odpowiedzi na te pytania. Niektóre szczególne wehikuły czasu - takie jak wehikuł czasu Godła lub wykorzystujący istnienie strun kosmicznych - okazały się nie-fizyczne. Chociaż podróże w czasie przez tunele czasoprzestrzenne nie zostały jeszcze ostatecznie wykluczone, wstępne badania sugerują, że kwantowe fluktuacje grawitacji mogą spowodować samozagładę tuneli, zanim udałoby się je wykorzystać do podróży w czasie.

Ostateczne rozwiązanie problemu podróży w czasie pozostanie prawdopodobnie nie znane, dopóki nie powstanie teoria kwantowej grawitacji. Kilka odważnych osób, ze Stephenem Hawkingiem na czele, zajęło już jednak stanowisko w tej sprawie. Hawking jest przekonany, że podróże w czasie są niemożliwe z powodu oczywistych paradoksów z nimi związanych. Zaproponował on „hipotezę zachowania chronologii”, twierdząc, że „prawa fizyki nie pozwalają na pojawienie się zamkniętych krzywych czasowych”.

Osobiście przychylam się do poglądu Hawkinga. Fizyki nie uprawia się jednak za pomocą dekretów. Jak stwierdziłem wcześniej, ogólna teoria względności często wykracza poza nasze naiwne oczekiwania. Jako ostrzeżenie przytoczę dwa znane mi z historii precedensy, kiedy to znani teoretycy utrzymywali,

że zaproponowane w teorii względności zjawisko powinno zostać uznane za niemożliwe, ponieważ muszą go zabraniać prawa fizyki.

Pierwszy raz zdarzyło się to, kiedy młody astrofizyk Subrahmanyan Chandrasekhar wysunął przypuszczenie, że jądra gwiazd o masie większej niż 1,4 masy Słońca nie mogą po spaleniu całego swojego paliwa jądrowego ustabilizować się jako białe karły, lecz muszą dalej zapadać się grawitacyjnie. Znany fizyk sir Arthur Eddington publicznie zakwestionował ten wynik, mówiąc: „wiele przypadków może się przyczynić do uratowania gwiazdy, ale ja chcę silniejszego zabezpieczenia. Sądzę, że powinno istnieć prawo natury, które zapobiegałoby zachowaniu się gwiazdy w tak absurdalny sposób!” W tamtych czasach wielu astrofizyków stanęło po stronie Eddington. Pół wieku później Chandrasekhar otrzymał Nagrodę Nobla za swoje badania, których wyniki do tego czasu zostały już wielokrotnie potwierdzone.

Nieco ponad 20 lat po tej historii do bardzo podobnego wydarzenia doszło na konferencji w Brukseli. J. Robert Oppenheimer, znany amerykański fizyk teoretyk i ojciec bomby atomowej, obliczył, że obiekty, zwane gwiazdami neutronowymi -czyli pozostałości po supernowych, jeszcze gęstsze niż białe karły - nie mogą mieć masy większej od około dwóch mas Słońca, w przeciwnym bowiem razie zapadają się dalej, tworząc coś, co dziś nazywamy czarną dziurą. Równie znany uczony, John Archibald Wheeler, stwierdził, że wynik ten jest niemożliwy, przytaczając ten sam argument, którego użył Eddington, aby odrzucić twierdzenie Chandrasekhara: prawa fizyki muszą w jakiś sposób zapobiegać tak absurdalnemu losowi obiektów fizycznych. W ciągu następnych dziesięciu lat Wheeler zmienił zdanie i, jak na ironię, zasłynął jako ten, który nadał czarnym dziurom ich nazwę.

ROZDZIAŁ 4

DATA KOŃCZY GRĘ

I jam w przyszłość się pogrążał i, jak oka sięgnie trud,

Świat widziałem, który idzie, i wszelaki jego cud.

ALFRED TENNYSON, Zamek w Lockslty

(cytat zawieszony na pokładzie statku Voyager)

Niezależnie od tego, czy w przyszłości opisywanej przez Star Trek może istnieć stabilny tunel czasoprzestrzenny i czy załoga Enterprise mogła przenieść się w czasie do dziewiętnastowiecznego San Francisco, prawdziwa stawka w tym kosmicznym pokerze wiąże się z pytaniem, które doprowadziło nas do dyskusji nad zakrzywioną czasoprzestrzenią. Brzmi ono: czy może istnieć napęd czasoprzestrzenny? Ponieważ nie wydaje się możliwe, aby Galaktyka była podziurawiona stabilnymi tunelami czasoprzestrzennymi, z naszych wcześniejszych dyskusji wynika niezbicie, że bez tego rodzaju napędu większość Drogi Mlecznej pozostanie na zawsze poza naszym zasięgiem. Nadszedł w końcu czas, aby zająć się tym irytującym pytaniem. Odpowiedzią jest głośne: Być może!

Po raz kolejny wiele zawdzięczamy językowej przenikliwości twórców Stor Trek. Opisywałem już, dlaczego żaden rakietowy mechanizm napędowy nigdy nie ominie trzech przeszkód stojących na drodze do podróży międzygwiezdnych, które ustanowiła szczególna teoria względności. Po pierwsze, nic nie może poruszać się szybciej niż światło w pustej przestrzeni. Po drugie, zegary obiektów podróżujących z prędkością bliską prędkości światła zwalniają. Po trzecie, nawet gdyby rakieta mogła przyspieszyć statek kosmiczny do prędkości bliskich prędkości światła, jej zapotrzebowanie na paliwo byłoby bardzo wygórowane.

Pomysł polega na tym, aby zamiast jakiegokolwiek typu rakiety używać samej czasoprzestrzeni - zakrzywiając ją. Ogólna teoria względności wymaga, abyśmy byli nieco bardziej dokładni w naszych stwierdzeniach na temat ruchu. Zamiast mówić, że nic nie może poruszać się szybciej niż światło, winniśmy raczej twierdzić, iż nic nie może podróżować lokalnie szybciej niż światło. Oznacza to, że nic nie może biec szybciej niż światło względem lokalnych mierników odległości. Jeśli jednak czasoprzestrzeń jest zakrzywiona, lokalne mierniki odległości nie muszą być takie same jak globalne.

Jako przykład niech posłuży nam sam Wszechświat. Według szczególnej teorii względności zegary wszystkich obserwatorów znajdujących się w spoczynku względem swojego otoczenia odmierzają czas w takim samym tempie. Zatem w trakcie przemieszczania się przez Wszechświat mogę co jakiś czas się zatrzymywać, umieszczając zegary w takich samych odległościach od siebie w przestrzeni, i oczekiwać, że wszystkie one będą odmierzały ten sam czas. Ogólna teoria względności tego nie zmienia. Zegary będące lokalnie w spoczynku odmierzają ten sam czas. Ogólna teoria względności zezwala jednak, by czasoprzestrzeń się rozszerzała. Obiekty, znajdujące się po przeciwnych stronach obserwowalnego Wszechświata, oddalają się od siebie z prędkością bliską prędkości światła, ale mimo to pozostają w spoczynku względem swojego otoczenia. Jeśli Wszechświat rozszerza się jednorodnie ł jest wystarczająco duży - a oba te założenia wydają się prawdziwe - istnieją obiekty, których nie możemy jeszcze zobaczyć i które w tej właśnie chwili oddalają się od nas o wiele szybciej niż światło, chociaż cywilizacje na tych krańcach Wszechświata mogą się znajdować lokalnie w spoczynku względem swojego otoczenia.

Krzywizna przestrzeni stwarza więc lukę w argumentach szczególnej teorii względności - lukę wystarczająco dużą, aby mógł się przez nią przecisnąć statek kosmiczny Federacji. Jeśli istnieje możliwość manipulowania samą czasoprzestrzenią, obiekty mogą się poruszać lokalnie z małymi prędkościami, ale towarzyszące im rozszerzanie lub kurczenie się przestrzeni pozwala na pokonywanie olbrzymich odległości w krótkim czasie. Widzieliśmy już, w jaki sposób daleko idąca manipulacja - to znaczy wycinanie i sklejanie odległych części Wszechświata za pomocą tunelu czasoprzestrzennego - może tworzyć skróty w czasoprzestrzeni. Chcę tutaj pokazać, że nawet jeśli nie będziemy się uciekać do tak drastycznych zabiegów, podróże z prędkością ponadświetlną mogą być globalnie możliwe, nawet jeśli nie są możliwe lokalnie.

Zasadniczy dowód tego stwierdzenia został ostatnio przedstawiony przez Miguela Alcubierre'a, fizyka z Uniwersytetu Walijskiego. Postanowił on dla zabawy zbadać, czy w ramach ogólnej teorii względności można znaleźć spójne rozwiązanie dopuszczające tego typu podróże. Udało mu się wykazać, że można uzyskać taką konfigurację czasoprzestrzeni, w której statek kosmiczny podróżowałby między dwoma punktami w dowolnie krótkim czasie. Co więcej, przez cały czas podróży statek ten poruszałby się względem swojego otoczenia z prędkościami mniejszymi od prędkości światła, dzięki czemu zegary na jego pokładzie byłyby zsynchronizowane z zegarami znajdującymi się w punkcie startu oraz w punkcie docelowym. Wygląda więc na to, że ogólna teoria względności pozwala nam jednocześnie mieć ciastko i je zjeść.

Pomysł jest prosty. Jeśli czasoprzestrzeń można lokalnie ukształtować tak, aby rozszerzała się za statkiem, a kurczyła przed nim, statek będzie się poruszał wraz z przestrzenią, w której się znajduje, niczym deska surfingowa na fali. Nie przekroczy on nigdy prędkości światła, ponieważ światło również będzie się unosiło wraz z rozszerzającą się falą przestrzeni.

By lepiej to zrozumieć, wyobraźmy sobie, że znajdujemy się na pokładzie takiego statku. Jeśli przestrzeń za nami nagle znacznie się rozszerzy, zauważymy, że stacja kosmiczna, którą opuściliśmy przed kilkoma minutami, znajduje się teraz w odległości wielu lat świetlnych. Podobnie, jeśli przestrzeń skurczy się przed nami, spostrzeżemy, że stacja kosmiczna, do której zmierzamy i która znajdowała się uprzednio w odległości kilku lat świetlnych, jest teraz bardzo blisko i można do niej dotrzeć w ciągu kilku minut, używając zwykłego napędu rakietowego.

Można tak zaprojektować geometrię czasoprzestrzeni, aby olbrzymie pola grawitacyjne, potrzebne do rozszerzania i kurczenia przestrzeni, nie miały nigdy dużych wartości w pobliżu statku lub którejś ze stacji kosmicznych. W okolicach statku i stacji przestrzeń może być niemal płaska i dzięki temu zegary na statku i w stacjach pozostaną zsynchronizowane. Gdzieś między statkiem a stacjami grawitacyjne siły pływowe będą olbrzymie, ale nie przeszkodzi to nam, dopóki się tam nie znajdziemy.

Takie właśnie rozwiązanie musieli mieć na myśli autorzy Star Trek, kiedy wymyślali napęd czasoprzestrzenny, nawet jeśli nie przypomina ono zbytnio podanych przez nich opisów technicznych. Czyni za to zadość wszystkim postawionym wcześniej wymaganiom, które należy spełnić, aby odbywać z powodzeniem kontrolowane podróże międzygalaktyczne. Mamy tu: (1) prędkość ponadświetlną, (2) brak dylatacji czasu i (3) brak napędu rakietowego. Pominęliśmy oczywiście bardzo ważną kwestię. Nadając samej czasoprzestrzeni własności dynamiczne, ogólna teoria względności pozwala na tworzenie „zaprojektowanych czasoprzestrzeni”, w których możliwy jest niemal każdy rodzaj ruchu w przestrzeni i czasie. Nie za darmo jednak: teoria względności wiąże te czasoprzestrzenie z pewnym rozkładem materii i energii. Aby zatem pożądana czasoprzestrzeń była „fizyczna”, leżący u jej podstaw rozkład materii i energii musi być osiągalny. Niedługo powrócimy do tego problemu.

Pierwszą ciekawą własnością takich zaprojektowanych czasoprzestrzeni jest to, że pozwalają nam one powrócić do dawnych problemów Newtona i stworzyć amortyzatory bezwładności oraz wiązki holownicze. Idea jest taka sama, jak w przypadku napędu czasoprzestrzennego. Jeśli można zakrzywiać czasoprzestrzeń wokół statku, obiekty mogą się poruszać osobno lub razem, nie doświadczając żadnego lokalnego przyspieszenia, co, jak pamiętamy, było zmorą Newtona. Aby uniknąć niewiarygodnych przyspieszeń, koniecznych do osiągnięcia prędkości bliskich prędkości światła przy wykorzystaniu napędu pulsacyjnego, musimy uciekać się do takich samych trików z czasoprzestrzenią, jak w przypadku użycia napędu czasoprzestrzennego. Zanika więc różnica między napędem pulsacyjnym a napędem czasoprzestrzennym. Podobnie, aby użyć wiązki holowniczej do przyciągnięcia ciężkiego obiektu, takiego jak planeta, należy skurczyć przestrzeń po tej stronie planety, która jest bliżej nas, a rozszerzyć po przeciwnej. To proste!

Zakrzywianie czasoprzestrzeni ma również inne zalety. Jeżeli przestrzeń przed Enterprise Jest silnie zakrzywiona, jakikolwiek promień świetlny - albo na przykład wiązka fazera - zostanie odchylony od statku. Niewątpliwie na tej zasadzie działają tarcze deflektorów. I rzeczywiście, z serialu dowiadujemy się, że tarcze deflektorów pracują dzięki „spójnej emisji grawitonów”. Ponieważ grawitony są z definicji cząstkami, które przenoszą siłę grawitacji, spójna emisja grawitonów jest niczym innym, jak tworzeniem spójnego pola grawitacyjnego. W języku współczesnej fizyki to właśnie spójne pole grawitacyjne zakrzywia przestrzeń! Tak więc twórcy Stor Trek po raz kolejny wybrali właściwe słownictwo.

Wyobrażam sobie, że romulańskie urządzenie maskujące mogłoby działać w podobny sposób. Enterprise z rozwiniętymi tarczami deflektora jest, w gruncie rzeczy, dobrze zamaskowanym statkiem. W końcu coś, co samoistnie nie świeci, widzimy dlatego, że obiekt ten odbija światło, które następnie trafia do nas. Maskowanie musi zatem polegać na zakrzywieniu przestrzeni tak, aby promienie świetlne zakrzywiały się wokół statku, zamiast się od niego odbijać. Nie różni się to prawie od odchylania promieni świetlnych od statku Enterprise. W związku z tym, zanim wyemitowany został odcinek Pegaz serii Następne pokolenie, wielu trekkerów gnębiło pytanie, dlaczego Federacja nie stosuje technologii maskowania? A zatem każda cywilizacja, która potrafi wytwarzać deflektory, powinna również umieć budować urządzenia maskujące. W odcinku Pegaz dowiadujemy się, że ograniczeniem dla rozwoju urządzeń maskujących było raczej zawarte porozumienie, a nie poziom technologii (w ostatnim odcinku serii Następne pokolenie pod tytułem Wszystko, co dobre... okazuje się, że Federacja w końcu przyzwala na stosowanie maskowania statków).

Kiedy dysponujemy już napędem czasoprzestrzennym działającym zgodnie z zasadami ogólnej teorii względności, prędkości uzyskiwane przy użyciu tego napędu nabierają bardziej konkretnego znaczenia. Prędkość taka zależałaby od tego, jak bardzo kurczy się lub rozszerza objętość przestrzeni przed lub za statkiem. Ustalenia dotyczące tych prędkości nigdy nie były ostateczne: wygląda na to, że między pierwszą a drugą serią Gene Roddenberry zdecydował, iż prędkości statków kosmicznych należy przekalibrować tak, by nie przekraczały 10 warpów. Oznacza to, że prędkości tych nie można mierzyć prostą skalą logarytmiczną, w której 10 warpów odpowiadałoby na przykład 2¹⁰ = 1024 x prędkość światła. Według instrukcji technicznej serii Następne pokolenie 9,6 warpa - największa prędkość osiągana przez Enterprise-D - odpowiada wartości 1909 x prędkość światła, a 10 warpów oznacza prędkość nieskończoną. Warto zauważyć, że mimo tego przekalibrowania, co jakiś czas namierza się obiekty (takie jak sześcian Borga) poruszające się z prędkościami większymi niż 10 warpów, sądzę więc, że nie powinniśmy się przejmować szczegółami.

I tyle dobrych wiadomości...

Skoro przekonaliśmy się już, że napęd czasoprzestrzenny nie jest czymś całkowicie niemożliwym (przynajmniej w zasadzie), musimy w końcu stawić czoło konsekwencjom tego zjawiska dla prawej strony równań Einsteina - to znaczy dla rozkładu materii i energii, jaki jest konieczny do stworzenia wymaganego zakrzywienia czasoprzestrzeni. Cóż, pod tym względem okazuje się, że sytuacja wygląda tu gorzej jeszcze niż w przypadku tuneli czasoprzestrzennych. Obserwatorzy podróżujący z wielką prędkością przez tunel czasoprzestrzenny mieliby do czynienia z ujemną energią. W przypadku materii potrzebnej do stworzenia napędu czasoprzestrzennego nawet obserwator znajdujący się w spoczynku względem statku kosmicznego - czyli obecny na jego pokładzie - zarejestrowałby ujemną energię.

Ta sytuacja nie jest aż tak bardzo zaskakująca. Na pewnym poziomie wszystkie niezwykłe rozwiązania ogólnej teorii względności - pozwalające utrzymywać otwarte tunele, odbywać podróże w czasie i budować silniki czasoprzestrzenne -wymagają, by w pewnych skalach materia odpychała grawitacyjnie inną materię. W ogólnej teorii względności istnieje nawet twierdzenie mówiące, że warunek ten jest równoważny temu, by energia materii była dla pewnych obserwatorów ujemna.

Jeszcze bardziej zaskakujące jest to, że z połączenia mechaniki kwantowej ze szczególną teorią względności wynika, iż przynajmniej w skalach mikroskopowych lokalny rozkład energii może być ujemny. Jak zauważyłem w rozdziale trzecim, fluktuacje kwantowe często mają tę własność. Zasadnicze pytanie, na które na razie nie znamy odpowiedzi, dotyczy tego, czy znane nam prawa fizyki pozwalają na to, aby materia była obdarzona taką własnością w skali makroskopowej. Obecnie nie mamy najmniejszego pojęcia, jak można by tworzyć taką materię w zgodzie z prawami fizyki.

Zapomnijmy jednak na chwilę o potencjalnych przeszkodach i przypuśćmy, że pewnego dnia uda się stworzyć egzotyczną materię, wykorzystując jakąś zaawansowaną kwanto-womechaniczną inżynierię materii lub pustej przestrzeni. Nawet w takim przypadku wymagania energetyczne, jakie należałoby spełnić, aby w opisany sposób bawić się czasoprzestrzenią, byłyby niewyobrażalnie większe od mocy koniecznej do osiągnięcia prędkości pulsacyjnych. Rozważmy masę Słońca, która jest blisko milion razy większa od masy Ziemi. Pole grawitacyjne na powierzchni Słońca wystarcza, aby zakrzywić promień świetlny o mniej niż jedną tysięczną stopnia. Jakież olbrzymie pola grawitacyjne należałoby wytworzyć w pobliżu statku kosmicznego, aby odchylić o 90 stopni biegnący w jego kierunku promień fazera! Jest to jedna z wielu przyczyn, dla których zupełnie niemożliwy jest słynny „efekt katapulty”, którym posłużono się po raz pierwszy w klasycznym odcinku Jutro będzie wczoraj, aby cofnąć Enterprise w czasie (później w Stor Trek IV: Podróż do domu, a także w odcinku Czas do kwadratu z serii Następne pokolenie). Pole grawitacyjne w pobliżu powierzchni Słońca jest bardzo małe w porównaniu z efektami grawitacyjnymi, jakie byłyby potrzebne, aby zaburzyć przestrzeń w opisany tutaj sposób.

Jednym ze sposobów określenia potrzebnej w tym celu energii jest porównanie jej z energią niezbędną do stworzenia czarnej dziury wielkości Enterprise - ponieważ czarna dziura tej średnicy z pewnością wytworzyłaby pole grawitacyjne, które mogłoby znacząco zakrzywić biegnący w pobliżu niej promień świetlny. Masa takiej czarnej dziury wynosiłaby 10% masy Słońca. Gdy wyrazimy to w jednostkach energii, okaże się, że na wytworzenie takiej czarnej dziury potrzebna byłaby całkowita energia, jaką wytwarza Słońce w ciągu swego istnienia.

Gdzie się więc znajdujemy pod koniec tej gry? Wiemy wystarczająco dużo o naturze czasoprzestrzeni, aby opisać, w jaki sposób można by, przynajmniej teoretycznie, wykorzystać zakrzywioną przestrzeń do podróży międzygwiezdnych pokazywanych w Stor Trek. Wiemy, że bez tych niezwykłych możliwości prawdopodobnie nigdy nie będziemy podróżować po Galaktyce. Z drugiej strony, nie mamy pojęcia, czy fizyczne warunki, konieczne do osiągnięcia tego celu, są możliwe praktycznie lub nawet czy są w zasadzie możliwe. Gdyby jednak były, każda cywilizacja próbująca je wykorzystać musiałaby zaprząc do tego energię znacznie większą niż cokolwiek, co można sobie obecnie wyobrazić.

Można, jak sądzę, przyjąć optymistyczny pogląd, że te naprawdę niezwykłe cuda przynajmniej a priori nie są niemożliwe, choć zależą od jednej mało prawdopodobnej możliwości: umiejętności tworzenia i przechowywania egzotycznej materii i energii. Są powody, aby mieć nadzieję, muszę jednak przyznać, że sam jestem tu raczej sceptykiem. Podobnie jak mój kolega, Stephen Hawking, jestem przekonany, że paradoksy związane z podróżami w czasie wykluczają taką możliwość w każdej rozsądnej teorii fizycznej. Ponieważ mniej więcej takie same warunki muszą być spełnione dla stworzenia napędu czasoprzestrzennego i tarczy deflektorów, nie spodziewam się, że kiedyś zostaną skonstruowane - chociaż już raz się pomyliłem.

Mimo to wciąż jestem optymistą. Według mnie, najbardziej godna szacunku jest olbrzymia ilość wiedzy, która przywiodła nas do tego fascynującego progu. Żyjemy w odległym zakątku jednej ze 100 miliardów galaktyk obserwowalnego Wszechświata. Podobnie jak robaczki na kawałku gumy, mieszkamy we Wszechświecie, którego prawdziwa forma jest ukryta przed naszym wzrokiem. W ciągu mniej niż dwudziestu pokoleń - od czasów Newtona do dzisiaj - używaliśmy prostych praw fizyki, aby rozświetlić głębiny przestrzeni i czasu. Możliwe, że nigdy nie będziemy mogli wejść na pokład statków i wyruszyć do gwiazd, ale nawet uwięzieni na tej małej błękitnej planecie potrafiliśmy zbadać nocne niebo i odkryć niezwykłe zjawiska, a niewątpliwie wiele jeszcze przed nami. Jeśli nawet fizyka nie jest w stanie umożliwić nam międzygwiezdnych podróży i wędrówek po Galaktyce, z pewnością nam ją przybliża.

CZĘŚĆ II

MATERIA, WSZĘDZIE MATERIA

W części tej czytelnik zapoznaje się z transporterem,

napędem czasoprzestrzennym,

kryształami dwulitu, silnikami na materie

i antymaterię oraz z holodekiem.

ROZDZIAŁ 5

ATOMY CZY BITY

Reg, przesyłanie naprawdę jest najbezpieczniejszym sposobem podróżowania.

GEORDI LaFORGE do porucznika Reginalda Barclaya

w odcinku Królestwo strachu

Życie naśladuje sztukę. Ostatnio ciągle słyszę to samo pytanie: atomy czy bity - gdzie leży przyszłość? Trzydzieści lat temu Gene Roddenberry zajmował się tym samym problemem z innych powodów. Miał piękny projekt statku kosmicznego oraz jeden mały problem: podobnie jak pingwin w wodzie, Enterprise potrafił gładko szybować w przestrzeni kosmicznej, lecz - tak jak pingwin na lądzie - miałby poważne problemy z podwoziem przy lądowaniu. Co więcej, szczupły tygodniowy budżet telewizyjny wykluczał kręcenie co tydzień lądowania olbrzymiego statku kosmicznego.

Jak więc rozwiązać ten problem? To proste: spowodować, aby statek nigdy nie musiał lądować. Znaleźć jakiś sposób na przenoszenie członków załogi ze statku na powierzchnię planety. Zanim można było powiedzieć: „Prześlij mnie”, musiał się narodzić transporter.

Chyba żadne inne urządzenie, może z wyjątkiem napędu czasoprzestrzennego, nie ubarwia tak bardzo misji każdego statku Federacji. Nawet ci, którzy nigdy nie oglądali żadnego odcinka Star Trek, znają przytoczone przed chwilą magiczne wyrażenie. Przeniknęło ono do kultury masowej. Słyszałem ostatnio o młodym człowieku, który będąc w stanie nietrzeźwym przejechał skrzyżowanie na czerwonym świetle i wjechał

na samochód policyjny. Gdy na przesłuchaniu zapytano go, czy ma coś do powiedzenia, zrozpaczony młodzian wstał, wyjął portfel, otworzył go i wymamrotał: „Prześlij mnie, Scotty!” Ta historyjka jest pewnie nieprawdziwa, lecz świadczy

0 wpływie, jaki hipotetyczna technologia wywarła na naszą kulturę; wpływie tym bardziej godnym uwagi, że prawdopodobnie żaden przykład fantastycznonaukowej technologii na pokładzie Enterprise nie jest tak kompletnie niewiarygodny. Aby stworzyć takie urządzenie, należałoby przezwyciężyć więcej problemów - zarówno teoretycznych, jak i praktycznych -niż można sobie wyobrazić. Problemy te związane są z rozległymi obszarami fizyki i matematyki, włącznie z teorią informacji, mechaniką kwantową, równaniem Einsteina łączącym masę i energię, fizyką cząstek elementarnych i tak dalej.

W ten sposób dochodzimy do dyskusji na temat atomów i bitów. Pojęcie transportera zmusza nas do zadania kluczowego pytania: jeśli mamy do czynienia z problemem przeniesienia ze statku na powierzchnię planety około l O²⁸ (l z 28 zerami) atomów materii wraz ze złożonym wzorem budowy konkretnej istoty ludzkiej, jaki jest najszybszy i najbardziej efektywny sposób przeprowadzenia takiej operacji? Pytanie jest istotne, ponieważ z tym samym dylematem spotykamy się rozważając problem, w jaki sposób najlepiej zwielokrotnić skomplikowany układ około l O²⁶ atomów, znajdujących się w średniej wielkości książce. Potencjalnie rewolucyjnym pomysłem, przynajmniej tak twierdzi wielu guru mediów cyfrowych, jest uznanie, że atomy nie są aż tak ważne. Większe znaczenie mają bity.

Rozważmy jako przykład książkę w bibliotece. Biblioteka kupuje zwykle jeden egzemplarz książki (czasem kilka - w przypadku autorów, którzy mają więcej szczęścia), przechowywany i wypożyczany jednej osobie na raz. Jednak w bibliotece cyfrowej tę samą informację można przechowywać w postaci bitów. Bity to jedynki lub zera, które łączy się w ośmioelementowe ciągi, zwane bajtami, mogące przedstawiać słowa lub liczby. Ta informacja tkwi w pamięci magnetycznej komputerów, gdzie każdy bit jest reprezentowany przez namagnesowany (1) lub nienamagnesowany (O) obszar. W takim przypadku do tego samego miejsca w pamięci komputera może mieć dostęp - w zasadzie w tym samym czasie - dowolna liczba użytkowników. Tak więc dzięki bibliotece cyfrowej każda osoba na Ziemi, która w przeciwnym razie musiałaby kupić książkę, może ją przeczytać, korzystając tylko z jednego źródła. Oczywiście, dysponowanie rzeczywistymi atomami, które składają się na książkę, nie odgrywa już w tym wypadku wielkiego znaczenia i jest na pewno mniej efektywne, niż przechowywanie bitów (chociaż pozbawia autora wpływów ze sprzedaży).

A co z ludźmi? Jeśli planuje się przenosić ludzi, czy należy przemieszczać ich atomy, czy tylko informację, którą zawierają? Na pierwszy rzut oka można by sądzić, że przeniesienie informacji jest o wiele łatwiejsze, choćby dlatego, że informacja może podróżować z prędkością światła. W przypadku ludzi mamy jednak do czynienia z dwoma problemami, które nie dotyczą książek: po pierwsze, należy wydobyć informację, co nie jest takie łatwe; po drugie, informację trzeba połączyć z materią. W końcu ludzie - w przeciwieństwie do książek - potrzebują atomów.

Wydaje się, że twórcy Star Trek nigdy nie wyjaśnili dokładnie, co ma robić ich transporter. Czy przesyła on atomy i bity, czy tylko bity? Może się wydawać dziwne, że zajmuję się tym zagadnieniem, chociaż instrukcja techniczna serii Następne pokolenie opisuje ten proces szczegółowo: najpierw transporter kieruje się na cel, następnie odczytuje obraz, który ma być przesłany, „dematerializuje” go, przechowuje przez chwilę w „buforze wzorca”, a następnie transmituje „strumień materii” w postaci „pierścieniowo związanego promienia” na miejsce przeznaczenia. Wygląda więc na to, że transporter przesyła materię razem z informacją.

Jedyny problem związany z owym opisem polega na rym, że nie zgadza się on z niektórymi funkcjami transportera. Przynajmniej w dwóch dobrze znanych przypadkach transporter zabrał jedną osobę, a dostarczył dwie. W słynnym odcinku Wróg wewnętrzny źle działający transporter dzieli Kirka na dwie różne wersje jego samego: dobrą i złą. Ciekawszy i bardziej trwały w skutkach obrót sprawy wzięły w odcinku Jeszcze jedna szansa serii Następne pokolenie, gdzie dowiadujemy się, że porucznik Riker w trakcie przesyłania z planety Nervala IV na statek Potiomkin został podzielony na dwie kopie. Jedna z nich dotarła bezpiecznie na Potiomkina, podczas gdy drugi egzemplarz wrócił na planetę, gdzie żył samotnie przez osiem lat.

Jeśli transporter przesyła zarówno strumień materii, jak i sygnał informacyjny, podział jest niemożliwy. Liczba atomów na końcu podróży musi być taka sama jak na początku. A zatem nie da się powielać ludzi. Z drugiej strony, jeśli przesyłana jest tylko informacja, można sobie wyobrazić, że zostaje ona połączona z atomami przechowywanymi na statku i że wykonuje się w ten sposób dowolną liczbę kopii danej osoby.

Podobny problem dotyczący strumienia materii pojawia się, gdy rozpatrujemy los obiektów przesyłanych w kosmos w postaci „czystej energii”. Na przykład w odcinku Samotny wśród nas w serii Następne pokolenie Picard decyduje się w pewnym momencie na przesłanie się w postaci czystej energii, bez ograniczeń, jakie nakłada materia. Okazuje się to ponurym i niebezpiecznym doświadczeniem, ale udaje mu się odzyskać swą cielesną formę z bufora wzorca. Gdyby jednak strumień materii został wysłany w przestrzeń kosmiczną, nie byłoby czego odtwarzać.

Nie zważając na instrukcję techniczną Star Trek, przyjmę agnostyczny punkt widzenia i zajmę się problemami, które wiążą się z przesyłaniem zarówno atomów, jak i bitów.

KIEDY CIAŁO NIE MA CIAŁA. Co składa się na ludzką istotę? To najbardziej chyba fascynujące pytanie dotyczące przesyłania, na które zwykle nawet nie próbuje się odpowiadać. Co składa się na istotę ludzką? Czy jesteśmy tylko sumą wszystkich naszych atomów? Mówiąc dokładniej, czy gdybyśmy potrafili odtworzyć każdy atom swojego ciała w dokładnie takim samym chemicznym stanie wzbudzenia, w jakim rzeczywiście znajduje się w danej chwili, stworzylibyśmy funkcjonalnie identyczną osobę, mającą dokładnie te same wspomnienia, nadzieje, marzenia, ducha? Należy oczekiwać, że tak właśnie się stanie, ale warto zauważyć, że dotykamy tutaj wielu wierzeń dotyczących istnienia „duszy”, która jest w jakiś sposób odróżnialna od ciała. Co się dzieje z człowiekiem po śmierci? Czyż wiele religii nie utrzymuje, że dusza może istnieć nawet wtedy, gdy ciało umrze? Co w takim razie dzieje się z duszą w trakcie przesyłania? Transporter oferowałby wspaniałą możliwość doświadczalnego rozstrzygnięcia tego problemu. Gdyby jakąś osobę przesłano na pokład Enterprise, a ona pozostałaby nietknięta i nie zmieniona w dający się zaobserwować sposób, świadczyłoby to zdecydowanie o tym, że istota ludzka nie jest niczym więcej niż sumą swoich części, i podałoby w wątpliwość wiele wierzeń dotyczących duszy.

Z oczywistych powodów w Star Trek starannie unika się jasnego postawienia tej sprawy. Jednakże mimo czysto fizycznego charakteru procesów dematerializacji i przesyłania, idea jakiejś mglistej „siły życiowej”, istniejącej poza ograniczeniami ciała, jest w serialu stale obecna. Z drugiego i trzeciego pełnometrażowego filmu Star Trek (Gniew Chana i W poszukiwaniu Spocka) można wywnioskować, że przynajmniej Spock dysponuje „katrą” - żyjącym duchem, który może istnieć poza ciałem. Ostatnio w odcinku Cathexis serii Voyager „nerwowa energia” Chakotaya - pokrewna sile życiowej - zostaje oddzielona od ciała i wędruje po statku, od osoby do osoby, próbując dostać się z powrotem do „domu”.

Nie sądzę, aby można było osiągnąć w tej kwestii jakiś kompromis. Albo „dusza”, „katra”, „siła życiowa”, czy jakkolwiek zechcemy to nazwać, stanowi część ciała, a my nie jesteśmy niczym więcej niż istotą materialną, albo nie. Starając się nie urazić uczuć religijnych, nawet tych żywionych przez Vulcana, zajmę w tej dyskusji pozycję neutralną. Uznałem jednak, że zanim pójdziemy dalej, należy zwrócić uwagę, iż nawet podstawowego założenia funkcjonowania transportera - atomy i bity są wszystkim, co istnieje - nie należy traktować lekceważąco.

PROBLEMY Z BITAMI. Wielu problemów, którymi się wkrótce zajmę, można by uniknąć, gdybyśmy zrezygnowali z przenoszenia atomów razem z informacją. Każdy, kto ma dostęp do sieci

Internet, wie, jak łatwo jest przesłać strumień danych zawierający, powiedzmy, szczegółowe schematy nowego samochodu razem z jego zdjęciami. Przesłanie rzeczywistego samochodu jest nieporównanie trudniejsze. Nawet jednak w przypadku przesyłania samych bitów pojawiają się dwa bardzo poważne problemy. Pierwszy to znany kłopot, z jakim mieli do czynienia na przykład ostatni ludzie, którzy widzieli żywego Jimmy'ego Hoffę: jak pozbyć się ciała? Jeśli chcemy przesłać tylko informację, atomy należy pozostawić w punkcie wyjścia, a nowy ich zbiór zebrać w punkcie docelowym. To dość poważny problem. Zniszczenie l O²⁸ atomów stanowi nie lada kłopot. Przypuśćmy na przykład, że chcemy zmienić całą tę materię w czystą energię. Ile energii otrzymamy? Odpowiedź da nam oczywiście wzór Einsteina E - mc². Gdyby nagle przekształcić 50 kilogramów (tyle waży nieduża dorosła osoba) materii w energię, uwolnilibyśmy energię równoważną tysiącowi bomb wodorowych o sile jednej megatony. Trudno sobie wyobrazić, jak można by to zrobić w sposób przyjazny dla środowiska.

Wiąże się z tym jeszcze inny problem. Gdyby można było przeprowadzić taką operację, bardzo proste stałoby się powielanie ludzi. Co więcej, byłoby to o wiele prostsze, niż ich przenoszenie i przesyłanie, ponieważ nie trzeba byłoby niszczyć oryginału. Do kopiowania w ten sposób przedmiotów nieożywionych można się przyzwyczaić i wydaje się, że członkowie załóg na pokładach statków potrafią z tym żyć. Powielanie żywych istot ludzkich stałoby się jednak z pewnością przyczyną kłopotów, o czym świadczą perypetie Rikera w odcinku Jeszcze jedna szansa Skoro już same badania nad rekombinacją DNA spowodowały pojawienie się mnóstwa problemów etycznych, trudno sobie nawet wyobrazić, jakie zamieszanie powstałoby, gdyby można było powielać na życzenie żywe istoty, łącznie z ich pamięcią i osobowością. Ludzie przypominaliby programy komputerowe lub książki zapisane na dysku. Gdyby ktoś uległ zniszczeniu lub infekcji, można by po prostu uruchomić kopię zapasową.

POZOSTAŃMY PRZY ATOMACH. Podane argumenty sugerują, że zarówno z praktycznego, jak i z etycznego punktu widzenia lepiej byłoby, gdyby transporter przenosił strumień materii wraz z sygnałem informacyjnym, tak jak dzieje się to w serialu Star Trek. Wówczas pojawia się jednak problem transportu atomów. Okazuje się. że znów wszystko obraca się wokół energii, choć tym razem mamy do czynienia z nieco subtelniejszą sytuacją.

W jaki sposób można zdematerializować coś w transporterze? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy dokładniej rozważyć prostszą kwestię - czym jest materia? Każda zwyczajna materia składa się z atomów, które z kolei zbudowane są z bardzo gęstych jąder otoczonych chmurą elektronów. Każdy, kto pamięta szkolne lekcje chemii lub fizyki, wie, że większość objętości atomu to tylko pusta przestrzeń. Obszar zajmowany przez zewnętrzne elektrony jest około dziesięciu tysięcy razy większy niż przestrzeń, którą okupuje jądro.

Skoro atomy to w głównej mierze pusta przestrzeń, dlaczego materia nie przenika przez inną materię? Otóż ściana jest twarda nie dlatego, że składa się z cząstek, lecz dzięki obecności pól elektrycznych działających między nimi. Kiedy uderzam ręką w biurko, nie przechodzi ona przez blat głównie z powodu odpychania elektrycznego działającego na elektrony w atomach mojej ręki. Jest ono wywołane obecnością elektronów w atomach biurka, a nie brakiem przestrzeni, w której elektrony mogłyby się poruszać.

Pola elektryczne nie tylko nadają materii cielesność - w tym sensie, że zapobiegają przenikaniu obiektów nawzajem przez siebie - lecz także utrzymują ją w całości. Aby to zmienić, należy przezwyciężyć siły elektryczne działające między atomami. Wymaga to pracy, do której wykonania potrzeba energii. W ten właśnie sposób zachodzą wszystkie reakcje chemiczne. Konfiguracja poszczególnych skupisk atomów i łączących je wiązań może ulec zmianie, gdy dojdzie do przepływu energii. Jeśli na przykład dostarczymy pewnej ilości energii do mieszaniny azotanu amonowego i oleju napędowego, cząsteczki tych dwóch substancji mogą zmienić swoje położenie i w procesie tym zostanie uwolniona „energia wiązania”, łącząca substancje wyjściowe. Jeśli proces ten zajdzie wystarczająco szybko, spowoduje potężny wybuch.

Energia wiązania między atomami jest jednak bardzo mała w porównaniu z energią wiązania cząstek - protonów i neutronów - które tworzą niewiarygodnie gęste jądra atomowe. Siły zespalające te cząstki w jądrze odpowiadają energiom wiązania miliony razy silniejszym niż energie wiązania atomów. Reakcje jądrowe uwalniają więc znacznie więcej energii niż reakcje chemiczne i dlatego broń jądrowa ma tak wielką siłę rażenia.

Z kolei energia wiązania, która spaja cząstki elementarne, zwane kwarkami, wchodzące w skład protonów i neutronów, jest jeszcze większa niż energia wiązania protonów i neutronów w jądrze. Panuje obecnie przekonanie - poparte obliczeniami, które przeprowadzamy w ramach teorii opisującej oddziaływania kwarków - że całkowite rozdzielenie kwarków, tworzących każdy proton i neutron, wymagałoby nieskończonej energii.

Wynikałoby stąd, że całkowite rozbicie materii na jej fundamentalne składniki - kwarki - jest niemożliwe; przynajmniej w temperaturze pokojowej. Ta sama teoria, która opisuje oddziaływania kwarków wewnątrz protonów i neutronów, mówi jednak, że gdybyśmy podgrzali jądro atomowe do 1000 miliardów stopni (czyli do temperatury mniej więcej milion razy większej niż temperatura panująca w centrum Słońca), nie tylko kwarki utraciłyby swoją energię wiązania, lecz materia nagle zostałaby pozbawiona prawie całej swojej masy. Materia zmieniłaby się w promieniowanie, czyli - posługując się językiem opisującym działanie transportera - uległaby dematerializacji.

Aby zatem przezwyciężyć energię wiązania materii na najbardziej podstawowym poziomie (poziomie, do którego odwołuje się instrukcja techniczna Star Trek, wystarczy podgrzać ją do 1000 miliardów stopni. W jednostkach energii oznacza to, że należy dostarczyć w postaci ciepła około 10% masy spoczynkowej protonów i neutronów. Podgrzanie do takiej temperatury zbioru atomów o rozmiarach istoty ludzkiej wymagałoby mniej więcej 10% energii potrzebnej do zanihilowania tej ilości materii, czyli energii równoważnej stu bombom wodorowym o sile jednej megatony.

Zapoznawszy się z tym trudnym do spełnienia warunkiem, można by dyskutować, czy scenariusz, który właśnie opisałem, nie jest przypadkiem przesadzony. Może nie musimy rozbijać materii aż na kwarki. Może do celów przesyłania ciał wystarczy dematerializacja do poziomu protonów i neutronów lub tylko atomów. Wymagania energetyczne byłyby wtedy na pewno o wiele niższe, chociaż ciągle duże. Niestety, przymknięcie oka na ten problem powoduje, że zaraz stajemy wobec następnego i to znacznie poważniejszego. Gdy uzyskamy już strumień materii składający się z poszczególnych protonów, neutronów i elektronów (lub nawet całych atomów), musimy go jeszcze przesłać - najlepiej z prędkością będącą znacznym ułamkiem prędkości światła.

Aby zmusić cząstki, takie jak protony i neutrony, do poruszania się z prędkościami bliskimi prędkości światła, należy im dostarczyć energii porównywalnej z energią odpowiadającą ich masie spoczynkowej. Okazuje się, że ta ilość energii jest około dziesięciu razy większa od ilości potrzebnej do podgrzania i „roztopienia” protonów na kwarki. Niemniej - choć przyspieszenie protonów do prędkości bliskich prędkości światła wymaga więcej energii na jedną cząstkę -jest to łatwiejsze, niż umieszczenie i utrzymanie wewnątrz protonów wystarczająco dużej energii przez odpowiednio długi czas, aby podgrzać je i rozłożyć na kwarki. Dlatego właśnie potrafimy dziś, chociaż bardzo dużym kosztem, budować olbrzymie akceleratory cząstek - takie jak tewatron w Fermilabie w Batawii (stan Illinois) - które potrafią przyspieszać pojedyncze protony do prędkości równej 99,9% prędkości światła. Ciągle jednak nie udało nam się skonstruować akceleratora, w którym można by bombardować protony z wystarczająco dużą energią, aby stopić je na ich części składowe, czyli kwarki. Zaobserwowanie tego topnienia materii jest jednym z celów fizyków zajmujących się projektowaniem olbrzymich akceleratorów nowej generacji -na przykład urządzenia budowanego obecnie w Narodowym Laboratorium Brookhaven na Long Island.

Muszę znowu wspomnieć o trafnym doborze terminologii dokonanym przez twórców Star Trek. Topienie protonów na kwarki nazywamy w fizyce przejściem fazowym. Proszę sobie wyobrazić, że kiedy w poszukiwaniu nazw części transportera,

które dematerializują obiekty, przewertuje się instrukcję techniczną serii Następne pokolenie, natrafia się na termin „cewki przejścia fazowego”.

Przyszli twórcy transporterów staną więc przed wyborem. Pierwsza możliwość zakłada znalezienie źródła energii, które może przez jakiś czas produkować moc około 10 tysięcy razy większą niż całkowita moc zużywana obecnie na Ziemi, wtedy bowiem będzie można przesyłać „strumień materii” i informacji z prędkością bliską prędkości światła. Druga możliwość związana jest z dziesięciokrotnym zmniejszeniem całkowitych wymagań energetycznych, zakłada jednak, że znajdziemy sposób, aby w jednej chwili podgrzać istotę ludzką do temperatury około miliona razy większej niż temperatura panująca we wnętrzu Słońca.

JEŚLI TO AUTOSTRADA INFORMACYJNA, LEPIEJ JEDŹMY PASEM SZYBKIEGO RUCHU. Pisząc te słowa na moim domowym komputerze Power PC, nie mogę nadziwić się postępowi technicznemu od czasu, gdy ponad dziesięć lat temu kupiłem mojego pierwszego Macintosha. Pamiętam, że wewnętrzna pamięć tej maszyny wynosiła 128 kilobajtów, co nie jest wielkością imponującą w porównaniu z 16 megabajtami w moim obecnym komputerze i 128 megabajtami w szybkiej stacji roboczej, którą mam w swoim biurze na Wydziale Fizyki Case Western Reserve University. A zatem w ciągu jednej dekady pojemność wewnętrznej pamięci mojego komputera wzrosła tysiąckrotnie! W podobny sposób zwiększyła się pojemność pamięci na twardym dysku. Mój pierwszy komputer w ogóle nie miał twardego dysku ł trzeba było używać dyskietek, na których mieściło się 400 kilobajtów informacji. Mój obecny komputer domowy jest wyposażony w twardy dysk o pojemności 500 megabajtów - co znowu oznacza tysiąckrotny wzrost możliwości przechowywania informacji. Szybkość mojego domowego komputera również znacznie się zwiększyła w ciągu ostatnich dziesięciu lat. Przypuszczam, że wykonuje on teraz szczegółowe obliczenia numeryczne prawie sto razy szybciej niż mój pierwszy Macintosh. Natomiast moja stacja robocza na uniwersytecie jest prawdopodobnie jeszcze 10 razy szybsza i może wykonywać prawie pół miliarda operacji na sekundę.

Jakkolwiek by na to nie spojrzeć, dokonał się niewiarygodny postęp. Najlepsze komputery ogólnego przeznaczenia w ciągu ostatniej dekady mniej więcej stukrotnie zwiększyły swoją szybkość i pojemność pamięci. Pomijam tutaj komputery przeznaczone do specjalnych zadań - te cudeńka osiągają prędkości przekraczające 10 miliardów operacji na sekundę. Okazało się też, że niektóre urządzenia specjalnego przeznaczenia należałoby w zasadzie budować, wykorzystując układy biologiczne oparte na DNA, co mogłoby przyspieszyć ich działanie o kilka rzędów wielkości.

Można się zastanawiać, do czego to wszystko zmierza i czy należy spodziewać się tak szybkiego rozwoju także w przyszłości. I czy konieczne jest utrzymanie tego tempa. Zauważyłem już, że elementem określającym tempo przepływu informacji jest końcowy użytkownik. Możemy przyswoić sobie tylko pewną ilość informacji. Aby się o tym przekonać, wystarczy przez kilka godzin korzystać z sieci Internet. Często się dziwię, dlaczego mimo niewiarygodnych możliwości, jakie mam do dyspozycji, moja własna produktywność nie wzrosła ani w części tak bardzo, jak możliwości mojego komputera. Sądzę, że odpowiedź jest oczywista. Nie ograniczają mnie możliwości komputera, lecz moje własne. Z tego powodu często się mówi, że komputery mogą być następną fazą ewolucji człowieka. Nie ulega wątpliwości, że Data, chociaż pozbawiony uczuć, pod wieloma względami znacznie przewyższa swoich kolegów z załogi. A jest on, jak to zostało powiedziane w odcinku Miara człowieka, żywą istotą.

To tylko dygresja. Wspominam o tempie wzrostu możliwości komputerów w ciągu ostatniej dekady, gdyż chcę rozpocząć dyskusję o potrzebach, którym należałoby sprostać, aby poradzić sobie z przechowywaniem i odzyskiwaniem informacji koniecznej do działania transporterów. Trzeba oczywiście przyznać, że daleko nam jeszcze do spełnienia tych wymagań.

Spróbujmy w prosty sposób ocenić, jaka ilość informacji zapisana jest w ludzkim ciele. Ustaliliśmy już, że ludzkie ciało składa się w przybliżeniu z l0²⁸ atomów. Dla każdego atomu musimy zapisać miejsce, w którym się on znajduje, co wymaga podania trzech współrzędnych (wartości na osiach x, y, z). Następnie powinniśmy zapisać wewnętrzny stan każdego atomu, a więc między innymi informacje, które z jego poziomów energetycznych są zajęte przez elektrony, czy jest związany z sąsiednim atomem i tworzy z nim cząsteczkę, czy ta cząsteczka drga lub się obraca i tak dalej. Bądźmy ostrożni i przyjmijmy, że wszystko uda się zapisać w jednym kilobajcie danych. (Mniej więcej tyle informacji mieści się na stronie maszynopisu). Oznacza to, że aby przechować wzorzec człowieka w buforze wzorca, potrzebowalibyśmy około l0²⁸ kilobajtów. Przypominam, że jest to l z 28 zerami.

Porównajmy to z całą informacją zawartą we wszystkich książkach, jakie kiedykolwiek napisano. Największe biblioteki zgromadziły kilka milionów tomów, bądźmy więc szczodrzy i przypuśćmy, że istnieje miliard różnych książek (jedna na każde pięć osób żyjących obecnie na naszej planecie). Przypuśćmy, że każda książka zawiera informację równoważną tysiącowi stron maszynopisu (znowu jest to ocena nieco zawyżona), czyli mniej więcej jednemu megabajtowi. Cała informacja we wszystkich książkach, jakie kiedykolwiek napisano, wymagałaby więc l O¹², czyli około miliona milionów kilobajtów pamięci. Jest to wartość o szesnaście rzędów wielkości mniejsza - czyli jedna dziesięciomilionowa jednej miliardowej - od ilości pamięci potrzebnej do zapisania wzorca jednego człowieka! Mając do czynienia z tak dużymi liczbami, trudno objąć cały ogrom zagadnienia. Spróbujmy takiego porównania: wielkość pamięci potrzebna do zapisania wzorca człowieka w stosunku do ilości informacji zawartej we wszystkich istniejących książkach jest 10 tysięcy razy większa niż stosunek ilości informacji zawartej we wszystkich książkach do ilości informacji zawartej na jednej stronie tej książki.

Problem przechowywania takiej ilości informacji nie jest, jak lubią mówić fizycy, trywialny. Największe dostępne dziś na rynku dyski twarde mogą pomieścić około 10 gigabajtów, czyli 10 tysięcy megabajtów. Jeśli przyjąć, że każdy dysk ma grubość 10 centymetrów, wszystkie dyski potrzebne do przechowania jednego wzorca człowieka, ułożone jeden na drugim, miałyby wysokość równą 1/3 drogi dzielącej nas od środka Galaktyki, czyli około 10 tysięcy lat świetlnych, a zatem 5 lat podróży statkiem Enterprise z prędkością 9 warpów!

Odzyskanie tej informacji w czasie rzeczywistym to poważne wyzwanie. Najszybsze obecnie urządzenia do przesyłania informacji cyfrowej mogą działać z prędkością nieco mniejszą niż 100 megabajtów na sekundę. Gdybyśmy pracowali w tym tempie, zapisanie danych określających wzorzec człowieka na taśmie wymagałoby czasu około dwóch tysięcy razy dłuższego niż wiek Wszechświata (przyjmujemy, że wiek ten wynosi około 10 miliardów lat)! Wyobraźmy sobie to dramatyczne napięcie: Kirk i McCoy wydostali się na powierzchnię kolonii karnej w Rura Penthe. Musimy ich przesłać, czyli przetransmitować milion miliardów miliardów megabajtów informacji w czasie, którego potrzebuje strażnik, aby wycelować w nich broń przed wystrzałem. Dysponujemy więc sekundami, a nie czasem porównywalnym z wiekiem Wszechświata.

Myślę, że sytuacja jest jasna. Przy takim wyczynie niewielki wydaje się wysiłek wkładany w trwające obecnie badania nad ludzkim genomem, których celem jest odczytanie i zapisanie całego kodu genetycznego człowieka, zawartego w mikroskopijnych nitkach DNA. Koszty tego przedsięwzięcia wynoszą wiele miliardów dolarów. W ciągu ostatniej dekady badania te prowadzono w wielu laboratoriach na całym świecie. Łatwo się domyślić, że wspominam o tym tylko po to, aby dodać kolejną pozycję do listy trudności wskazujących na niewielkie szansę skonstruowania transportera. Nie możemy jednak wykluczyć, że w XXIII wieku sprawy będą się przedstawiały inaczej. Mój optymizm bierze się z ekstrapolacji obecnego tempa rozwoju technologii komputerowej. Biorąc pod uwagę postęp w przechowywaniu informacji i prędkości jej przesyłania, dochodzę do wniosku, że zwiększają się one stukrotnie co dziesięć lat. Jeśli nawet będziemy ostrożni i podzielimy to przez 10 oraz przyjmiemy, że nasze możliwości są obecnie mniej więcej 10 do 21 potęgi (10²¹) za małe, możemy oczekiwać, że za 210 lat - na początku dwudziestego trzeciego stulecia - technologia komputerowa, potrafiąca zmierzyć się z problemem przesyłania informacji przy użyciu transportera, znajdzie się w zasięgu ręki.

Mówię to nie mając oczywiście pojęcia, w jaki sposób mogłoby się to dokonać. Jasne jest, że aby w urządzeniu wielkości człowieka przechowywać ponad 10²⁵ kilobajtów informacji, każdy jego atom musiałby być wykorzystywany jako komórka pamięci. Bardzo obiecujące pod tym względem wydają się pojawiające się obecnie idee komputerów biologicznych, w których dynamika molekularna naśladuje cyfrowe procesy logiczne, umożliwiając jednoczesne działanie około 10²⁵ cząstek w makroskopowym zbiorze.

Powinienem wszakże ostrzec Czytelników: nie jestem informatykiem. Mój ostrożny optymizm może być więc jedynie odbiciem mojej niewiedzy. Uspokaja mnie nieco przykład ludzkiego mózgu, który o lata świetlne wyprzedza w złożoności i wszechstronności jakikolwiek istniejący układ obliczeniowy. Jeśli dobór naturalny mógł stworzyć tak wspaniałe urządzenie do przechowywania i odzyskiwania informacji, sądzę, że wiele jeszcze mamy do odkrycia.

ACH, TE KWANTY! Aby jeszcze bardziej zbliżyć się do rzeczywistości, wystarczy wypowiedzieć dwa słowa: mechanika kwantowa. Na poziomie mikroskopowym, na który musimy zejść, aby zapisać wzór materii, a następnie odtworzyć go w transporterze, fizyką rządzą niezwykłe prawa mechaniki kwantowej; to dzięki nim cząstki mogą zachowywać się jak fale, a fale jak cząstki. Nie będę się tutaj wdawał w wykład mechaniki kwantowej. Najważniejsza idea mówi, że w skalach mikroskopowych tego, co jest obserwowane, i tego, co dokonuje obserwacji, nie można rozdzielić. Wykonanie pomiaru oznacza zmianę, zwykle trwałą, układu. To proste prawo można ująć na wiele różnych sposobów, ale chyba najsłynniejszym z nich jest zasada nieoznaczoności Helsenberga. To fundamentalne prawo - które, jak się wydaje, znosi klasyczne pojęcie determinizmu w fizyce, chociaż faktycznie na podstawowym poziomie tego nie robi -dzieli świat fizyczny na dwa zbiory obserwowalnych wielkości; coś w rodzaju yin i yang. Mówi ono, że niezależnie od tego, jaka technologia zostanie wynaleziona w przyszłości, nie można zmierzyć pewnych kombinacji wielkości z dowolnie dużą dokładnością. W skalach mikroskopowych położenie cząstki można zmierzyć z dowolną dokładnością. Jednak Heisenberg twierdzi, że nie możemy wtedy dokładnie określić jej prędkości (a zatem również położenia w następnej chwili). Możemy również z dowolną dokładnością sprawdzić stan energetyczny atomu. W tym jednak przypadku nie uda nam się precyzyjnie określić, jak długo będzie on przebywał w tym stanie. Listę można by ciągnąć dalej.

Te związki są istotą mechaniki kwantowej i nigdy nie stracą mocy. Jak długo mamy do czynienia z odległościami, w których obowiązują prawa mechaniki kwantowej, musimy je tolerować. (Wszystko wskazuje na to, że odległości te są większe od odległości, w których stają się znaczące efekty kwantowej grawitacji, czyli od około 10³³ cm).

Istnieje dość niezdarny, ale interesujący argument fizyczny, który pozwala lepiej zrozumieć zasadę nieoznaczoności. Mechanika kwantowa obdarza wszystkie cząstki własnościami falowymi, a fale mają pewną uderzającą cechę: ulegają zaburzeniu tylko przy spotkaniu z przedmiotami większymi niż ich długość {odległość między kolejnymi grzbietami fali). Aby się o tym przekonać, wystarczy obserwować fale oceanu. Niewielki kamień wystający z wody nie będzie miał wpływu na fale uderzające o brzeg, natomiast za dużym głazem powstanie obszar spokojnej wody.

Jeśli chcemy „oświetlić” atom - to znaczy odbić od niego światło tak, aby można było zobaczyć, gdzie się znajduje - musimy użyć światła o długości fali wystarczająco małej, aby atom mógł je zaburzyć. Prawa mechaniki kwantowej mówią jednak, że fale światła rozchodzą się w małych porcjach, czyli kwantach, które nazywamy fotonami (jak w „torpedach fotonowych” statków kosmicznych, nie składających się jednak z fotonów). Poszczególne fotony o danej długości fali niosą energię odwrotnie proporcjonalną do tej długości. Z im większą zdolnością rozdzielczą chcemy widzieć, tym mniejszej długości światła musimy użyć. Im mniejsza jednak jest długość fali,

tym większa energia kwantów. Jeśli bombardujemy atom wysokoenergetycznym fotonem, możemy stwierdzić, gdzie dokładnie znajdował się atom, kiedy uderzył w niego foton, ale sam proces obserwacji - to znaczy uderzenie fotonu w atom -z pewnością dostarczy atomowi znacznej energii, zmieniając w ten sposób jego prędkość i kierunek ruchu.

Nie można zatem określić położenia atomów i ich stanów energetycznych z dokładnością konieczną do precyzyjnego odtworzenia wzorca człowieka. Zmierzone wielkości zawsze będą nieco niedokładne. Co by to oznaczało dla produktu końcowego po operacji przesłania, jest szczegółową kwestią biologiczną, na której temat mogę tylko spekulować.

Problem ten nie pozostał nie zauważony przez twórców Star Trek, którzy byli świadomi nieuniknionych ograniczeń, jakie nakłada na transporter mechanika kwantowa. Mając jednak do dyspozycji coś, do czego fizycy zwykle nie mogą się odwołać - to znaczy swobodę artystyczną - wprowadzili „kompensatory Heisenberga”, które umożliwiają „kwantową analizę” obiektów. Kiedy konsultanta technicznego Star Trek, Michaela Okudę, zapytano, jak działają kompensatory, odpowiedział po prostu: „Bardzo dobrze, dziękuję!”

Kompensatory Heisenberga odgrywają w filmie jeszcze jedną rolę. Zdziwiło mnie, dlaczego transportery nie są również replikatorami form życia. W końcu replikatory istnieją na pokładach statków i powodują, że szklanki wody lub wina pojawiają się w magiczny sposób w kajucie na słowne żądanie każdego członka załogi. Wygląda na to, że technologia replikatorów operuje tylko na „poziomie cząsteczkowym” i nie osiąga „kwantowej zdolności rozdzielczej”. Ma to wyjaśniać, dlaczego powielanie istot żywych za pomocą replikatora nie jest możliwe. Pozwala to również wytłumaczyć ciągłe narzekania, że jedzenie pochodzące z replikatorów nigdy nie jest zupełnie takie samo jak prawdziwe, oraz dlaczego Riker i inni wolą przyrządzać omlety i inne przysmaki w tradycyjny sposób.

ZOBACZYĆ ZNACZY UWIERZYĆ. Jakby nie dość tego wszystkiego, istnieje jeszcze jedna trudność związana z ideą przesyłanią. Przesyłanie osoby ze statku jest wystarczająco trudne, ale zabranie jej z powrotem na pokład może być jeszcze trudniejsze. Aby dostarczyć członka załogi z powrotem na statek, czujniki na pokładzie Enterprise muszą odnaleźć go na planecie. Co więcej, powinny odczytać jego indywidualny wzorzec, zanim ulegnie on dematerializacji i przesłaniu w postaci strumienia materii. Enterprise musi więc być wyposażony w teleskop o mocy wystarczającej do oglądania z atomową zdolnością rozdzielczą przedmiotów na powierzchni planety, a czasem nawet pod nią. W serialu dowiadujemy się, że typowy zasięg działania transportera wynosi około 40 tysięcy kilometrów, czyli jest mniej więcej trzy razy większy od średnicy Ziemi. Tę właśnie liczbę wykorzystamy do przeprowadzenia odpowiednich obliczeń.

Niemal każdy widział zdjęcia kopuł wielkich teleskopów ziemskich, takich jak teleskop Kecka na Hawajach (największy na świecie) czy teleskop na Mount Palomar w Kalifornii. Budowa coraz większych teleskopów nie jest po prostu przejawem gigantomanii, o którą niektórzy, włącznie z wieloma członkami Kongresu Stanów Zjednoczonych, lubią oskarżać naukowców. Aby zobaczyć słabo widoczne i bardzo oddalone ciała niebieskie, potrzebujemy po prostu coraz większych teleskopów; podobnie, gdy chcemy badać strukturę materii w coraz mniejszych skalach, budujemy coraz większe akceleratory. Powód jest prosty: ponieważ światło ma naturę falową, za każdym razem, gdy przechodzi przez otwór, ugina się, czyli nieco rozmazuje. Gdy światło z odległego źródła punktowego przechodzi przez soczewkę teleskopu, obraz nieco się rozmywa i zamiast punktowego źródła widzimy rozmazaną plamkę światła. Jeśli dwa punktowe źródła światła znajdują się bliżej siebie, niż wynoszą rozmiary ich obrazów, nie dostrzeżemy ich jako oddzielnych obiektów, ponieważ obrazy będą się na siebie nakładały. Im większa jest soczewka, tym mniej rozmazany jest obraz. Aby więc obserwować coraz mniejsze obiekty, należy wyposażać teleskopy w coraz większe soczewki.

Jest jeszcze inne kryterium jakości teleskopowych obrazów. Bez względu na to, jakiego promieniowania się używa, długość fali światła musi być mniejsza niż rozmiar obiektu, który chce się zaobserwować (zgodnie z argumentacją przytoczoną przeze mnie wcześniej). Jeśli więc chce się oglądać materię z dobrą zdolnością rozdzielczą w skalach atomowych, gdzie istotne są odległości sięgające kilku miliardowych centymetra, należy użyć promieniowania, którego długość fali jest krótsza niż jedna miliardowa centymetra. Jeśli zdecydujemy się na promieniowanie elektromagnetyczne, będzie to oznaczało, że musimy użyć promieniowania rentgenowskiego lub y. I od razu pojawia się problem: takie promieniowanie jest szkodliwe dla życia i atmosfera dowolnej planety klasy M zatrzyma je tak, jak robi to atmosfera Ziemi. Transporter będzie więc musiał wykorzystywać nośniki nieelektromagnetyczne, takie jak neutrina lub grawitony, co wiąże się z nowymi problemami...

Tak czy owak, można przeprowadzić odpowiednie obliczenia, zakładając, że Enterprise posługuje się promieniowaniem o długości fali mniejszej niż jedna miliardowa centymetra ł ma za zadanie odczytanie wzorca obiektu znajdującego się w odległości 40 tysięcy kilometrów z atomową zdolnością rozdzielczą. Okazuje się, że aby wykonać to zadanie, statek potrzebowałby teleskopu z soczewką o średnicy większej od około 50 tysięcy kilometrów! Gdyby miała mniejsze rozmiary, nie istniałby żaden sposób, nawet w teorii, aby zobaczyć pojedyncze atomy. Chociaż Enterprise-D ma imponujące rozmiary, nie jest aż tak wielki...

Tak jak obiecałem, rozważania nad transporterami doprowadziły nas do mechaniki kwantowej, fizyki cząstek, informatyki, odkrytego przez Einsteina związku między masą i energią, a nawet do kwestii istnienia ludzkiej duszy. Nie powinniśmy być więc za bardzo rozczarowani oczywistą niemożliwością zbudowania urządzenia, które mogłoby wykonywać konieczne operacje. Podchodząc do sprawy z mniej negatywnym nastawieniem, powiedzielibyśmy, że zbudowanie transportera wymagałoby podgrzewania materii do temperatury milion razy większej od tej, jaka

panuje w środku Słońca, wyzwalania w jednym urządzeniu większej ilości energii niż zużywa obecnie cala ludzkość, zbudowania teleskopów większych od Ziemi, zwiększenia możliwości komputerów tysiąc miliardów miliardów razy oraz obejścia praw mechaniki kwantowej. Nie powinniśmy się więc dziwić, że porucznik Barclay obawiał się przesyłania! Sądzę, że nawet Gene Roddenberry, gdyby w prawdziwym życiu stanął przed taką możliwością, wolałby raczej zafundować sobie statek kosmiczny potrafiący lądować na powierzchni planety.

ROZDZIAŁ 6

ILE CZADU ZA DOLARA?

Nie istnieje nic nierzeczywistego

Pierwsze prawo metafizyki Kir-kin-thy (Star Trek IV: Podróż do domu)

Gdy wyjeżdża się z Chicago na zachód drogą stanową numer 88, po przebyciu niespełna 50 km, w pobliżu Aurory, można zobaczyć, jak chaotyczna, rzadka zabudowa stopniowo ustępuje miejsca gładkiej, środkowozachodniej prerii, która rozpościera się jak okiem sięgnąć. Nieco na północ od drogi znajduje się kolisty teren opasany przez coś, co przypomina fosę. Wewnątrz tego okręgu pasą się bizony, a w licznych stawach pływa wiele gatunków kaczek i gęsi.

To, co dzieje się sześć metrów pod ziemią, znacznie odbiega od spokojnej, sielankowej atmosfery na powierzchni. Czterysta tysięcy razy na sekundę silna wiązka antyprotonów zderza się tam czołowo z wiązką protonów, produkując strumień setek lub tysięcy wtórnych cząstek: elektronów, pozytonów, pionów i innych.

Pod ziemią znajduje się Narodowe Laboratorium Akceleratorowe im. Enrico Fermiego, w skrócie: Fermilab. Mieści ono akcelerator cząstek, w którym otrzymuje się największe na świecie energie. Co więcej, znajduje się tu również największy na świecie magazyn antyprotonów. Tutaj antymateria nie ma nic wspólnego z fantastyką naukową. Jest powszednim chlebem tysięcy naukowców, którzy korzystają z urządzeń Fermilabu.

W tym właśnie Fermilab i Enterprise są do siebie podobne. Antymateria ma podstawowe znaczenie dla działania statku:

zasila bowiem napęd czasoprzestrzenny. Jak wspomniałem wcześniej, nie ma bardziej efektywnego sposobu zasilania układu napędowego (chociaż napęd czasoprzestrzenny działa inaczej niż napęd rakietowy). Kiedy materia spotyka się z antymaterią, dochodzi do ich anihilacji i powstaje czyste promieniowanie, które rozchodzi się z prędkością światła.

Należy oczywiście dołożyć wszelkich starań, by mieć pewność, że antymateria znajduje się pod kontrolą, zwłaszcza jeśli przechowywana jest w dużych ilościach. Kiedy na pokładzie statku przestaje działać układ przechowywania antymaterii - zdarzyło się to na Enterprise po zderzeniu z Bozemanem, a także na statku Yamato, którego system przestał działać po użyciu ikonianskiej broni komputerowej - w krótkim czasie grozi mu całkowite zniszczenie. Układ przechowywania antymaterii ma tak podstawowe znaczenie dla działania statku kosmicznego, że trudno zrozumieć, dlaczego porucznik Federacji, Deanna Troi, nie wiedziała o skutkach awarii tego układu, kiedy na pewien czas przejęła dowództwo na Enterprise w odcinku Katastrofa z serii Następne pokolenie, po tym, jak statek zderzył się z dwoma „włóknami kwantowymi”. Nie można w żadnym razie uznać za wytłumaczenie tego, że z wykształcenia była psychologiem!

Konstrukcja układu przechowywania antymaterii na pokładzie statków kosmicznych może odwoływać się do tej samej zasady, która pozwala w Fermilabie przechowywać przez dłuższy czas antyprotony. Antyprotony i antyelektrony (nazywane pozytonami) są cząstkami naładowanymi elektrycznie. W obecności pola magnetycznego naładowane cząstki poruszają się po orbitach kołowych. Jeśli zatem przyspieszy się cząstki w polach elektrycznych, a następnie włączy pole magnetyczne o właściwej sile, będą się one poruszały po okręgach o odpowiednich rozmiarach. W ten sposób cząstki mogą na przykład krążyć wewnątrz pojemnika w kształcie torusa (czyli obwarzanka), nie wchodząc nigdy w kontakt z jego ściankami. Ta sama zasada jest wykorzystywana w urządzeniach, zwanych tokamakami. które służą do przechowywania plazmy o wysokiej temperaturze, wykorzystywanej w badaniach nad kontrolowaną syntezą jądrową.

W źródle antyprotonów w akceleratorze Fermilabu znajduje się duży pierścień magnesów. Wyprodukowane w średnioener-getycznych zderzeniach antyprotony kierowane są do tego pierścienia, gdzie można je przechowywać aż do czasu, kiedy będą potrzebne do zderzeń wysokoenergetycznych, które odbywają się w tewatronie - potężnym akceleratorze w Fermilabie. Tewatron jest o wiele większym pierścieniem: jego obwód wynosi około 6,4 kilometra. Do tego pierścienia wstrzykuje się protony, a następnie przyspiesza je w jednym kierunku; antyprotony rozpędza się w kierunku przeciwnym. Jeśli pola magnetyczne zostaną precyzyjnie dobrane, te dwie wiązki cząstek można trzymać z dala od siebie przez większą część trasy w tunelu. W określonych punktach wiązki jednak zbliżają się do siebie i można badać zderzenia cząstek.

Kolejnym problemem, który się pojawia, gdy chcemy używać napędu na materię i antymaterię, jest kwestia, skąd wziąć antymaterię. O ile nam wiadomo, Wszechświat składa się głównie z materii, a nie z antymaterii. Potwierdzają to badania zawartości wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego, którego część pochodzi spoza naszej Galaktyki. W czasie zderzeń wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego z materią powinny powstawać niektóre antycząstki. Gdy bada się promieniowanie kosmiczne o różnej energii, obecność w nim antymaterii można w zupełności wyjaśnić za pomocą tego właśnie zjawiska; nic nie wskazuje na to, aby docierała do nas jakaś pierwotna antymateria. Kolejnym możliwym śladem obecności antymaterii we Wszechświecie mogłyby być charakterystyczne cechy procesu anihilacji, zachodzącej w wyniku zderzeń cząstek i antycząstek. Gdziekolwiek pary takie się pojawią, można oczekiwać charakterystycznego promieniowania, wysyłanego w wyniku anihilacji. W ten właśnie sposób Enterprise poszukiwał Krystalicznej Istoty, która zniszczyła nową placówkę Federacji; najwidoczniej pozostawiała ona ślad w postaci smugi antyprotonów. Tropiąc ślady promieniowania anihilacyjnego, Enterprise wyśledził Istotę ł przejął nad nią kontrolę, zanim zdążyła zaatakować następną planetę.

Chociaż autorzy Star Trek dobrze uchwycili ogólną ideę, mylili się co do szczegółów. Dr Marr i Data poszukiwali ostrego maksimum promieniowania y w okolicy 10 keV, czyli 10 kilo-elektronowoltów, które są jednostkami energii promieniowania. Niestety, nie jest to właściwa skala energii dla procesu anihilacji protonów i antyprotonów, a nawet nie odpowiada ona żadnemu znanemu procesowi anihilacji. Najlżejszą znaną cząstką mającą masę jest elektron. W czasie anihilacji elektronów i pozytonów powstaje ostre maksimum promieniowania y w okolicy 511 keV, co odpowiada masie elektronu. Maksimum energii anihilacji protonów i antyprotonów odpowiada z kolei spoczynkowej energii protonu, czyli l GeV (gigaelektronowoltowi); to energia około sto tysięcy razy większa od tej, której poszukiwali Marr i Data. (Nawiasem mówiąc, 10 keV znajduje się w rentgenowskim obszarze widma, a nie w zakresie promieniowania y, które odpowiada energii przekraczającej 100 keV; jest to jednak chyba zbyt subtelny szczegół, aby kruszyć o niego kopie).

W każdym razie astronomowie i fizycy poszukiwali rozproszonych sygnałów tła w okolicy 511 keV i w zakresie GeV, mając nadzieję, że trafią na ślady anihilacji materii i antymaterii; jak dotąd jednak niczego takiego nie znaleziono. Oznacza to, jeśli uwzględni się również wyniki badań promieniowania kosmicznego, że gdyby nawet we Wszechświecie istniały znaczne ilości antymaterii, nie mogą być one wymieszane ze zwykłą materią.

Ponieważ większości z nas o wiele bliższa jest materia niż antymateria, wydaje się całkiem naturalne, że Wszechświat powinien być zbudowany z tej pierwszej. Nie ma w tym jednak nic naturalnego. W rzeczywistości nadmiar materii w stosunku do antymaterii to obecnie jeden z najbardziej interesujących nie rozwiązanych problemów w fizyce. Ta przewaga ma wiele wspólnego z naszym istnieniem, a zatem także z istnieniem wszechświata Star Trek. Wydaje się więc właściwe zatrzymać się dłużej nad tą kwestią.

Kiedy powstała mechanika kwantowa, zastosowano ją z powodzeniem do opisu zjawisk fizyki atomowej; udało się na przykład wspaniale wytłumaczyć zachowanie elektronów w atomach. Nie ulegało jednak wątpliwości, że jednym z ograniczeń tego obszaru badań było to, że prędkości takich elektronów są zwykle dużo mniejsze od prędkości światła. Szczególnej teorii względności z mechaniką kwantową nie udało się pogodzić przez prawie dwa dziesięciolecia, m.in. dlatego, że - w przeciwieństwie do szczególnej teorii względności, która jest stosunkowo prosta w zastosowaniach - mechanika kwantowa wymagała nie tylko całkiem nowego sposobu widzenia świata, lecz także skonstruowania nowych narzędzi matematycznych. W ciągu pierwszych trzydziestu lat naszego wieku najwybitniejsi młodzi fizycy poświęcili się całkowicie badaniu tego niezwykłego, nowego obrazu Wszechświata.

Jednym z nich był Paul Adrien Maurice Dirac. Podobnie jak jego następca Stephen Hawking, a później Data, miał on pewnego dnia objąć profesurę Lucasa w katedrze matematyki na Uniwersytecie w Cambridge. Był uczniem lorda Rutherforda, a następnie pracował z Nielsem Bohrem - trudno o lepsze przygotowanie dla kogoś, kto chciał rozszerzyć mechanikę kwantową na obszar superszybkich prędkości. W roku 1928 Dirac, podobnie jak kiedyś Einstein, ułożył równanie, które miało zmienić świat. Równanie Diraca poprawnie opisuje relatywistyczne zachowanie elektronów w sposób w pełni zgodny z teorią kwantowomechaniczną.

Wkrótce po sformułowaniu tego równania Dirac uświadomił sobie, że zachowanie spójności matematycznej wymaga istnienia w przyrodzie cząstki o ładunku, którego wartość odpowiadałaby dokładnie ładunkowi elektronu, ale z przeciwnym znakiem. Oczywiście znano już taką cząstkę: był nią proton. Jednak z równania Diraca wynikało, że cząstka ta powinna mieć taką samą masę jak elektron, podczas gdy proton jest prawie 2 tysiące razy cięższy. Ta rozbieżność między rezultatami obserwacji a „naiwną” interpretacją równania pozostawała zagadką przez cztery lata, aż do chwili, gdy amerykański fizyk Carl Anderson odkrył w promieniowaniu kosmicznym bombardującym Ziemię nową cząstkę, której masa równała się masie elektronu, ale ładunek miał przeciwny znak - był dodatni. Ten „antyelektron” stał się wkrótce znany jako pozyton.

W ten sposób zdano sobie sprawę z tego, że z połączenia szczególnej teorii względności i mechaniki kwantowej wynika, iż wszystkie cząstki istniejące w przyrodzie mają swoje anty-cząstki, których ładunek elektryczny (jeśli są nim obdarzone) i różne inne własności powinny mieć przeciwne wartości. Jeśli wszystkim cząstkom odpowiadają antycząstki, to jest sprawą umowną, które z nich nazwiemy cząstkami, a które antycząstkami, o ile żaden proces fizyczny nie wykaże jakiejkolwiek przewagi cząstek nad antycząstkami. W klasycznym świecie elektromagnetyzmu i grawitacji takich procesów jednak nie ma.

Znaleźliśmy się teraz w kłopotliwym położeniu. Jeśli cząstki i antycząstki są równoprawne, dlaczego warunki początkowe we Wszechświecie zdecydowały, że to, co nazywamy cząstkami, ma stanowić dominującą formę materii? Z pewnością bardziej rozsądnym - lub przynajmniej bardziej symetrycznym -stanem początkowym byłaby sytuacja, w której liczba cząstek i antycząstek jest taka sama. Tymczasem musimy wyjaśnić, w jaki sposób prawa fizyki, które, jak widać, nie rozróżniają cząstek i antycząstek, znalazły sposób, aby wytworzyć więcej jednych niż drugich. A zatem albo istnieje we Wszechświecie podstawowa wielkość - stosunek ilości cząstek do antycząstek - która została ustalona na początku czasu i o której prawa fizyki nie mają nic do powiedzenia, albo musimy znaleźć wytłumaczenie dla późniejszej dynamicznej kreacji większej ilości materii niż antymaterii.

W latach sześćdziesiątych słynny radziecki naukowiec i późniejszy dysydent Andriej Sacharow zaproponował rozwiązanie tego problemu. Dowodził, że jeśli prawa fizyki w młodym Wszechświecie spełniałyby trzy warunki, asymetria między materią i antymaterią mogłaby się pojawić, nawet gdyby na początku tej asymetrii nie było. W czasach, gdy ta propozycja została wysunięta, nie istniały teorie fizyczne, które spełniałyby warunki postawione przez Sacharowa. W następnych latach jednak w fizyce cząstek i w kosmologii dokonał się wielki postęp. Obecnie istnieje wiele teorii, które potrafią w zasadzie wyjaśnić obserwowaną różnicę w ilości materii i antymaterii w przyrodzie. Niestety, wszystkie te teorie wymagają nowej flzy7-Fizyka podróży...

ki oraz nowych cząstek elementarnych i dopóki natura nie wskaże nam właściwego kierunku, nie będziemy wiedzieli, którą z nich wybrać. Jednakże wielu fizyków, ze mną włącznie, znajduje wielką pociechę w tym, że kiedyś, wychodząc z pierwszych zasad, poznamy odpowiedź na pytanie, dlaczego istnieje sama materia, będąca podstawą naszej egzystencji.

Nawet gdybyśmy dysponowali odpowiednią teorią, nie wiemy, jaką właściwie liczbę, określającą stosunek materii do antymaterii, miałaby ona wyjaśnić. Jaka musiałaby być w młodym Wszechświecie nadwyżka protonów w stosunku do antyprotonów, abyśmy mogli wyjaśnić obserwowaną obecnie przewagę materii? Wskazówką do znalezienia tej liczby jest porównanie ilości istniejących dzisiaj protonów z ilością fotonów - cząstek elementarnych, z których składa się światło. Gdyby w młodym Wszechświecie istniało tyle samo protonów i antyprotonów, anihilowałyby one, wytwarzając promieniowanie, czyli fotony. Każda anihilacja protonu ł antyprotonu powodowałaby powstanie średnio jednej pary fotonów. Jeśli jednak przyjmiemy, że istniała pewna niewielka przewaga protonów nad antyprotonami, nie wszystkie protony uległyby anihilacji. Obliczając liczbę protonów pozostałych po anihilacjach i porównując ją z liczbą fotonów wyprodukowanych w czasie anihilacji (to znaczy liczbą fotonów w promieniowaniu tła pozostałym po Wielkim Wybuchu), moglibyśmy oszacować ułamek, o jaki materia dominowała nad antymaterią w młodym Wszechświecie.

Okazuje się, że dziś mniej więcej l proton przypada na każde 10 miliardów fotonów w kosmicznym promieniowaniu tła. Oznacza to, że początkowy nadmiar protonów w stosunku do antyprotonów wynosił tylko l na 10 miliardów! Innymi słowy, w młodym Wszechświecie na każde 10 miliardów antyprotonów przypadało 10 miliardów i l protonów! A jednak nawet ten malutki nadmiar (któremu towarzyszyła podobna przewaga neutronów i elektronów nad ich antycząstkami) wystarczył, aby powstała cała obserwowana materia we Wszechświecie: gwiazdy, galaktyki, planety i wszystko, co znamy i kochamy.

Sądzimy, że właśnie w ten sposób powstał Wszechświat złożony z materii. Historia ta wprawdzie jest ciekawa sama w sobie, ale wynika z niej też pewien wniosek dla Star Trele jeśli chce się stosować napęd na materię i antymaterię, nie można zbierać antymaterii w przestrzeni kosmicznej, ponieważ nie ma jej tam wiele. Antymaterię trzeba wytwarzać. Aby odkryć, jak można to zrobić, powróćmy do bizonów wędrujących po równinie nad akceleratorem Fermilabu. Zastanawiając się nad teoretyczną i praktyczną stroną tego zagadnienia, postanowiłem skontaktować się z dyrektorem Fermilabu, Johnem Peoplesem, który prowadził badania mające na celu zaprojektowanie i zbudowanie źródła antyprotonów, i zapytać go, czy mógłby mi pomóc określić, ile antyprotonów można obecnie wyprodukować ł zmagazynować za cenę jednego dolara. Peoples zgodził się mi pomóc, zlecając kilku osobom ze swojego personelu dostarczenie potrzebnych informacji.

W Fermilabie wytwarza się antyprotony w średnioenerge-tycznych zderzeniach protonów z tarczą wykonaną z litu. Od czasu do czasu zderzenia te produkują antyproton, który następnie jest kierowany do pierścienia przechowującego, znajdującego się pod pastwiskiem bizonów. Działając ze średnią mocą, Fermilab wytwarza w ten sposób około 50 miliardów antyprotonów na godzinę. Przyjmując, że źródło antyprotonów pracuje przez 75% czasu w ciągu roku, otrzymujemy 6 tysięcy godzin pracy w roku, a więc średnio 300 tysięcy miliardów antyprotonów na rok.

Koszt eksploatacji tych urządzeń akceleratora w Fermilabie, które biorą bezpośredni udział w produkcji antyprotonów, wynosi około 500 milionów dolarów (wg cen z 1995 roku). Amortyzacja tego sprzętu podczas użytkowania go w ciągu 25 lat daje dalsze 20 milionów dolarów na rok. Koszt pracy personelu (inżynierów, naukowców i obsługi technicznej) oraz maszyn wynosi około 8 milionów dolarów rocznie. Dochodzi do tego jeszcze koszt olbrzymiej ilości energii elektrycznej, koniecznej do wytwarzania wiązek cząstek oraz przechowywania antyprotonów. Według obecnych cen w Illinois wynosi on około 5 milionów dolarów rocznie. Są jeszcze koszty administracyjne, sięgające 15 milionów dolarów na rok. Wydaje się więc 48 milionów dolarów rocznie na wytworzenie 300 tysięcy miliardów antyprotonów, które następnie używa się w Fermilabie do badania podstawowej struktury materii we Wszechświecie. Oznacza to, że za dolara otrzymujemy 6 milionów antyprotonów!

Koszt ten prawdopodobnie mógłby być mniejszy. Fermilab produkuje wysokoenergetyczną wiązkę antyprotonów, lecz gdybyśmy chcieli otrzymać tylko antyprotony nie obdarzone tak wysokimi energiami, moglibyśmy obniżyć koszty około dwóch do czterech razy.'Przyjmijmy więc, że dzisiejsza technologia pozwala uzyskać w hurcie 10-20 milionów antyprotonów za jednego dolara.

Kolejne pytanie jest oczywiste: ile czadu za tego dolara? Jeśli całą masę kupionych za dolara antyprotonów zamienimy na energię, uwolnimy około 1/1000 dżula, co wystarczyłoby na podgrzanie 1/4 grama wody o około 1/1000 stopnia Celsjusza. Nic nadzwyczajnego.

Prawdopodobnie lepszym sposobem wyobrażenia sobie potencjalnej wydajności źródła antyprotonów w Fermilabie jako części napędu czasoprzestrzennego jest uwzględnienie energii, którą można by wytworzyć, zużywając na bieżąco każdy antyproton produkowany przez źródło. Źródło antyprotonów może wytwarzać 50 miliardów cząstek na godzinę. Gdyby te wszystkie antyprotony zostały zamienione na energię, otrzymalibyśmy moc około l /1000 wata!

Innymi słowy, aby zasilić jedną żarówkę, potrzebnych byłoby 100 tysięcy takich źródeł antyprotonów! Jako że całkowity roczny koszt działania źródła antyprotonów wynosi 48 milionów dolarów, oświetlenie pokoju przy użyciu antymaterii kosztowałoby obecnie więcej niż wynosi roczny budżet rządu Stanów Zjednoczonych.

Główny problem polega na tym, że przy dzisiejszych możliwościach wyprodukowanie jednego antyprotonu wymaga o wiele więcej energii, niż można by uzyskać, zamieniając jego masę z powrotem w energię. Energia, jaką traci się w procesie produkcji, jest prawdopodobnie co najmniej milion razy większa niż energia zawarta w masie antyprotonu. Należałoby zatem znaleźć bardziej efektywne sposoby produkcji antymaterii, zanim zacznie się myśleć o wykorzystaniu w napędzie statku kosmicznego silników na materię i antymaterię.

Nie ulega również wątpliwości, że gdyby Enterprise miał wytwarzać własną antymaterię, potrzebne byłyby nowe technologie - nie tylko po to, by zmniejszyć koszty, lecz także rozmiary potrzebnych do tego urządzeń. Przy posługiwaniu się technikami akceleratorowymi potrzebne byłyby urządzenia wytwarzające o wiele więcej energii na metr tunelu niż obecnie. Mógłbym dodać, że stanowi to na Ziemi końca XX wieku przedmiot intensywnych badań. Jeśli akceleratory cząstek, będące obecnie naszymi jedynymi narzędziami do bezpośredniego badania podstawowej struktury materii, nie mają się stać zbyt kosztowne nawet dla międzynarodowych konsorcjów, muszą powstać nowe technologie przyspieszania cząstek elementarnych. (Niedawno rząd Stanów Zjednoczonych zdecydował, że koszty budowy akceleratora nowej generacji są zbyt wysokie. Kraje europejskie budują natomiast akcelerator w Genewie, który ma zacząć działać na początku przyszłego stulecia). Dotychczasowe doświadczenia dotyczące efektywności produkcji energii na jeden metr akceleratora sugerują, że co 10-20 lat możliwy jest postęp dziesięciokrotny. Niewykluczone więc, że za kilka stuleci będzie można sobie wyobrazić produkujący antymaterię akcelerator o rozmiarach statku kosmicznego. Znając niechęć obecnych rządów do finansowania tego rodzaju kosztownych badań podstawowych, trudno być optymistą, ale w ciągu dwóch stuleci może przecież zajść wiele zmian politycznych.

Nawet gdyby można było wytwarzać antymaterię na pokładzie statku kosmicznego, wciąż trzeba byłoby pamiętać o tym, że wyprodukowanie każdego antyprotonu wymagałoby dużo więcej energii, niż można by później odzyskać. Dlaczego mielibyśmy zużywać tę energię na produkcję antymaterii, zamiast wykorzystać ją bezpośrednio do napędzania statku?

Twórcy Stor 7Vefc, jak zawsze czujni, rozstrzygnęli i ten problem. Ich odpowiedź była prosta. Innych form energii można używać do napędu pulsacyjnego, czyli do osiągania prędkości podświetlnych, lecz do zasilania napędu czasoprzestrzennego nadają się tylko reakcje materii i antymaterii. A ponieważ napęd

czasoprzestrzenny może o wiele skuteczniej ochronić statek przed niebezpieczeństwem niż napęd pulsacyjny, dodatkowe zużycie energii na produkcję antymaterii może być opłacalne. Scenarzyści uniknęli również problemów związanych z produkcją antymaterii za pomocą akceleratora, stając się wynalazcami nowej metody jej wytwarzania. Zaproponowali hipotetyczne „urządzenia do odwracania ładunku kwantowego”, które miały po prostu zmieniać ładunek cząstek elementarnych, tak aby z protonów i neutronów można było w efekcie końcowym otrzymać antyprotony i antyneutrony. Według instrukcji technicznej serii Następne pokolenie, chociaż proces ten wymaga niezwykle dużych mocy, strata energii netto wynosi tylko 24% - o wiele mniej, niż w przypadku użycia akceleratora.

Mimo że brzmi to bardzo obiecująco, zmiana ładunku elektrycznego protonu, niestety, nie wystarczy. Weźmy na przykład pod uwagę, że zarówno neutrony, jak i antyneutrony nie mają ładunku. Liczby kwantowe antycząstek (wielkości opisujące ich własności) są zawsze przeciwne niż u ich odpowiedników tworzących materię. Ponieważ kwarki, z których składają się protony, mają wiele innych liczb kwantowych poza ładunkiem elektrycznym, dla dokończenia procesu zamiany materii w antymaterię należałoby posłużyć się jeszcze innymi „urządzeniami do odwracania”.

W każdym razie w instrukcji technicznej czytamy, że z wyjątkiem sytuacji awaryjnych, kiedy antymaterię można produkować na statkach, cała antymateria Gwiezdnej Floty wytwarzana jest w jej stacjach paliwowych. Antyprotony i antyneutrony są tam łączone w jądra ciężkiego antywodoru. Szczególnie zabawne jest to, że inżynierowie Floty dodają później do tych naładowanych elektrycznie jąder antyelektrony (pozytony), tworząc neutralne atomy ciężkiego antywodoru -prawdopodobnie dlatego, że neutralne antyatomy wydają się scenarzystom Stor Trek łatwiejsze do przechowania niż naładowane elektrycznie antyjądra. (W rzeczywistości nie udało się jak dotąd wyprodukować antyatomów w laboratorium - chociaż ostatnie doniesienia z Uniwersytetu Harvarda sugerują, że pierwsze atomy antywodoru uda się wytworzyć jeszcze w tym

dziesięcioleciu¹). Niestety, stwarza to poważne problemy z przechowywaniem antywodoru, ponieważ pola magnetyczne, które są absolutnie nieodzowne do utrzymywania dużych ilości antymaterii, działają tylko na obiekty naładowane elektrycznie! Cóż, wracamy do punktu wyjścia...

Statek kosmiczny może zabrać około 3 tysięcy m³ paliwa z antymaterii, które przechowywane jest w różnych zbiornikach (w Enterprise-D na Pokładzie 42). Ma to wystarczać na trzyletnią wyprawę. Spróbujmy dla zabawy ocenić, ile energii można uzyskać z tej ilości antymaterii, gdyby zgromadzono ją w postaci jąder ciężkiego antywodoru. Zakładam, że jądra są transportowane w postaci rozrzedzonej plazmy, którą prawdopodobnie łatwiej byłoby przechować za pomocą pól magnetycznych, niż gdyby tworzyły ciecz lub ciało stałe. W tym przypadku 3 tysiące m³ odpowiadałyby około 5 milionom gramów paliwa. Gdyby w reakcjach anihilacji zużywano l gram na sekundę, wytwarzana w ten sposób energia byłaby równa energii zużywanej dziś przez ludzkość w ciągu jednego dnia. Jak wspomniałem wcześniej przy okazji opisu napędu czasoprzestrzennego, jest to minimalna ilość energii, jaką należy wytwarzać na statku kosmicznym. Paliwo można by zużywać w tym tempie przez 5 milionów sekund, czyli z grubsza 2 miesiące. Przyjmując, że statek wykorzystuje napęd na materię i antymaterię przez 5% całkowitego czasu trwania misji, otrzymamy żądane trzy lata, na które ma wystarczać ta ilość paliwa.

Z kwestią ilości antymaterii wymaganej do produkcji energii związany jest jeszcze inny problem (na który twórcy Stor Trek przymykają od czasu do czasu oko): anihilacja materii i antymaterii jest procesem podlegającym zasadzie „wszystko albo nic”. Nie można go w sposób ciągły regulować. Nawet jeśli zmieni się stosunek ilości materii do antymaterii, tempo wytwarzania energii nie ulegnie zmianie. Stosunek uzyskanej mocy do ilości zużytego paliwa może się zmniejszyć tylko przy stracie paliwa - to znaczy w sytuacji, gdy niektórym cząstkom materii nie uda się znaleźć antymaterii, z którą mogłyby zanihilować, lub gdy będą się one tylko zderzać, nie anihilując. W kilku odcinkach (Nogi czas. Dziecko Galaktyki, Skóra diabla) stosunek ilości materii do antymaterii ulega zmianie, a instrukcja techniczna Star Trek podaje nawet, że może się on zmieniać w sposób ciągły w zakresie od 25: l do l: l, w zależności od prędkości czasoprzestrzennej, przy czym stosunek 1:1 odpowiada prędkości 8 warpów lub wyższej. Przy prędkościach wyższych niż 8 warpów zwiększana jest ilość materii i antymaterii, ale ich stosunek pozostaje taki sam. Właściwa procedura jednak zawsze polega na zmianie ilości materii i antymaterii przy ich stałym stosunku, co powinni wiedzieć nawet kadeci Gwiezdnej Floty. Wyjaśnił to Wesley Crusher, wspominając w odcinku Dorastanie, że stawiane w trakcie egzaminów do Gwiezdnej Floty pytanie na temat właściwego stosunku ilości materii i antymaterii było podchwytliwe i że tylko jedna jego wartość jest poprawna - mianowicie 1:1.

Autorzy Star Trek dodali jeszcze jeden istotny składnik napędu na materię i antymaterię. Mam na myśli słynne kryształy dwu-litu (co ciekawe, wprowadzone przez nich na długo przedtem, zanim inżynierowie w Fermilabie zdecydowali się na użycie tarczy z litu w swoim źródle antyprotonów). Nie można ich pominąć, ponieważ są centralną częścią napędu czasoprzestrzennego i jako takie zajmują znaczące miejsce w gospodarce Federacji i wielu przedsięwzięciach inwestycyjnych. (Na przykład gdyby nie dwulit, Enterprise nigdy nie zostałby wysłany do Układu Halkańskiego, aby uregulować prawa wydobywcze, i nigdy nie poznalibyśmy „lustrzanego wszechświata”, w którym Federacja jest imperium zła!)

Na czym polega rola tych niezwykłych produktów wyobraźni twórców Star Trek? Kryształy te (znane również pod dłuższą nazwą: 2<5>6 dwulit 2<:>1 dialokrzemian 1:9:1 heptożelazek) mogą regulować tempo anihilacji materii i antymaterii, ponieważ uważane są za jedyną formę materii, która jest „przepuszczalna” dla antymaterii.

Można pozwolić sobie na zinterpretowanie tego następująco: kryształy zbudowane są z regularnie uporządkowanych atomów, przypuszczam więc, że atomy antywodoru zostają rozmieszczone w siatce kryształu dwulitu i dzięki temu pozostają w stałej odległości zarówno od atomów zwykłej materii, jak i od siebie nawzajem. W ten sposób dwulit może regulować gęstość antymaterii, a więc także tempo jej reakcji z materią.

Przyczyną, dla której zadaję sobie trud znalezienia hipotetycznego wyjaśnienia działania hipotetycznego materiału, jest moje przekonanie, że twórcy Star Trek wyprzedzali swój czas. Wiele lat po tym, kiedy w Star Trek wprowadzono sterowaną dwulitem anihilację materii i antymaterii, w podobny - przynajmniej co do zasady - sposób próbowano wyjaśnić równie niezwykły proces: zimną fuzję. W czasie mniej więcej sześciomiesięcznej euforii związanej z tym zjawiskiem twierdzono, że łącząc chemicznie różne pierwiastki można w jakiś sposób skłonić jądra atomowe, by reagowały szybciej, i spowodować w temperaturze pokojowej zajście takich samych reakcji, do których wytworzenia Słońce potrzebuje olbrzymich gęstości i temperatur przekraczających milion stopni.

Zimna fuzja budzi podejrzliwość fizyków m.in. dlatego, że związane z nią reakcje chemiczne musiałyby zachodzić na odległościach porównywalnych z rozmiarami atomu, które są 10 tysięcy razy większe niż rozmiary jąder atomowych. Trudno uwierzyć, aby reakcje zachodzące w obszarze tak znacząco większym od jąder mogły mieć jakiś wpływ na tempo reakcji jądrowych. Dopóki jednak nie uświadomiono sobie, że innym grupom naukowców nie udało się powtórzyć rezultatów osiągniętych rzekomo przez odkrywców zimnej fuzji, wielu ludzi spędziło bardzo dużo czasu na próbach odgadnięcia, w jaki sposób taki cud jest możliwy.

Ponieważ, w przeciwieństwie do zwolenników zimnej fuzji, twórcy Star Trek nigdy nie udawali, że wymyślają coś więcej niż fantastykę naukową, sądzę, że nie powinniśmy być dla nich tacy surowi. W końcu kryształy dwulitu wspomagają tylko coś, co niewątpliwie jest najbardziej przekonującym i realistycznym aspektem kosmicznej technologii: silniki na materię

i antymaterię. Mógłbym też dodać, że kryształy - chociaż wolframu, a nie dwulitu - są rzeczywiście stosowane do spowalniania wiązek antyelektronów (pozytonów) w prowadzonych obecnie eksperymentach; w tym przypadku antyelektrony rozpraszają się w polu elektrycznym kryształu i tracą energię.

Nie ma we Wszechświecie innego sposobu, aby dostać więcej czadu za dolara, niż wziąć cząstkę i anihilować ją z jej anty-cząstką, wytwarzając czystą energię promienistą. Jest to jedyna możliwa do wyobrażenia technologia mogąca służyć do napędu rakiet i z pewnością znajdzie takie zastosowanie, jeśli zdecydujemy się rozwijać przemysł statków kosmicznych bez ograniczeń. Niewątpliwie będzie to trochę kosztowało, ale to już zmartwienie polityków XXIII wieku.

ROZDZIAŁ 7

HOLODEKI I HOLOGRAMY

Jesteśmy nami, proszę pana. Oni również są nami.

W takim razie wszyscy jesteśmy nami.

DATA do Picarda i Rikera w odcinku Zawsze zostanie nam Paryż

Kiedy na lotnisku w Casablance Humphrey Bogart powiedział do Ingrid Bergman: „Zawsze zostanie nam Paryż”, miał oczywiście na myśli wspomnienie Paryża. Kiedy Picard powiedział coś podobnego do Jenice Manheim w odtworzonej w holodeku Cafe des Artistes, rozumiał to bardzo dosłownie. Dzięki holodekom można ponownie przeżyć swoje wspomnienia, odwiedzić ulubione miejsca i odnaleźć utracone miłości... Holodek jest jedną z najbardziej fascynujących technologii używanych na pokładzie Enterprise. Dla każdego, kto oswoił się z rodzącym się światem wirtualnej rzeczywistości - czy to dzięki grom wideo, czy bardziej wyrafinowanym współczesnym superszybkim komputerom - możliwości, jakie oferuje holodek, są szczególnie kuszące. Kto nie chciałby w jednej chwili wejść całkowicie w świat własnych fantazji?

Jest to tak nęcące, że nie wątpię, iż można by się od tego uzależnić o wiele bardziej, niż pokazuje to serial. Domyślamy się „uzależnienia od holodeku” (czyli „holoholizmu”) w odcinkach W pogoni za pustką i Dziecko galaktyki W pierwszym z nich lubiany przez wszystkich nerwowo chory oficer, porucznik Reginald Barclay, uzależnia się od swojej fantastycznej wizji starszych oficerów na pokładzie Enterprise i woli mieć z nimi do czynienia raczej w holodeku, niż gdziekolwiek indziej.

W drugim z wymienionych odcinków Geordi LaForge nawiązuje w holodeku znajomość z podobizną dr Leah Brahms, projektantki silników. Kiedy jednak spotyka prawdziwą dr Brahms, sprawy znacznie się komplikują.

Mając na uwadze umysłowy charakter rozrywek, jakim zwykle oddaje się załoga w holodeku, możemy się domyślać, że sterowane hormonami instynkty napędzające ludzkość XX wieku ulegną pewnej zmianie do XXIII stulecia (chociaż, jeśli tak się stanie, Will Riker nie jest typowym reprezentantem swych współczesnych). Znając dzisiejszy świat, oczekiwałbym raczej, że głównym zajęciem w holodeku będzie seks. (Holodek zapewniałby bezpieczny seks w zupełnie nowym znaczeniu). Nie żartuję. Holodek uosabia wszystko to, co jest tak kuszące w fantazjach, zwłaszcza seksualnych: działanie bez konsekwencji, przyjemność bez bólu oraz sytuacje, które można powtarzać w najrozmaitszych wariantach.

W serialu tylko od czasu do czasu czyni się aluzje na temat ukrytych przyjemności holodeku. Na przykład Geordi po tym, jak wpakował się niegrzecznie do prywatnej fantazji Rega w holodeku, przyznaje: „Spędziłem w holodeku kilka godzin. Cóż, to, co robisz w holodeku, jest twoją osobistą sprawą, o ile nie przeszkadza ci to w pracy”. Nie wiem, co bardziej mogłoby się kojarzyć z upomnieniem, by nie oddawać się zbytnio cielesnym przyjemnościom.

Nie wątpię, że pierwsze próby odkrywania wirtualnej rzeczywistości prowadzą nas w kierunku czegoś bardzo podobnego do holodeku. Możliwe, że moje obawy wydadzą się w XXIII wieku osobliwe, podobnie jak ostrzegawcze głosy towarzyszące wynalezieniu telewizji pół wieku temu. W końcu, chociaż protesty te ciągle trwają z powodu nadmiaru seksu i przemocy w telewizji, nie byłoby bez niej serialu Stor Trek.

Niebezpieczeństwo, że staniemy się nacją przesiadujących w domu leniuchów, nie byłoby groźne w przypadku świata pełnego osobistych holodeków lub na przykład holodeków dostępnych na każdej ulicy - zaangażowanie się w fantazję w holodeku wymagałoby sporej aktywności. Ciągle jednak perspektywa wirtualnej rzeczywistości bardzo mnie niepokoi - dlatego właśnie, że choć wydaje się ona rzeczywista, jest o wiele mniej groźna od prawdziwego życia. Powab świata dającego zmysłową przyjemność bez konsekwencji mógłby być nieodparty.

Każda nowa technologia ma jednak złe i dobre strony. To od nas zależy sposób jej wykorzystywania. Z tonu tej książki wynika chyba jasno, że wierzę, iż technologia uczyniła nasze życie lepszym. Wyzwanie polegające na rozsądnym jej użyciu jest tylko jednym z wyzwań stojących przed każdym członkiem ewoluującego ludzkiego społeczeństwa.

Holodek różni się jednak w uderzający sposób od rozwijających się obecnie technologii wirtualnej rzeczywistości. Dzięki urządzeniom, które przymocowuje się do ciała i które mają wpływ na spostrzeżenia i wrażenia, wirtualna rzeczywistość ma za zadanie umieścić całą „akcję” w naszym wnętrzu. W holodeku znajduje zastosowanie sprytniejsza taktyka: to my jesteśmy przenoszeni na „scenę wydarzeń”. Dzieje się tak częściowo dzięki pomysłowemu użyciu holografii, a częściowo przez powielanie.

Zasady, na których opiera się holografia, zostały sformułowane w roku 1947, zanim jeszcze powstały technologie umożliwiające ich zastosowanie. Dokonał tego brytyjski fizyk Dennis Gabor, który za swoją pracę otrzymał później Nagrodę Nobla. Obecnie większości ludzi nieobce są trójwymiarowe obrazy holograficzne, spotykane chociażby na kartach kredytowych czy okładkach książek. Słowo „hologram” pochodzi od greckich słów oznaczających „całość” i „pisać”. W przeciwieństwie do zwykłych fotografii, które zapisują tylko dwuwymiarowy obraz trójwymiarowej rzeczywistości, hologramy dają obraz całościowy. Za pomocą holografii odtwarza się trójwymiarowy obraz, który można obejść dookoła ł obejrzeć ze wszystkich stron, tak jakby to był prawdziwy przedmiot. Jedyny sposób, aby stwierdzić różnicę, to spróbować chwycić hologram. Dopiero wtedy można się przekonać, że nie ma tam nic, czego można by dotknąć.

W jaki sposób dwuwymiarowy kawałek filmu, na którym zapisuje się obraz holograficzny, może pomieścić pełną informację o trójwymiarowym obrazie? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy się zastanowić nad tym, co to znaczy, że coś widzimy, i co tak naprawdę zapisane jest na kliszy.

Przedmioty widzimy albo dlatego, że wysyłają, albo dlatego, że odbijają światło, które następnie dociera do naszych oczu. Kiedy oświetli się obiekt trójwymiarowy, odbija on światło w wielu kierunkach właśnie z powodu swojej trójwymiarowości. Gdybyśmy potrafili w jakiś sposób odtworzyć dokładny wzór rozproszonego przez rzeczywisty obiekt światła, nasze oczy nie mogłyby odróżnić prawdziwego przedmiotu od samego rozproszonego światła. Obracając głowę, moglibyśmy na przykład zobaczyć cechy wcześniej niewidoczne, ponieważ zostałby odtworzony cały wzór światła odbitego od wszystkich części przedmiotu.

W jaki sposób można najpierw zapisać, a potem odtworzyć całą tę informację? Pewien pogląd na to zagadnienie możemy sobie wyrobić, zastanawiając się najpierw, co zapisuje się na zwyczajnej fotografii, za której pomocą przechowujemy, a następnie odtwarzamy obraz dwuwymiarowy. Kiedy robimy zdjęcie, wystawiamy światłoczuły materiał na działanie światła wpadającego przez obiektyw aparatu. Jeśli materiał ten potraktujemy następnie różnymi chemikaliami, zaciemni się on proporcjonalnie do natężenia światła, jakie nań padło. (Mówię tutaj o filmie czamo-białym, ale fotografia kolorowa jest równie prosta: wystarczy pokryć błonę trzema różnymi substancjami, z których każda reaguje na inny podstawowy kolor).

Cała informacja zawarta na filmie fotograficznym mieści się więc w natężeniu światła docierającego do każdego punktu błony. Gdy wywołujemy film, punkty, które były wystawione na działanie silniejszego światła, staną się pod wpływem chemikaliów ciemniejsze, te zaś, na które padło mniej światła -jaśniejsze. Powstający w ten sposób na filmie obraz jest negatywem dwuwymiarowego rzutu początkowego pola światła. Rzutując przez ten negatyw światło na światłoczuły papier, otrzymamy ostatecznie zdjęcie. Kiedy patrzymy na nie, światło padające na jaśniejsze obszary zdjęcia będzie w dużej mierze odbijane, natomiast to, które trafia na obszary ciemniejsze, zostanie pochłonięte. Innymi słowy, patrzenie na światło odbite od fotografii

powoduje powstanie na naszych siatkówkach dwuwymiarowego rozkładu natężenia, który następnie interpretujemy.

Powstaje teraz pytanie: co jeszcze - poza natężeniem światła w każdym punkcie - można by zapisać? Aby na nie odpowiedzieć, znów wykorzystamy to, że światło jest falą. Oznacza to, że do jego scharakteryzowania nie wystarczy natężenie. Przyjrzyjmy się fali światła pokazanej poniżej:

W punkcie A fala, która w tym przypadku przedstawia natężenie pola elektrycznego, ma wartość maksymalną odpowiadającą polu elektrycznemu o natężeniu E_A skierowanemu do góry. W punkcie B pole ma takie samo natężenie, ale jest skierowane w dół. Ktoś, kto rejestruje tylko natężenie fali światła, stwierdzi, że pole ma takie samo natężenie w punkcie A, jak w punkcie B. A przecież punkt B znajduje się w innej części fali niż punkt A. To „położenie” nazywane jest fazą. Okazuje się, że aby określić całą informację związaną z falą w danym punkcie, wystarczy podać jej natężenie i fazę. Aby więc zapisać całą informację o falach światła odbitych od trójwymiarowego obiektu, należy znaleźć sposób na zapisywanie na filmie zarówno natężenia, jak i fazy rozproszonego światła.

Można to zrobić rozdzielając wiązkę światła na dwie części i kierując jedną z nich wprost na film, drugą zaś tak, by - zanim oświetli film - odbiła się od fotografowanego obiektu. Dojdzie wówczas do jednego z dwóch przypadków. Jeśli dwie fale są „w fazie” - czyli mają grzbiety w jakimś punkcie A - amplituda powstającej fali osiągnie w punkcie A amplitudę dwa razy większą od każdej z fal składowych, Jak to pokazuje rysunek:

Z drugiej strony, jeśli dwie fale nie są zgodne w fazie w punkcie A, zniosą się i powstająca „fala” będzie miała w punkcie A zerową amplitudę:

Jeśli teraz w punkcie A umieścimy kliszę fotograficzną, która zapisuje tylko natężenie, zarejestrujemy na niej „wzór interferencyjny” tych dwóch fal - wiązki odniesienia i wiązki odbitej od przedmiotu. Wzór ten zawiera nie tylko informację o natężeniu światła odbitego od obiektu, ale również o fazach. Przy odrobinie sprytu można tę informację wydobyć i odtworzyć trójwymiarowy obraz obiektu, który odbił światło.

Okazuje się, że sprytu naprawdę nie trzeba zbyt wiele. Wystarczy po prostu oświetlić kliszę światłem tej samej długości, jaką miało światło wykorzystane do stworzenia obrazu interferencyjnego, a obraz przedmiotu - gdy popatrzy się przez kliszę - pojawi się dokładnie tam, gdzie się znajdował względem filmu sam przedmiot. Jeśli przechyli się głowę, będzie można „wyjrzeć” za krawędzie odtworzonego przedmiotu. Nawet jeśli większa część kliszy zostanie przykryta, a następnie popatrzymy przez nią, trzymając ją blisko oczu, zobaczymy cały przedmiot! W tym sensie doświadczenie to przypomina oglądanie przez okno sceny dziejącej się na zewnątrz, z tą tylko różnicą, że to, co widać, nie znajduje się tam naprawdę. Docierające do oczu obserwatora światło jest odkształcane przez kliszę w taki sposób, że oczom wydaje się, iż światło to zostało odbite od przedmiotów, które „widzimy”. Tak właśnie działa hologram.

Zazwyczaj, aby starannie kontrolować zarówno wiązkę odniesienia, jak i światio odbite od przedmiotu, używa się światła laserowego, które jest spójne i dobrze skolimowane. Istnieją także tak zwane hologramy światła białego, które z równie dobrym skutkiem można oświetlać zwykłym światłem.

Można być bardziej pomysłowym i spowodować - używając różnych soczewek - aby oglądane przedmioty znajdowały się między oglądającym a kliszą. Wówczas pojawi się przed nami trójwymiarowy obraz przedmiotu, który można obejść i obejrzeć ze wszystkich stron. Źródło światła może się też znajdować przed kliszą zamiast za nią - jak w przypadku hologramów na kartach kredytowych.

W holodeku używa się przypuszczalnie pierwszego rodzaju hologramów: gdy na przykład odtwarza się obraz doktora na oddziale chorych w serii Yoyager. Co więcej, aby zrobić takie hologramy, nie potrzeba rzeczywistych przedmiotów. Komputery cyfrowe są obecnie wystarczająco zaawansowane, aby prześledzić drogę poszczególnych promieni światła, czyli obliczyć, jak powinno wyglądać światło odbite od dowolnego obiektu, który zechcemy narysować na ekranie i oświetlić go pod dowolnym kątem. W taki sam sposób komputer może określić wygląd obrazu interferencyjnego, który powstałby z połączenia światła biegnącego wprost na kliszę ze światłem odbitym od przedmiotu. Wyprodukowany za pomocą komputera obraz interferencyjny można następnie rzutować na przezroczysty ekran i, gdy oświetli się ten ekran od tyłu, powstanie trójwymiarowy obraz przedmiotu, który w rzeczywistości nigdy nie istniał. Jeśli komputer jest wystarczająco szybki, może rzutować na ekran zmieniający się ciągle obraz interferencyjny, tworząc w ten sposób poruszający się trójwymiarowy obraz. Holograflczny aspekt ho-lodeku nie jest więc specjalnie naciągany.

Hologramy jednak to jeszcze nie holodek. Powiedzieliśmy już, że nie są one obiektami materialnymi. Można przez nie przechodzić lub strzelać, jak tego dowiodły wspaniale hologra-ficzne obrazy stworzone przez Spocka i Datę, aby oszukać Ro-mulan w odcinku jednoczenie. Ów brak cielesności przeszkadzałby jednak w przypadku obiektów, z którymi chcemy wejść w kontakt - to znaczy dotknąć ich. Wówczas wymagane są bardziej ezoteryczne techniki i twórcy Stor Trek musieli się posłużyć w tym celu transporterem lub przynajmniej replłkatora-mi, które są prostszymi wersjami transportera. Można się domyślać, że transporter pozwala odtwarzać i przemieszczać -w ścisłej współpracy z programami komputerowymi kontrolującymi głos i ruchy - materię w holodeku tak, aby dokładnie przypominała odpowiednie istoty. W podobny sposób replika-tory odtwarzają przedmioty nieożywione: stoły, krzesła itd. Ta „holodekowa materia” zawdzięcza swoją formę informacji przechowywanej w buforze replikatora. Kiedy transporter zostanie wyłączony lub przedmiot usunięty z holodeku, materia ta może rozłożyć się równie łatwo jak wtedy, gdy bufor wzorca zostaje wyłączony w trakcie przesyłania. Istoty stworzone z holode-kowej materii mogą więc zostać uwięzione w holodeku, jak to odkryli, ku swemu przerażeniu, fikcyjni detektywi Cyrus Red-block i Felix Leach w odcinku Wielkie pożegnanie serii Następne pokolenie.

Wyobrażam więc sobie holodek w następujący sposób: hologramy stanowiłyby „ściany”, symulując trójwymiarowe otoczenie, które rozciąga się po horyzont, oparte zaś na technologii transportera replikatory stwarzałyby na tej scenie poruszające się cielesne obiekty. Ponieważ opanowaliśmy już technikę holografii, natomiast (jak to wyjaśniłem wcześniej) zbudowanie transporterów jest mało prawdopodobne, aby stworzyć działajacy holodek, należałoby znaleźć jakiś inny sposób nadawania materii kształtu i przemieszczania jej. Nie jest jednak tak źle, skoro mamy w ręku jedną z dwóch koniecznych technologii.

Czy jednak same hologramy nie wystarczyłyby, jak w przypadku holograflcznego lekarza w serii Yoyoger? Odpowiedź brzmi: absolutnie nie. Obawiam się, że obrazy te, składające się tylko z rozproszonego światła, pozbawione grama materii, nie na wiele by się zdały, gdybyśmy chcieli je podnieść, zbadać lub manipulować nimi. Niemniej dobrego traktowania ł pełnych współczucia rad, które leżą u podstaw właściwej praktyki medycznej, można oczekiwać tak od hologramu, jak od rzeczywistej istoty.

CZĘŚĆ III

NIEWIDZIALNY

WSZECHŚWIAT,

CZYLI O CZYM NIE ŚNIŁO SIĘ

FILOZOFOM

W części tej mówimy o rzeczach, które mogą istnieć,

choć nikt ich jeszcze nie widział: życiu pozaziemskim,

wyższych wymiarach oraz egzotycznej menażerii

innych możliwości i niemożliwości fizyki.

ROZDZIAŁ 8

W POSZUKIWANIU SPOCKA

Trudno jest pracować w grupie, gdy jest się wszechmocnym.

Q, dołączając do załogi Enterprise w odcinku Deja Q

Nieustająca agresja, podboje terytorialne i ludobójstwo... kiedy to tylko możliwe... Kolonia połączona jest tak, jakby była w rzeczywistości jednym organizmem rządzonym przez genom, który ogranicza zachowanie tak samo, jak je umożliwia... Ten fizyczny superorganizm działa tak, aby przystosować demograficzną mieszankę w celu zoptymalizowania swojej gospodarki energetycznej... Surowe zasady nie pozwalają na zabawę, sztukę czy współczucie”.

Borgowie należą do najbardziej przerażających i intrygujących gatunków obcych stworzeń, jakie zostały kiedykolwiek sportretowane na telewizyjnym ekranie. Z mojego punktu widzenia są tak fascynujący dlatego, że podobne do nich organizmy mogłyby w zasadzie powstać drogą doboru naturalnego. Chociaż zacytowany powyżej fragment stanowi trafny opis Borgów, nie pochodzi on z żadnego z odcinków Star Trek. Ów tekst pojawia się w pracy Berta Holldoblera i Edwarda O. Wilsona Podróż do krainy mrówek i nie jest opisem Borgów, lecz dobrze nam znanych ziemskich owadów. Mrówki osiągnęły niezwykłe sukcesy ewolucyjne i nietrudno zgadnąć dlaczego. Czy można sobie wyobrazić, że obdarzone świadomością społeczeństwo rozwija się w podobny superorganizm społeczny? Czy intelektualne subtelności, takie jak empatia, byłyby w takim społeczeństwie potrzebne? A może raczej przeszkadzałyby?

Gene Roddenberry przyznał, że podróże międzygwiezdne statku Enterprise są przede wszystkim pretekstem do opowiadania coraz to nowych historii. Mimo wszystkich technicznych cudów nawet umysł tak ścisły, jak mój, potrafi dostrzec, że tym, co napędza Star Trek, jest dramat, te same wielkie tematy, które przepełniały opowieści od czasów greckiej epiki: miłość, nienawiść, zdrada, zazdrość, zaufanie, radość, strach, zdziwienie... Wszyscy przywiązujemy się do opowieści opisujących ludzkie uczucia, które rządzą naszym własnym życiem. Gdyby napędu czasoprzestrzennego używano jedynie do przyspieszania bezzałogowych sond, gdyby transportery zbudowano tylko po to, aby przenosić próbki gleby, gdyby skanery medyczne wykorzystywano tylko do badania życia roślinnego, serial zakończyłby się już po pierwszej serii odcinków.

Rzeczywiście, „nieustająca misja” statku Enterprise nie służy badaniu praw fizyki, lecz „poszukiwaniu niezwykłych nowych światów, nowego życia i nowych cywilizacji”. Sądzę, że serial Stor Trek jest tak fascynujący dlatego, iż pozwala, by ludzki dramat przestał być domeną człowieka. Wyobrażamy sobie, w jaki sposób inne gatunki próbują radzić sobie z tymi samymi problemami i zadaniami, jakie stoją przed ludzkością. Poznajemy nowe, wymyślone kultury, nowe zagrożenia. Jest to równie niezwykłe, jak zwiedzanie po raz pierwszy obcego kraju, czy studiowanie historii i odkrywanie zarówno tego, co jest zupełnie inne, jak i tego, co jest dokładnie takie same w zachowaniu ludzi, którzy żyli przed setkami lat.

Aby się dobrze bawić, musimy oczywiście pozbyć się chociaż na chwilę sceptycyzmu. Co ciekawe, niemal wszystkie obce gatunki, które spotyka Enterprise, przypominają ludzi i mówią po angielsku! (Twórcy Star Trek znaleźli dla tej sytuacji usprawiedliwienie w serii Następne pokolenie. Archeolog Richard Galen odkrywa bowiem, że wiele z tych cywilizacji ma wspólny materiał genetyczny, który został „zasiany” w pierwotnych oceanach wielu różnych światów przez pewną bardzo starą cywilizację. Przypomina to nieco żartobliwą teorię panspermii, lansowaną ostatnio przez Francisa Cricka, laureata Nagrody Nobla). Niewątpliwie nie uszło to uwagi żadnego trekkera, a najbarwniej wyłożył mi to fizyk teoretyk i laureat Nagrody Nobla - Sheldon Glashow, który powiedział o obcych istotach: „Wszyscy oni wyglądają jak ludzie cierpiący na słoniowatość!” Jednak i on - podobnie jak większość trekkerów - aby móc podziwiać sposób ujęcia psychologii obcych cywilizacji przez scenarzystów, stara się nie zważać na ich posunięcia. Hollywoodzcy scenarzyści nie są naukowcami ani inżynierami, dlatego wydaje się naturalne, że większość ich energii twórczej pochłania wymyślanie obcych kultur niż obcej biologii.

A mieli oni rzeczywiście bardzo wiele pomysłów. Poza Borga-mi i wszechmocnym kawalarzem Q wszechświat Stor Trek zaludniło ponad dwieście różnych form życia; potem przestałem je już liczyć. Wygląda na to, że nasza Galaktyka pełna jest inteligentnych cywilizacji, bardziej i mniej zaawansowanych w rozwoju. Niektóre z nich - takie jak Federacja, Klingonowie, Romulanie i Kardasowie - zarządzają olbrzymimi imperiami, podczas gdy inne żyją w odosobnieniu na pojedynczych planetach lub w pustce przestrzeni kosmicznej.

Znalezienie inteligentnych istot pozaziemskich, jak podkreślają to ludzie prowadzący ich poszukiwania, byłoby największym odkryciem w historii ludzkości. Trudno sobie wyobrazić odkrycie, które mogłoby bardziej zmienić nasze poglądy na człowieka i jego miejsce we Wszechświecie. Jednak po 30 latach poszukiwań ciągle jeszcze czekamy na znalezienie ostatecznego dowodu na istnienie jakiejkolwiek formy życia poza Ziemią. Może się to wydawać zaskakujące. Jeśli gdzieś w kosmosie istnieje życie, natrafienie nań wydaje się nieuniknione, podobnie jak nieuniknione było to, że cywilizacje, które pojawiły się niezależnie od siebie na kilku ziemskich kontynentach, w końcu spotkały się, co zresztą doprowadziło do wielu spustoszeń.

Kiedy zastanowimy się głębiej nad prawdopodobieństwem odkrycia inteligentnego życia gdzieś we Wszechświecie, łatwo się zniechęcić. Przypuśćmy na przykład, że pewna obca cywilizacja w naszej Galaktyce została w jakiś sposób poinformowana, na którą z około 400 miliardów gwiazd w Drodze Mlecznej należy skierować przyrządy, aby odnaleźć zamieszkaną planetę. Powiedzmy, że kazano im patrzeć w kierunku Słońca. Jakie jest prawdopodobieństwo, że odkryją wtedy naszą obecność? Życie istnieje na Ziemi przez większość z 4,5 miliarda lat, jakie upłynęły od czasu, gdy powstała. Jednak dopiero w ostatnim półwieczu zaczęliśmy wysyłać jakiekolwiek sygnały świadczące o naszym istnieniu. Co więcej, dopiero od 25 lat dysponujemy radioteleskopami o wystarczającej sile, aby mogły one służyć innym cywilizacjom jako radiolatarnie. Zatem w ciągu 4,5 miliarda lat, w czasie których obce cywilizacje mogły przyglądać się Ziemi z kosmosu, byłyby w stanie odkryć nasze istnienie tylko w trakcie ostatniego półwiecza. Jeśli przyjmiemy, że obca cywilizacja zdecydowała się przeprowadzić swoje obserwacje w przypadkowym momencie historii naszej planety, okaże się, że prawdopodobieństwo odkrycia naszego istnienia byłoby jak 1 do 100 milionów. Przypominam, że ocena ta ma sens tylko wtedy, gdy wiadomo dokładnie, gdzie należy patrzeć!

Napisano całe książki na temat prawdopodobieństwa istnienia życia w naszej Galaktyce, jak również o możliwościach jego wykrycia. Oceny liczby zaawansowanych cywilizacji wahają się od milionów (w najlepszym razie) do jednej (w najgorszym, gdy założymy, że nasza cywilizacja jest zaawansowana). Nie chcę tu szczegółowo rozważać wszystkich argumentów. Pragnę jednak opisać kilka bardziej interesujących problemów fizycznych związanych z początkami życia, na którego poszukiwanie wysłano Enterprise. Chciałbym się również zająć stosowanymi obecnie na Ziemi metodami poszukiwania obcych cywilizacji.

Twierdzenie, że życie pozaziemskie powinno istnieć gdzieś w naszej Galaktyce, wydaje mi się przekonujące. Jak powiedziałem, w Galaktyce jest około 400 miliardów gwiazd. Byłoby więc rzeczą niezwykłą, gdyby nasze Słońce okazało się jedyną gwiazdą, wokół której rozwinęło się inteligentne życie. Aby ocenić prawdopodobieństwo, że życie podobne do naszego pojawiło się gdzieś indziej, można rozumować w sposób, który na pierwszy rzut oka wydaje się dość skomplikowany. Na początek można postawić oczywiste pytania w rodzaju: „Jakie jest prawdopodobieństwo tego, że wokół większości gwiazd krążą planety?” lub „Jakie jest prawdopodobieństwo, że dana gwiazda będzie żyła wystarczająco długo, aby zapewnić odpowiednie warunki dla rozwoju życia w swoim układzie planetarnym?” Następnie należy się zająć sprawami związanymi z samymi planetami: „Czy planeta jest dostatecznie duża, aby mogła utrzymać atmosferę?”, „Jakie jest prawdopodobieństwo, że procesy wulkaniczne rozpoczęły się na niej wystarczająco wcześnie, aby wytworzyć na powierzchni odpowiednią ilość wody?”, albo „Jak prawdopodobne jest to, że ma ona księżyc, którego masa i bliskość powodują, że na planecie występują pływy, a zatem mogą się tworzyć baseny przypływowe - kolebki życia?” Zajmę się dalej tymi kwestiami, jednak problem określenia rzeczywistych prawdopodobieństw polega na tym, że, po pierwsze, wiele potrzebnych parametrów pozostaje nieokreślonych ł, po drugie, nie wiemy, jak parametry te są ze sobą związane. Trudno określić nawet prawdopodobieństwo codziennych zdarzeń. Kiedy natomiast chce się oszacować cały ciąg bardzo małych prawdopodobieństw, możliwości wykorzystania w praktyce takiej oceny są bardzo niewielkie.

Należy też pamiętać, że nawet jeśli obliczy się dobrze zdefiniowane prawdopodobieństwo, jego interpretacja może być bardzo niejasna. Prawdopodobieństwo jakiegoś ciągu zdarzeń - na przykład tego, że siedzę na krześle określonego rodzaju, pisząc na komputerze (jednym z milionów komputerów wytwarzanych każdego roku), w tym konkretnym miejscu (w jednym z wielu miast na świecie), o określonej porze dnia (spośród 86 tysięcy 400 sekund doby) - jest niezwykle małe. To samo można powiedzieć o każdym innym zbiorze okoliczności w moim życiu. Podobnie, w świecie nieożywionym prawdopodobieństwo, że, powiedzmy, radioaktywne jądro rozpadnie się w dokładnie określonym momencie, jest również niezwykle małe. Jednak nie obliczamy takich prawdopodobieństw. Pytamy raczej, jak prawdopodobne jest to, że jądro rozpadnie się w pewnym niezerowym przedziale czasu, lub o ile bardziej prawdopodobny jest rozpad w jakimś momencie w stosunku do rozpadu w innym momencie.

Próbując ocenić prawdopodobieństwo istnienia życia w naszej Galaktyce, należy być bardzo ostrożnym, aby nie narzucić zbyt dużych ograniczeń na ciąg wydarzeń, który się rozważa.. Jeśli się tak zrobi, a znamy takie oceny, dojść można do wniosku, że prawdopodobieństwo powstania życia na Ziemi jest niezwykle małe, co czasami wysuwa się jako argument za koniecznością boskiej interwencji. Jednak równie znikomo małe jest prawdopodobieństwo, że światło na skrzyżowaniu, które widzę ze swojego okna, zmieni się na czerwone, gdy będę czekał tam w swoim samochodzie dokładnie o godzinie 11:57, 3 czerwca 1999 roku. A przecież nie oznacza to, że do tego nie dojdzie.

Warto uświadomić sobie, że życie jednak powstało w Galaktyce - przynajmniej raz. Trudno przecenić wagę tego faktu. Z doświadczenia wiemy, że przyroda rzadko kiedy wytwarza jakieś zjawisko tylko raz. Nasze istnienie stanowi precedens; dowodzi, że powstanie życia jest możliwe. Gdy wiemy już, że życie może pojawić się w naszej Galaktyce, prawdopodobieństwo tego, że narodzi się również gdzie indziej, gwałtownie wzrasta. (Nie musi jednak, jak sądzą niektórzy biologowie ewolucyjni, rozwinąć się w formę inteligentną).

Chociaż nasza wyobraźnia jest niewątpliwe zbyt uboga, aby rozważyć wszystkie kombinacje warunków, które mogłyby doprowadzić do powstania inteligentnego życia, możemy posłużyć się przykładem własnego istnienia i zastanowić się, jakie cechy Wszechświata były decydujące lub ważne w naszej ewolucji. Zacznijmy od Wszechświata jako całości. Wspomniałem już o jednym z kosmicznych zbiegów okoliczności, o tym, że w młodym Wszechświecie na każde 10 miliardów protonów i antyprotonów przypadał jeden dodatkowy proton. Bez tych dodatkowych cząstek materia zanihilowałaby z antymaterią i w dzisiejszym Wszechświecie nie byłoby już materii, ani inteligentnej, ani żadnej innej.

Następną oczywistą cechą Wszechświata, w którym żyjemy, jest jego sędziwy wiek. Powstawanie inteligentnego życia na Ziemi trwało około 3,5 miliarda lat. Abyśmy więc mogli się pojawić we Wszechświecie, musiał on istnieć przez miliardy lat. Wedle najlepszych obecnie ocen wieku Wszechświata ma on 10-20 miliardów lat, co jest okresem wystarczająco długim. Okazuje się jednak, że nie tak łatwo a priori zaprojektować wszechświat, który - podobnie jak nasz - rozszerza się, a nie zapada bardzo szybko w Wielkim Kolapsie (odwrotności Wielkiego Wybuchu), i jednocześnie nie rozszerza się zbyt szybko, uniemożliwiając materii grupowanie się w gwiazdy i galaktyki. Warunki początkowe we Wszechświecie - lub pewien dynamiczny proces fizyczny we wczesnych etapach jego historii - musiały być bardzo dobrze zestrojone, aby wszystko się powiodło.

Kwestia ta znana jest jako problem płaskości Wszechświata, a jej zrozumienie stało się jednym z głównych zadań dzisiejszej kosmologii. Przyciąganie grawitacyjne, związane z obecnością materii, spowalnia rozszerzanie się Wszechświata. W związku z tym pojawiają się dwie możliwości. Albo we Wszechświecie jest wystarczająco dużo materii, by zatrzymać i odwrócić ekspansję (Wszechświat zamknięty), albo jest jej zbyt mało i Wszechświat będzie się rozszerzał wiecznie (Wszechświat otwarty). Zaskakującą cechą obecnego Wszechświata jest to, że kiedy dodamy do siebie całą widoczną materię, otrzymana ilość jest podejrzanie bliska wielkości granicznej między tymi dwoma możliwościami. Taka wielkość graniczna odpowiada Wszechświatowi płaskiemu, w którym tempo ekspansji maleje, ale na to, aby ekspansja zupełnie ustała, potrzeba byłoby nieskończonego czasu.

Szczególnie zadziwia to, że Wszechświat, który nie jest doskonale płaski, w trakcie swej ewolucji coraz bardziej oddala się od tego granicznego stanu. Ponieważ Wszechświat ma dzisiaj co najmniej 10 miliardów lat i wyniki obserwacji wskazują, że jest obecnie niemal zupełnie płaski, we wcześniejszych okresach swojego istnienia musiał być jeszcze bardziej płaski. Trudno sobie wyobrazić, w jaki sposób miałoby to nastąpić przypadkiem, bez udziału jakiegoś wymuszającego to procesu fizycznego.

Około 15 lat temu zaproponowano opis takiego procesu - nosi on nazwę inflacji. W młodym Wszechświecie mógł on zachodzić powszechnie w wyniku efektów kwantowomechanicznych.

Przypomnijmy sobie, że pusta przestrzeń nie jest tak naprawdę pusta, lecz istnieją w niej kwantowe fluktuacje, które mogą przenosić energię. Okazuje się, że ponieważ natura sił działających między cząstkami elementarnymi zmieniała się wraz z temperaturą młodego Wszechświata, energia zmagazynowana we fluktuacjach kwantowych próżni mogła stać się dominującą formą energii. Owa energia próżni może odpychać grawitacyjnie, zamiast przyciągać. Istnieje hipoteza, że Wszechświat przeszedł kiedyś przez krótką fazę inflacji, w czasie której dominowała energia próżni, co zaowocowało bardzo szybką ekspansją. Można wykazać, że kiedy ten okres dobiegł końca i energia próżni zamieniła się w energię materii i promieniowania, Wszechświat mógł stać się niemal dokładnie płaski.

Pozostaje jednak inny, być może poważniejszy problem. Pojawił się on po raz pierwszy, gdy Einstein spróbował zastosować swoją ogólną teorię względności do opisu Wszechświata. W tym czasie nie wiedziano jeszcze, że Wszechświat się rozszerza, wierzono raczej, że jest on statyczny i niezmienny. Einstein musiał więc znaleźć jakiś sposób, aby powstrzymać całą materię przed zapadnięciem się w wyniku przyciągania grawitacyjnego. Dodał więc do swoich równań człon, zwany stałą kosmologiczną, który wprowadzał kosmiczne odpychanie, aby zrównoważyć przyciąganie grawitacyjne materii w dużych skalach. Gdy się okazało, że Wszechświat nie jest statyczny, Einstein uświadomił sobie, iż nie ma potrzeby dodawać do równań stałej kosmologicznej, i nazwał to największą pomyłką, jaką kiedykolwiek popełnił. Niestety, tak jak w przypadku pasty do zębów, która - wyciśnięta - nie chce wejść z powrotem do tubki, gdy raz podniesiono kwestię istnienia stałej kosmologicznej, nie było już odwrotu. Jeśli taki człon może się znajdować w równaniach Einsteina, należy wyjaśnić, dlaczego nie ma po nim śladu w obserwowanym Wszechświecie. Okazuje się, że energia próżni daje dokładnie ten sam efekt, jaki chciał uzyskać Einstein, wprowadzając stałą kosmologiczną. Powstaje więc pytanie: jak to się stało, że energia próżni nie dominuje w dzisiejszym Wszechświecie? Innymi słowy, jak to się dzieje, że Wszechświat nie trwa wciąż w fazie inflacji?

Nie znamy odpowiedzi na te pytania. Są to prawdopodobnie jedne z najbardziej głębokich, dotąd nie zbadanych problemów w fizyce. Każde obliczenie wykonywane przy użyciu znanych teorii sugeruje, że energia próżni powinna być obecnie o wiele rzędów wielkości większa, niż to wynika z obserwacji. Zaproponowano pewne mechanizmy odwołujące się do tak niezwykłych tworów, jak tunele euklidesowe, które mogłyby powodować znikanie energii, ale żadnej z tych hipotez nie udało się dobrze uzasadnić. Co więcej, ostatnie obserwacje wykazują, że stała kosmologiczna, chociaż znacznie niniejsza niż moglibyśmy się spodziewać, może być jednak różna od zera i w związku z tym wywierać zauważalny wpływ na ewolucję Wszechświata, na przykład postarzając go. Zagadnienia te budzą wielkie zainteresowanie i zajmują dużo miejsca także w moich własnych badaniach.

Niezależnie od tego, jak ów problem zostanie rozwiązany, nie ulega wątpliwości, że płaskość Wszechświata była jednym z warunków koniecznych powstania życia na Ziemi i że warunki kosmologiczne, które się do tego przyczyniły, są takie same w całym Wszechświecie.

Do licznych kosmicznych zbiegów okoliczności, które pozwoliły na rozwój życia na Ziemi, doszło również na podstawowym, mikrofizycznym poziomie. Gdyby którakolwiek z fundamentalnych stałych fizycznych przyrody była tylko nieco inna, nigdy nie powstałyby warunki konieczne do ewolucji ziemskich form życia. Gdyby na przykład bardzo małą różnicę masy między neutronem i protonem (około 1/1000) zmienić tylko dwukrotnie, rozpowszechnienie we Wszechświecie pierwiastków istotnych dla życia na Ziemi byłoby znacznie mniejsze. Podobnie, gdyby nieco zmienić poziom energetyczny jednego ze stanów wzbudzonych jądra atomu węgla, reakcje, w których wyniku ten pierwiastek powstaje we wnętrzach gwiazd, nie zachodziłyby i w dzisiejszym Wszechświecie nie byłoby węgla stanowiącego podstawowy składnik cząsteczek organicznych.

Oczywiście, trudno powiedzieć, jaką wagę należy przypisać tym zbiegom okoliczności. Ponieważ pojawiliśmy się we Wszechświecie, nie należy się dziwić, że stałe przyrody mają wartości, które pozwoliły na nasze zaistnienie. Można by sobie wyobrazić, że Wszechświat, który obserwujemy, jest częścią o wiele większego metawszechświata. W każdym z wszechświatów, wchodzących w skład tego metawszechświata, stałe przyrody mogłyby mieć inne wartości. We wszechświatach, w których stałe fizyczne nie pozwalają na pojawienie się życia, nie ma nikogo, kto mógłby cokolwiek zmierzyć. Parafrazując sformułowanie rosyjskiego kosmologa Andrieja Linde, który popiera tę postać zasady antropicznej, jesteśmy w sytuacji inteligentnej ryby: dziwi się ona, dlaczego wszechświat, w którym żyje (wnętrze akwarium), składa się z wody. Odpowiedź jest prosta: gdyby nie był z wody, nie byłoby tam ryby i nie mogłaby zadawać pytań.

Ponieważ większość z tych interesujących problemów nie może obecnie zostać rozwiązana na drodze empirycznej, najlepiej chyba pozostawić je filozofom, teologom i autorom literatury fantastycznonaukowej. Przyjmijmy więc, że Wszechświat zdołał rozwinąć się zarówno w skali mikroskopowej, jak i makroskopowej w sposób sprzyjający powstaniu życia. Zajmiemy się teraz naszym własnym domem - Drogą Mleczną.

Kiedy zastanawiamy się, które układy gwiezdne w naszej Galaktyce mogłyby zawierać inteligentne życie, problemy fizyczne są o wiele lepiej określone. Wiedząc, że w Drodze Mlecznej istnieją gwiazdy liczące sobie co najmniej 10 miliardów lat (podczas gdy życie na Ziemi nie jest starsze niż 3,5 miliarda lat), musimy zapytać, od jak dawna życie mogło się rozwijać w naszej Galaktyce, zanim pojawiło się na Ziemi.

Kiedy 10-20 miliardów lat temu nasza Galaktyka zaczęła tworzyć się w rozszerzającym się Wszechświecie, pierwsze pokolenie jej gwiazd składało się wyłącznie z wodoru i helu, jedynych pierwiastków, które powstały w dużych ilościach zaraz po Wielkim Wybuchu. Synteza jądrowa wewnątrz tych gwiazd powodowała zamianę wodoru w hel, a gdy paliwo wodorowe się wyczerpywało, zaczynał się spalać hel, tworząc jeszcze cięższe pierwiastki. Reakcje syntezy zasilają gwiazdę aż do chwili, gdy jej jądro składa się głównie z żelaza. Żelaza nie można już spalać i paliwo jądrowe gwiazdy ulega wyczerpaniu. Tempo, w jakim gwiazda zużywa swoje paliwo jądrowe, zależy od jej masy. Słońce po 5 miliardach lat spalania wodoru nie jest jeszcze nawet w połowie pierwszej fazy gwiezdnej ewolucji. Gwiazdy dziesięciokrotnie masywniejsze od Słońca spalają swoje paliwo około 1000 razy szybciej niż ono. Takie gwiazdy zużywają swoje paliwo wodorowe w ciągu mniej niż 100 milionów lat, podczas gdy Słońce potrzebuje na to 10 miliardów lat.

Co dzieje się z taką masywną gwiazdą, gdy wyczerpie już ona swoje paliwo jądrowe? W ciągu sekund po spaleniu resztek zewnętrzne części gwiazdy zostają odrzucone w eksplozji, nazywanej supernową, która jest jednym z najwspanialszych fajerwerków we Wszechświecie. Supernowe świecą przez krótki czas z jasnością miliarda gwiazd. Obecnie pojawiają się one w Galaktyce w tempie 2-3 na stulecie. Prawie tysiąc lat temu astronomowie chińscy dostrzegli na niebie nową gwiazdę, widoczną nawet w dzień, którą nazwali „gwiazdą-gościem”. Supernowa ta wytworzyła coś, co obecnie możemy obserwować za pomocą teleskopów jako Mgławicę Krab. Ciekawe, że nigdzie w Europie Zachodniej nie zauważono tego krótkotrwałego zjawiska. W owych czasach kościelny dogmat głosił, że niebiosa są wieczne i niezmienne, i o wiele łatwiej było niczego nie widzieć niż narażać się na spalenie na stosie. Niemal 500 lat później europejscy astronomowie wyzwolili się już na tyle z tego dogmatu, że duński astronom Tycho Brahe mógł prowadzić obserwacje kolejnej supernowej w Galaktyce.

Wiele ciężkich pierwiastków powstałych w czasie ewolucji gwiazdy oraz stworzonych podczas eksplozji ulega rozproszeniu w ośrodku międzygwiazdowym, a część tego „gwiezdnego pyłu” wchodzi później w skład gazu, który zapada się, aby gdzie indziej utworzyć nową gwiazdę. W ciągu miliardów lat powstają nowe pokolenia gwiazd - tak zwane gwiazdy populacji I, do których należy Słońce. Wiele z nich może otaczać wirujący dysk gazu i pyłu, z którego następnie powstają planety zawierające ciężkie pierwiastki, takie jak wapń, węgiel i żelazo. Z tego właśnie materiału jesteśmy zbudowani. Każdy atom w naszych ciałach powstał miliardy lat temu w ognistym piecu jakiejś dawno umarłej gwiazdy. Uważam to za jeden z najbardziej fascynujących l romantycznych faktów dotyczących Wszechświata: wszyscy jesteśmy - dosłownie! - dziećmi gwiazd.

Niewiele byłoby jednak pożytku, gdyby planeta taka jak Ziemia uformowała się w pobliżu bardzo masywnej gwiazdy: takie gwiazdy ewoluują i umierają w ciągu mniej więcej 100 milionów lat. Tylko gwiazdy o masie naszego Słońca lub mniejszej będą przez dłużej niż 5 miliardów lat spokojnie spalać wodór. Trudno sobie wyobrazić, w jaki sposób mogłoby powstać życie na planecie obiegającej gwiazdę, która w trakcie ewolucji znacznie zmienia swoją jasność. I odwrotnie, gdyby układ planetarny znajdował się wokół gwiazdy dużo mniejszej i słabszej od naszego Słońca, planeta, by otrzymywać ilość ciepła, potrzebną do podtrzymania życia, musiałaby prawdopodobnie znajdować się tak blisko gwiazdy, że zostałaby zniszczona przez siły pływowe. Jeśli zatem chcemy poszukiwać życia, należy przyglądać się gwiazdom, które nie różnią się zbytnio od naszej. Tak się składa, że Słońce jest raczej typowym członkiem Galaktyki. Około 25% wszystkich gwiazd Drogi Mlecznej - czyli blisko 100 miliardów - spełnia ten warunek. Większość z nich jest nawet starsza od Słońca, mogły więc stać się ogniskami życia nawet 4-5 miliardów lat wcześniej niż Słońce.

Wróćmy jednak na Ziemię. Co czyni naszą piękną zielononiebieską planetę tak wyjątkową? Po pierwsze, znajduje się ona w wewnętrznej części Układu Słonecznego. To ważne, ponieważ planety zewnętrzne zawierają procentowo o wiele więcej wodoru i helu - ich skład jest znacznie bliższy słonecznemu. Większość ciężkich pierwiastków znajdujących się w dysku gazu i pyłu, który otaczał Słońce w trakcie jego narodzin, pozostała w wewnętrznej części układu. Można się więc spodziewać, że potencjalne ogniska życia wokół gwiazdy o masie Słońca będą się znajdowały w odległościach mniejszych niż, powiedzmy, promień orbity Marsa.

Jak zauważyli Złotowłosi, Ziemia jest w sam raz - nie za duża i nie za mała, nie za zimna i nie za gorąca. Ponieważ planety wewnętrzne prawdopodobnie nie miały atmosfer, gdy się rodziły, ich atmosfery musiały zostać wytworzone później z gazów wydzielanych przez wulkany. Woda na powierzchni Ziemi powstała w ten sam sposób. Mniejsza planeta mogłaby wypromieniować ciepło ze swojej powierzchni tak szybko, że procesy wulkaniczne nie zachodziłyby na odpowiednio dużą skalę. Przypuszczalnie tak właśnie było w przypadku Merkurego i Księżyca. Mars jest przypadkiem granicznym, natomiast Ziemi i Wenus udało się utworzyć atmosferę. Pomiary radioaktywnych izotopów gazów w ziemskich skałach sugerują, że 4,5 miliarda lat temu, po początkowym okresie bombardowań, w czasie którego Ziemia uformowała się poprzez wychwyt materii spadającej na protoplanetę w ciągu 100-150 milionów lat, podczas następnych kilku milionów lat procesy wulkaniczne wytworzyły około 85% atmosfery³. Nie jest zaskakujące, że życie organiczne powstało właśnie na Ziemi, a nie na żadnej innej planecie Układu Słonecznego, i podobnych tendencji można oczekiwać także gdzie indziej w Galaktyce - na planetach klasy M, jak się je nazywa we wszechświecie Stor Trek. Następne pytanie brzmi: ile czasu mogło potrzebować życie, a potem życie inteligentne, aby powstać ł się rozwinąć? Odpowiedź na pierwszą część tego pytania brzmi: niezwykle krótkiego czasu. Znalezione na Ziemi skamieniałości niebieskozielonych glonów mają 3,5 miliarda lat, a niektórzy badacze twierdzą, że życie kwitło na naszej planecie już 3,8 miliarda lat temu. Życie na Ziemi pojawiło się najwcześniej, jak to tylko było możliwe -w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat jej istnienia. To bardzo obiecujące.

Oczywiście od czasu, kiedy na Ziemi powstało życie, do chwili pojawienia się skomplikowanych struktur wielokomórkowych, a później życia inteligentnego, upłynęły prawie 3 miliardy lat. Wszystko wskazuje na to, że okresem tym rządziła raczej fizyka niż biologia. Po pierwsze, pierwotna atmosfera Ziemi nie zawierała tlenu. Znajdował się w niej dwutlenek węgla, azot oraz śladowe ilości metanu, amoniaku, dwutlenku siarki i kwasu solnego, ale nie tlen. Tlen jest istotny nie tylko dla zaawansowanych, organicznych form życia na Ziemi, ale pełni jeszcze inną ważną funkcję. Tylko wtedy, gdy w atmosferze znajduje się wystarczająca ilość tlenu, może powstać ozon. Jego obecność, jak sobie to coraz lepiej uświadamiamy, ma fundamentalne znaczenie dla życia na Ziemi, ponieważ odbija on promieniowanie ultrafioletowe, które jest szkodliwe dla większości istot. Nic więc dziwnego, że eksplozja życia na Ziemi rozpoczęła się dopiero wtedy, gdy w atmosferze pojawiły się duże ilości tlenu. Ostatnie pomiary wykazują, że tlen pojawił się w atmosferze około dwóch miliardów lat temu i w ciągu następnych 600 milionów lat osiągnął poziom zbliżony do obecnego. Chociaż tlen wytwarzały już wcześniej w procesach fotosyntezy niebie-sko-zielone glony żyjące w pierwotnych oceanach, z początku nie mógł on na stałe wejść w skład atmosfery. Reaguje on bowiem z tak wieloma substancjami (na przykład z żelazem), że każda jego ilość wyprodukowana w procesach fotosyntezy łączyła się z innymi pierwiastkami, zanim dotarła do atmosfery. W końcu, gdy wystarczająca ilość materiału w oceanie się utleniła, wolny tlen mógł zacząć zbierać się w atmosferze. (Nigdy nie doszło do tego na Wenus, ponieważ panowała tam zbyt wysoka temperatura, aby mogły powstać oceany; na planecie nigdy nie pojawiły się niebiesko-zielone glony).

Gdy zapanowały już odpowiednie warunki, na pojawienie się złożonych form życia trzeba było czekać jeszcze miliard lat. Nie oznacza, to wcale, że taka jest właśnie charakterystyczna skala czasowa. Zarówno na biologiczną skalę czasu, jak i wyniki końcowe miały wpływ przypadki: ślepe zaułki ewolucji, zmiany klimatu i kataklizmy, które spowodowały masowe wymierania.

Wyniki te wskazują jednak, że życie inteligentne może rozwinąć się w ciągu miliarda lat - w okresie dość krótkim w porównaniu z kosmiczną skalą czasu. O długości tego okresu decydują jedynie czynniki fizyczne, takie jak produkcja ciepła czy tempo zachodzenia reakcji chemicznych. Z ziemskiego doświadczenia wynika, że nawet jeśli ograniczymy nasze oczekiwania w stosunku do inteligentnego życia do form organicznych i tlenowców - co z pewnością jest bardzo ostrożnym założeniem, którego chcieli uniknąć twórcy Stor Trek (jednym z moich ulubieńców jest Horta, istota krzemowa) - dobrymi kandydatami są planety krążące wokół gwiazd o masie zbliżonej do Słońca i mających kilka miliardów lat.

Przyjmijmy, że powstanie organicznego życia jest procesem stabilnym i stosunkowo szybkim. Jakie mamy dowody na to, że gdzieś we Wszechświecie istnieją niezbędne do tego składniki: mianowicie cząsteczki organiczne i inne planety? I w tym przypadku wynikł ostatnich badań napawają optymizmem. Cząsteczki organiczne znaleziono na planetoidach, w kometach, meteorytach i przestrzeni międzygwiezdnej. Niektóre z nich są złożone, jak na przykład aminokwasy, podstawowe cegiełki życia. Mikrofalowe badania międzygwiezdnego gazu i pyłu pozwoliły wykryć dziesiątki związków organicznych, prawdopodobnie złożonych węglowodorów. Wygląda więc na to, że materia organiczna jest dość rozpowszechniona w Galaktyce.

A co z planetami? Chociaż na razie zaobserwowano bezpośrednio tylko jeden układ planetarny poza naszym, powszechne jest przekonanie, że wokół większości gwiazd krążą planety.⁴ Na pewno duża część obserwowanych gwiazd ma gwiezdnych towarzyszy, z którymi tworzy tak zwane układy podwójne. Co więcej, obserwuje się, że wiele młodych gwiazd jest otoczonych przez dyski pyłowo-gazowe, z których prawdopodobnie powstają planety. Różne modele numeryczne, których używa się do badania rozkładu mas planet i ich orbit w takich dyskach, sugerują (podkreślam słowo „sugerują”), że powstaje z nich zazwyczaj co najmniej jedna planeta podobna do Ziemi, krążąca po orbicie zbliżonej rozmiarami do orbity ziemskiej. Całkiem niedawno został wreszcie odkryty pierwszy poza Układem Słonecznym system planetarny, znajdujący się 1400 lat świetlnych od Ziemi. Nieco zaskakujące jest to, że ów system istnieje w jednym z najmniej gościnnych miejsc, w jakich mogłyby pojawić się planety: trzy planety krążą wokół pulsara -zapadniętego jądra supernowej - w odległości mniejszej, niż wynosi odległość Wenus od Słońca. Planety te mogły powstać raczej po niż przed wybuchem gwiazdy, niemniej odkrycie to wskazuje, że powstawanie planet nie jest zjawiskiem rzadkim.

Nie traćmy jednak z oczu głównego wątku. To prawie cud, że zwykłe prawa fizyki i chemii, obowiązujące w rozszerzającym się Wszechświecie, mającym ponad 10 miliardów lat, prowadzą do powstania świadomych umysłów, które mogą badać ów Wszechświat. Chociaż okoliczności, którym zawdzięczamy powstanie życia na naszej planecie, są specyficzne, nie wygląda na to, aby miały one być właściwe tylko Ziemi. Powyższe argumenty sugerują, że w Galaktyce może istnieć ponad miliard potencjalnych ognisk życia organicznego. A ponieważ nasza Galaktyka jest tylko jedną ze 100 miliardów galaktyk w obser-wowalnym Wszechświecie, trudno uwierzyć w naszą samotność. Co więcej, większość gwiazd populacji I powstała wcześniej niż Słońce - nawet o 5 miliardów lat. Znając skale czasu, o których mówiliśmy wcześniej, można przypuszczać, że życie inteligentne pojawiło się w wielu miejscach jeszcze miliardy lat przed narodzinami Słońca. Można nawet oczekiwać, że większość cywilizacji pozaziemskich w Galaktyce istniała przed nami. Zatem Galaktyka mogłaby być pełna cywilizacji, które są miliardy lat starsze od naszej. Z drugiej strony, znając historię ludzkości, możemy przypuszczać, że takie cywilizacje, podobnie jak my, stawały w obliczu niebezpieczeństwa wojny czy głodu i wiele z nich mogło nie przetrwać kilku tysięcy lat; w tym przypadku większość inteligentnego życia we Wszechświecie już dawno wymarłaby. Jak trafnie to ujął pewien badacz ponad dwadzieścia lat temu: „Kwestia, czy istnieje gdzieś w kosmosie inteligentne życie, zależy w gruncie rzeczy od tego, jak bardzo jest ono inteligentne”.

Jak więc je poznamy? Czy wyślemy najpierw statki kosmiczne, aby badać niezwykłe nowe światy i dotrzeć tam, gdzie nie stanęła jeszcze ludzka stopa? Czy raczej odkryją nas nasi galaktyczni sąsiedzi, nastawiwszy swoje odbiorniki na serial Stor Trek, gdyż takie sygnały przemieszczają się przez Galaktykę z prędkością światła? Nie sądzę, aby którykolwiek z tych scenariuszy został zrealizowany, i nie jestem w swym sądzie odosobniony.

Po pierwsze, przekonaliśmy się już, jak wielkim problemem mogą być podróże międzygwiezdne. Wymagałyby one wydatków energetycznych, jakich obecnie nie umiemy sobie nawet wyobrazić - i to bez względu na to, czy posłużylibyśmy się napędem czasoprzestrzennym, czy jakimkolwiek innym. Przypomnijmy sobie, że aby przyspieszyć rakietę za pomocą napędu na materię i antymaterię do prędkości około 3/4 prędkości światła, tak aby mogła się ona udać w dziesięcioletnią podróż tam i z powrotem do najbliższej gwiazdy, potrzeba byłoby energii, która mogłaby zaspokoić całkowite dzisiejsze zapotrzebowanie Stanów Zjednoczonych na okres ponad 100 tysięcy lat! To jednak niewiele w porównaniu z energią, której potrzebowalibyśmy, aby naprawdę zakrzywiać czasoprzestrzeń. Co więcej, aby zwiększyć szansę znalezienia życia, należałoby przeszukać co najmniej kilka tysięcy gwiazd. Obawiam się, że nawet podróżując z prędkością światła nie moglibyśmy tego dokonać w ciągu następnego tysiąclecia.

Takie są złe wieści. Dobrą nowiną, jak przypuszczam, jest to, że z tego samego powodu prawdopodobnie nie musimy się za bardzo martwić tym, że zostaniemy porwani przez przybyszów z kosmosu. Oni pewnie też ocenili swe możliwości energetyczne i odkryli, że o wiele łatwiej będzie im poznawać nas z daleka.

Czy powinniśmy więc poświęcać energię, aby rozgłaszać, że istniejemy? Na pewno byłoby to o wiele tańsze. Wydając mniej niż dolara na energię elektryczną, potrafilibyśmy przesiać do najbliższego układu gwiezdnego dziesięciowyrazową wiadomość, którą można by odebrać za pomocą anteny radiowej odpowiednich rozmiarów. Jeśli jednak - tutaj znowu zapożyczę argument od laureata Nagrody Nobla, Edwarda Purcella - będziemy nadawać, zamiast nasłuchiwać, umknie naszej uwadze większość inteligentnych form życia. Cywilizacje, które znacznie nas wyprzedzają, potrafią na pewno o wiele lepiej od nas emitować silne sygnały. A ponieważ uczestniczymy w radiowym biznesie dopiero od 80 lat, wiele cywilizacji powinno dysponować znacznie bardziej zaawansowaną technologią niż my. Tak więc, jak mówiła moja matka, powinniśmy słuchać, zanim coś powiemy. Mam jednak nadzieję, że nie wszystkie zaawansowane technicznie cywilizacje pozaziemskie myślą w ten sam sposób.

Czego jednak powinniśmy słuchać? Jeśli nie wiemy, który kanał wybrać, sytuacja wygląda beznadziejnie. Tutaj może nam pomóc Stor Trek. W odcinku Dziecko galaktyki (serii Następne pokolenie) Enterprise spotyka obcą formę życia, która zamieszkuje pustą przestrzeń, karmiąc się energią. Szczególnie smakuje jej promieniowanie o częstości 1420 milionów cykli na sekundę, co odpowiada długości fali 21 centymetrów.

Jak powiedziałby Pitagoras: gdyby istniała muzyka sfer niebieskich, z pewnością to byłby jej dźwięk podstawowy. Tysiąc czterysta dwadzieścia megaherców jest naturalną częstością precesji spinu elektronu, gdy okrąża on jądro wodoru - najpowszechniejszego pierwiastka we Wszechświecie. Jest to częstość tysiąckrotnie bardziej wyróżniająca się spośród innych częstości w Galaktyce. Co więcej, znajduje się ona dokładnie w oknie częstości, które - podobnie jak światło widzialne - można odbierać na powierzchni planety i przesyłać przez warstwy atmosfery chroniącej życie organiczne. Poza tym w okolicach tej częstości szum tła jest bardzo słaby. Radioastronomowie posłużyli się tą częstością, aby znaleźć obszary występowania wodoru w Galaktyce - co jest oczywiście równoważne występowaniu materii - ł w ten sposób określić jej kształt. Każdy gatunek wystarczająco inteligentny, aby wiedzieć choć trochę o falach radiowych i o Wszechświecie, powinien znać tę częstość. To taka uniwersalna latarnia morska. Trzydzieści sześć lat temu astrofizycy Giuseppe Cocconi i Philip Morrison stwierdzili, że jest to najbardziej naturalna częstość, na jakiej należałoby nadawać lub odbierać sygnały, i od tego czasu nikt się z nimi nie spierał.

W Hollywood nie tylko odgadnięto właściwą częstość nasłuchu, ale zdobyto również część pieniędzy na jego prowadzenie. Chociaż nasłuch kosmosu na niewielką skalę trwa od trzydziestu lat, pierwszy zakrojony na większą skalę wszechstronny program badawczy zaczął funkcjonować jesienią 1985 roku. Wówczas to Steven Spielberg wysupłał trochę grosza, co pozwoliło na formalne zainicjowanie projektu META, czyli Mega-channel Extra Terrestrial Assay (Milionkanałowe urządzenie do poszukiwania cywilizacji pozaziemskich). Ojcem tego urządzenia jest spec od elektroniki Paul Horowitz z Uniwersytetu Harvarda. META tkwi w 26-metrowym harwardzkim radioteleskopie w stanie Massachusetts i funkcjonuje za pieniądze prywatnego Planetary Society (Towarzystwa Planetarnego) łącznie z wkładem 100 tysięcy dolarów od samego ET. META wykorzystuje układ 128 równoległych procesorów, które jednocześnie odczytują 8 388 608 kanałów częstości w pobliżu 1420 megaherców i jej tak zwanej drugiej harmonicznej - równej 2840 megaherców. Jak dotąd zebrano dane z ponad pięciu lat i w tym czasie META trzykrotnie przemiotło całe niebo.

Oczywiście w trakcie nasłuchu należy się wykazać pewnym sprytem. Trzeba sobie przede wszystkim uświadomić, że nawet jeśli wysyłany sygnał ma częstość 1420 megaherców, może nie być z taką samą częstością odbierany. Dzieje się tak z powodu niecnego efektu Dopplera - przejawiającego się na przykład w ten sposób, że dźwięk gwizdka pociągu brzmi wyżej, gdy się on zbliża, a niżej, gdy się od nas oddala. Zasada ta obowiązuje dla każdego rodzaju promieniowania emitowanego przez poruszające się źródło. Ponieważ większość gwiazd w Galaktyce porusza się względem nas z prędkościami kilkuset kilometrów na sekundę, przesunięcia Dopplera nie można zaniedbać. {Twórcy Star Trek nie zaniedbywali go; dodawali do transportera „kompensatory efektu Dopplera”, aby zrównoważyć względny ruch statku kosmicznego i celu transportera). Przyjmując, że nadawcy jakiegokolwiek sygnału byliby tego świadomi, grupa META poszukiwała sygnału 1420 megaherców przesuniętego tak, jak gdyby pochodził z jednego z trzech układów odniesienia: (a) układu poruszającego się wraz z naszym lokalnym systemem gwiazd; (b) układu poruszającego się wraz z centrum Galaktyki; (c) układu zdefiniowanego przez kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, pozostałe po Wielkim Wybuchu. Zauważmy, że ułatwia to znacznie odróżnienie tych sygnałów od sygnałów pochodzenia ziemskiego, które są emitowane w układzie związanym z powierzchnią Ziemi, różniącym się od każdego z trzech wymienionych. Ziemskie sygnały można więc bardzo łatwo wyłowić spośród danych zebranych przez META.

Jak wyglądałby sygnał pozaziemski? Cocconi i Morrison zaproponowali, aby poszukiwać kilku początkowych liczb pierwszych: l, 3, 5, 7, 11, 13... Dokładnie taki sam ciąg wystukuje Picard w odcinku Hołd, kiedy będąc w niewoli próbuje pokazać strażnikom, że mają do czynienia z przedstawicielem inteligentnego gatunku. Sygnały wyemitowane na przykład podczas burzy na powierzchni gwiazdy raczej nie utworzą takiego ciągu. Grupa META poszukiwała nawet jeszcze prostszego sygnału - jednostajnego, stałego tonu o określonej częstości. Taką falę „nośną” stosunkowo łatwo odnaleźć.

Horowitz i jego współpracownik, astronom z Uniwersytetu Cornella, Carl Sagan, opublikowali pracę zawierającą analizę danych zgromadzonych w ciągu 5 lat realizowania programu META. Ze 100 tysięcy miliardów odebranych sygnałów wyodrębniono 37 kandydatów. Niestety, żaden z tych „sygnałów” nigdy się nie powtórzył. Horowitz i Sagan interpretują dotychczasowe dane, stwierdzając, że jak dotąd nie zawierają one żadnego prawdziwego sygnału. W wyniku tego mogli oni ograniczyć domniemaną liczbę wysoko zaawansowanych cywilizacji - w zależności od odległości od Słońca - które próbowały się z nami skontaktować.

Trzeba jednak pamiętać, że pomimo niewiarygodnego rozmachu przeprowadzonych badań, przeanalizowano dotychczas jedynie mały zakres częstości, a wymagania co do mocy sygnału, który mógłby zostać zarejestrowany przez teleskop META, są raczej duże: do jego nadania potrzebne są moce przekraczające całkowitą moc otrzymywaną przez Ziemię od Słońca (około 10¹⁷ watów). Nie ma jednak na razie powodów do pesymizmu. Sam nasłuch to trudne przedsięwzięcie. Grupa META buduje obecnie większy i lepszy detektor (BETA), który ma tysiąckrotnie zwiększyć zakres poszukiwań.

Poszukiwania trwają. Choć jak dotąd niczego nie usłyszeliśmy, nie powinno nas to zniechęcać. Przypomina to opowieść, którą usłyszałem kiedyś od mego przyjaciela Sydneya Colemana, profesora fizyki na Uniwersytecie Harvarda: Gdy chcesz kupić dom, nie powinieneś się zniechęcać, jeśli obejrzysz setkę i nic nie znajdziesz. Musisz znaleźć ten jeden... Jeden zdecydowany sygnał - jakkolwiek mało prawdopodobne jest to, że go kiedykolwiek usłyszymy - zmieniłby nasz sposób widzenia Wszechświata i oznaczałby początek nowej ery w dziejach ludzkości.

Ci, którzy czują się rozczarowani stwierdzeniem, że nasz pierwszy kontakt z pozaziemską cywilizacją nie odbędzie się na pokładzie statku kosmicznego, powinni pamiętać o Cyterianach. Ta bardzo zaawansowana cywilizacja, którą napotkał na swej drodze Enterprise, kontaktowała się z innymi cywilizacjami w oryginalny sposób: zamiast wędrować w przestrzeni kosmicznej, zabierała podróżników do siebie. W pewnym sensie robimy to samo nasłuchując sygnałów z gwiazd.

ROZDZIAŁ 9

WACHLARZ MOŻLIWOŚCI

Takie właćnie odkrycia na was czekają! Zamiast obserwowania gwiazd i studiowania mgławic, badanie nieznanych możliwości istnienia.

Q do Picarda w odcinku Wszystko, co dobre...

Ponad trzynaście lat obecności w telewizji kilku różnych seriali Star Trek pozwoliło scenarzystom poruszyć wiele najbardziej ekscytujących tematów ze wszystkich dziedzin fizyki. Czasami udaje im się uchwycić sedno sprawy, czasem się mylą. Niekiedy używają tylko terminów, którymi posługują się fizycy, a czasem włączają także idee z nimi związane. Tematy, które podejmował serial, stanowią przegląd współczesnej fizyki: szczególna i ogólna teoria względności, kosmologia, fizyka cząstek, podróże w czasie, zakrzywienie czasoprzestrzeni i fluktuacje kwantowe, by wymienić tylko kilka z nich.

Pomyślałem, że w przedostatnim rozdziale tej książki warto byłoby zaprezentować krótko kilka najbardziej interesujących problemów współczesnej fizyki, które wykorzystali scenarzyści Star Trek - zwłaszcza zagadnienia dokładnie dotąd nie omawiane. Ponieważ są tak różnorodne, podaję je w formie słownika, nie porządkując ich w jakiś szczególny sposób. W rozdziale ostatnim w podobnej formie zajmę się najbardziej rażącymi -z punktu widzenia fizyki - błędami, jakie popełniono w serialu, dostrzeżonymi zarówno przeze mnie, jak i przez niektórych kolegów fizyków i wielu trekkerów. W obydwu tych rozdziałach ograniczyłem się do wybrania dziesięciu najciekawszych przykładów, choć można by ich podać znacznie więcej.

ROZMIARY GALAKTYKI I WSZECHŚWIATA. Nasza Galaktyka jest sceną, na której rozgrywa się akcja serialu Star Trek. W każdym odcinku różnego rodzaju skale odległości galaktycznych odgrywają istotną rolę w przebiegu wydarzeń. Pojawiają się różne jednostki: od j.a., czyli jednostek astronomicznych (l j.a. odpowiada 149 milionom kilometrów, czyli odległości Ziemi od Słońca), których używano, aby opisać średnicę obłoku Vger w pierwszym filmie Star Trek, do lat świetlnych. Poza tym wspomina się o wielu cechach naszej Galaktyki, łącznie z „Wielką Barierą” w jej centrum (Star Trek V: Ostateczna granica] i -w pierwszej serii - „barierą galaktyczną” na jej krańcach (odcinki Gdzie nie stanęła ludzka stopa, Jakiekolwiek inne imię i Czyż prawda nie może być piękna?. Aby opisać miejsce akcji Star Trek, należy przedstawić nasz obecny pogląd na strukturę Galaktyki i jej okolic oraz na skalę odległości we Wszechświecie.

Odległości astronomiczne rzadko wyraża się w zwykłych jednostkach, takich jak kilometry czy mile, gdyż wymagałoby to używania bardzo wielkich liczb. W zamian astronomowie stworzyli kilka umownych jednostek, które są bardziej użyteczne. Jedna z nich to jednostka astronomiczna (j.a.), czyli odległość między Ziemią a Słońcem. Jest to skala właściwa dla odległości w Układzie Słonecznym; Pluton, wyznaczający jego krańce, znajduje się w odległości 40 j.a. od Słońca. W wersji kinowej Star Trek obłok Vger ma średnicę 82 j.a., co jest wartością niezwykle dużą - większą niż rozmiary naszego Układu Słonecznego!

Dla porównania tego dystansu z odległościami międzygwiezdnymi warto wyrazić odległość Ziemia-Słońce jako czas potrzebny światłu (lub statkowi Enterprise, rozwijającemu prędkość l warpa) na jej przebycie. Równa się on mniej więcej ośmiu minutom. (Tyle czasu powinno wędrować światło od gwiazdy do krążącej wokół niej planety klasy M). Możemy więc powiedzieć, że jednostka astronomiczna równa się ośmiu minutom świetlnym. Dla porównania: odległość do najbliższej gwiazdy, a Centauri - układu podwójnego gwiazd, gdzie miał mieszkać wynalazca napędu czasoprzestrzennego, Zefrem Cochrane - wynosi około 4 lat świetlnych! Jest to typowa odległość między gwiazdami w naszej części Galaktyki. Przy osiągalnych obecnie prędkościach rakiety podróżowałyby do a Centauri ponad 10 tysięcy lat. Przy prędkości 9 warpów, która 1500 razy przewyższa prędkość światła, przebycie jednego roku świetlnego zajęłoby około 6 godzin.

Odległość Słońca od centrum Galaktyki wynosi około 25 tysięcy lat świetlnych. Przy prędkości 9 warpów dystans ten pokonywałoby się w ciągu 15 lat, Jest więc mało prawdopodobne, aby Sybok, dowodząc Enterprise, mógł dolecieć nim do centrum Galaktyki (Stor Trek V: Ostateczna granica), chyba że statek znajdował się bardzo blisko tego miejsca.

Droga Mleczna jest galaktyką spiralną z dużym centralnym dyskiem gwiazd. Jej średnica sięga 100 tysięcy lat świetlnych, a grubość kilku tysięcy lat świetlnych. Voyager, rzucony w pierwszym odcinku tej serii 70 tysięcy lat świetlnych od Ziemi, znalazł się więc po drugiej stronie Galaktyki. Jego powrót w okolice Słońca zająłby przy prędkości 9 warpów około 50 lat.

W środku naszej Galaktyki tkwi jej jądro - gęste skupisko gwiazd, którego średnica wynosi kilka tysięcy lat świetlnych. Przypuszcza się, że kryje się w nim czarna dziura o masie około miliona mas Słońca. Prawdopodobnie w centrum wielu innych galaktyk również znajdują się czarne dziury; ich masy mogą wynosić od 100 tysięcy do ponad miliarda mas Słońca.

Galaktykę otacza niemal sferyczne halo bardzo starych gwiazd. Znajdujące się tam skupiska tysięcy gwiazd, zwane gromadami kulistymi, uważa się za bodaj najstarsze obiekty w naszej Galaktyce. Ich wiek ocenia się aż na 18 miliardów lat; są zatem starsze nawet od „czarnej gromady”, której w odcinku Chwalą bohaterom przypisano wiek 9 miliardów lat. Wysunięto również hipotezę, że Galaktykę otacza jeszcze większe sferyczne halo, składające się z „ciemnej materii” {o której jeszcze będzie mowa). Tego halo nie można zobaczyć za pomocą żadnego teleskopu; o jego istnieniu wnioskuje się na podstawie ruchów gwiazd i gazu w Galaktyce. Może ono zawierać nawet 10 razy więcej masy niż widzialna część Galaktyki.

Droga Mleczna jest galaktyką spiralną średnich rozmiarów; można się w niej doliczyć kilkuset miliardów gwiazd. W całym dostępnym naszym obserwacjom Wszechświecie istnieje około

100 miliardów galaktyk, z których każda zawiera mniej więcej tyle samo gwiazd! Wśród galaktyk, które obserwujemy, około 70% stanowią galaktyki spiralne; reszta ma bardziej sferyczne kształty i nosi nazwę galaktyk eliptycznych. Największe spośród nich to olbrzymie galaktyki eliptyczne, ponad 10 razy bardziej masywne niż Droga Mleczna.

Większość galaktyk tworzy grupy. W naszej Grupie Lokalnej najbliżej Drogi Mlecznej znajdują się małe galaktyki-satelity, krążące wokół niej. Obiekty te można zaobserwować na południowej półkuli nieba; są to Wielki i Mały Obłok Magellana. Około 6 milionów lat świetlnych dzieli nas od najbliższej dużej galaktyki, Wielkiej Mgławicy w Andromedzie - domu Kelwanów, którzy w odcinku Jakiekolwiek inne imię próbowali przejąć Enterprise i powrócić do swojej galaktyki. Przy prędkości 9 warpów podróż ta trwałaby blisko tysiąc lat!

Ponieważ światło potrzebuje określonego czasu, by przebyć dany dystans, patrząc coraz dalej, cofamy się w czasie. Obecnie, posługując się elektromagnetycznymi czujnikami, możemy spojrzeć wstecz w czasie aż do okresu, gdy Wszechświat miał około 300 tysięcy lat. Wcześniej materia istniała w postaci gorącego, zjonizowanego gazu, nieprzezroczystego dla promieniowania elektromagnetycznego. Gdy patrzymy we wszystkich kierunkach, obserwujemy promieniowanie wyemitowane w chwili, gdy materia i promieniowanie „odłączyły się od siebie”. Promieniowanie to nosi nazwę mikrofalowego promieniowania tła. Obserwacje tego promieniowania, zwłaszcza ostatnie, prowadzone za pomocą satelity COBE, wystrzelonego przez NASA w 1989 roku, pozwoliły nam uzyskać obraz Wszechświata z okresu, kiedy miał on tylko 300 tysięcy lat.

Wszechświat rozszerza się jednorodnie. W wyniku tego odległe galaktyki oddalają się od nas; im dalej się znajdują, tym szybciej uciekają, a ich prędkość jest wprost proporcjonalna do dzielącej nas od nich odległości. Tempo ekspansji Wszechświata, opisywane przez wielkość, zwaną stałą Hubble'a, jest takie, że galaktyki znajdujące się w odległości 10 milionów lat świetlnych od nas oddalają się ze średnią prędkością 150-300 km/s. Gdy cofamy się w czasie, okazuje się, że mniej więcej

10-20 miliardów lat temu wszystkie obserwowane galaktyki we Wszechświecie znajdowały się blisko siebie. To wówczas nastąpił Wielki Wybuch.

CIEMNA MATERIA. Jak już wcześniej wspomniałem, wiele świadczy o tym, że nasza Galaktyka zanurzona jest w oceanie niewidocznej materii. Badając ruchy gwiazd, obłoków gazu wodorowego, a nawet Wielkiego i Małego Obłoku Magellana wokół centrum Drogi Mlecznej i posługując się prawami Newtona, które wiążą prędkość krążących obiektów z przyciągającą je grawitacyjnie masą, stwierdzono, że naszą Galaktykę otacza sferyczne halo ciemnej materii. Rozciąga się ono od galaktycznego centrum na odległość być może nawet 10 razy większą niż odległość między centrum a Układem Słonecznym. Materia ta stanowi co najmniej 90% masy Drogi Mlecznej. Co więcej, z obserwacji ruchów innych galaktyk, z galaktykami eliptycznymi włącznie, a także ruchów grup galaktyk wynika, że z tymi układami związana jest większa ilość materii, niż można by twierdzić na podstawie liczby widocznych obiektów. Wygląda więc na to, że cały dostępny naszym obserwacjom Wszechświat zdominowany jest przez ciemną materię. Ocenia się, że stanowi ona 90-99% masy Wszechświata.

Pojęcie ciemnej materii wkradło się zarówno do serii Następne pokolenie, jak i do serii Voyager w bardzo zabawny sposób. W odcinku Catnexls serii Voyager statek zanurza się na przykład w „mgławicy ciemnej materii”, która, jak łatwo można sobie wyobrazić, przypomina ciemny obłok, tak że nie można zajrzeć do jej wnętrza. Enterprise spotkał się już wcześniej z podobnymi obiektami, na przykład ze wspomnianą wcześniej „czarną gromadą”. Uderzającą cechą ciemnej materii jest jednak nie to, że w jakiś sposób przesłania światło, lecz że nie świeci - to znaczy nie emituje promieniowania - a nawet nie pochłania znaczących jego ilości. W przeciwnym razie można byłoby ją wykryć za pomocą teleskopów. Gdybyśmy się jednak znajdowali wewnątrz obłoku ciemnej materii, a tak prawdopodobnie jest, nawet byśmy jej nie zauważyli.

Kwestia natury, pochodzenia i rozkładu ciemnej materii we Wszechświecie jest jednym z najbardziej ekscytujących i dotąd nie rozwiązanych problemów współczesnej kosmologii. Ponieważ ta nieznana materia wnosi dominujący wkład do gęstości masy we Wszechświecie, jej rozkład musiał określić, kiedy ł w jaki sposób obserwowalna materia zapadła się grawitacyjnie, tworząc gromady galaktyk, galaktyki, gwiazdy i planety, które czynią Wszechświat tak interesującym. Nasze istnienie bezpośrednio zależy od ciemnej materii. Co więcej, ilość ciemnej materii we Wszechświecie będzie miała decydujący wpływ na jego ostateczny los: czy Wszechświat zakończy swoje istnienie z wielkim hukiem (poprzez zapadnięcie się), czy też będzie się rozszerzał w nieskończoność (nawet gdy gwiazdy już się wypalą), będzie zależało od tego, ile materii - i jakiego rodzaju -zawiera, ponieważ przyciąganie grawitacyjne spowalnia ekspansję.

Wiele wskazuje na to, że ciemna materia może się składać z cząstek zupełnie innych niż protony i neutrony, tworzące zwykłą materię. Niezależne oceny ilości zwykłej materii we Wszechświecie - oparte na obliczeniach tempa reakcji jądrowych w młodym Wszechświecie oraz teorii powstawania lekkich pierwiastków - sugerują, że w kosmosie może być za mało protonów, aby mogła się z nich składać ciemna materia wokół galaktyk i gromad. Co więcej, wygląda na to, że aby z niewielkich fluktuacji w gorącej plazmie młodego Wszechświata powstały galaktyki i gromady, które obserwujemy dzisiaj, musiał istnieć jakiś nowy rodzaj cząstek elementarnych, nie oddziałujących z promieniowaniem elektromagnetycznym. Jeśli ciemna materia rzeczywiście składa się z cząstek elementarnych nieznanego rodzaju, wówczas:

(a) Ciemna materia nie tylko znajduje się gdzieś w kosmosie, lecz również w pokoju, w którym czytasz tę książkę, i niezauważalnie przenika przez Twoje ciało. Te egzotyczne cząstki elementarne nie tworzą obiektów astronomicznych, lecz raczej rozproszony „gaz” płynący przez Galaktykę. Ponieważ nie oddziałują one wcale lub, w najlepszym razie, bardzo słabo z materią, mogą swobodnie przenikać przez obiekty tak duże jak Ziemia, podobnie jak znane nam neutrina (które nie powinny być obce trekkerom i o których będzie jeszcze mowa).

(b) Ciemną materię można by bezpośrednio wykryć na Ziemi za pomocą skomplikowanych technik do detekcji cząstek elementarnych. Obecnie buduje się detektory, które powinny zarejestrować różne rodzaje cząstek-kandydatów na składniki ciemnej materii.

(c) Odkrycie takich cząstek mogłoby zrewolucjonizować fizykę cząstek elementarnych. Jest dosyć prawdopodobne, że cząstki takie są pozostałościami po procesach zachodzących w bardzo młodym Wszechświecie - zanim jeszcze osiągnął on wiek jednej sekundy; wiązałyby się one wówczas z fizyką energii porównywalnych lub nawet większych od tych, które możemy obecnie badać za pomocą akceleratorów.

Hipotezy te są ekscytujące, nie możemy jednak wykluczyć, że ciemna materia jest zbudowana z czegoś mniej egzotycznego. Istnieje wiele sposobów na połączenie protonów i neutronów tak, aby nie świeciły. Gdybyśmy na przykład zapełnili Galaktykę śniegowymi kulami lub głazami, trudno byłoby je wykryć. Najbardziej chyba prawdopodobną możliwością jest w tym przypadku sytuacja, w której Galaktykę zapełniają obiekty niewiele mniejsze od gwiazd, choć zbyt małe, aby rozpoczęły się w ich wnętrzach reakcje jądrowe. Takie obiekty noszą nazwę brązowych karłów, a Data i jego towarzysze na pokładzie Enterprise mówili o nich wielokrotnie (na przykład w odcinku Polowanie na człowieka). Obecnie prowadzone są ciekawe programy badawcze, mające na celu ustalenie, czy brązowe karły - znane także jako MACHO (od ang. Massive Astrophysical Compact Halo Objects - masywne astrofizyczne zwarte obiekty [wchodzące w skład] halo [galaktycznego]) stanowią istotny składnik halo ciemnej materii, otaczającego Drogę Mleczną. Chociaż obiektów tych nie można bezpośrednio zaobserwować, jeśli jeden z nich przejdzie przed gwiazdą, jego grawitacja zaburzy bieg promieni świetlnych dochodzących do nas z tej gwiazdy, tak że będzie się ona wydawała jaśniejsza. Zjawisko to, zwane soczewkowaniem grawitacyjnym, przewidział Einstein już w latach trzydziestych, a obecnie dysponujemy technologią, która pozwala na wykrycie tego efektu. W trakcie wspomnianych programów badawczych każdej nocy obserwuje się miliony gwiazd naszej Galaktyki w poszukiwaniu tego zjawiska. Czułość używanych przyrządów jest wystarczająca, aby wykryć halo zbudowane z obiektów MACHO, jeśli rzeczywiście są one dominującym składnikiem ciemnej materii otaczającej naszą Galaktykę. Pierwsze wyniki pozwoliły stwierdzić, że prawdopodobnie halo nie składa się z obiektów typu MACHO, ale kwestia ta pozostaje ciągle otwarta.

GWIAZDY NEUTRONOWE. Wspomniałem już, że obiekty te są pozostałością po zapadniętych jądrach masywnych gwiazd, które przeszły stadium supernowej. Chociaż gwiazdy neutronowe mają zwykle masę nieco większą niż Słońce, są tak ściśnięte, że ich średnica nie jest większa od Manhattanu! Jeszcze raz twórcy Star Trek przeszli sami siebie w kwestii nazewnictwa. Enterprise kilkakrotnie znajduje materię, która została wyrzucona z gwiazdy neutronowej, a którą scenarzyści określają mianem „neutronium”. Jest to właściwa nazwa, gdyż gwiazdy neutronowe składają się niemal wyłącznie z neutronów przylegających tak ściśle do siebie, że tworzą w zasadzie jedno wielkie jądro atomowe. Maszyna Dnia Sądu Ostatecznego - w odcinku o tej samej nazwie - miała być zbudowana z czystego neutronium i dlatego mogłaby pozostawać niewrażliwa na broń Federacji. Aby jednak materia ta była stabilna, musi się ona znajdować pod niezwykle wysokim ciśnieniem, wytworzonym przez przyciąganie grawitacyjne kuli o masie gwiazdy i promieniu zaledwie 15 kilometrów. W rzeczywistym świecie taka materia może istnieć tylko jako część gwiazdy neutronowej.

Enterprise kilka razy znajdował się w pobliżu gwiazd neutronowych. W odcinku Ewolucja, w chwili gdy Nanici zaczęli zjadać komputery statku, załoga zajmowała się właśnie badaniem mającej wkrótce wybuchnąć gwiazdy neutronowej. W odcinku Społeczeństwo doskonałe statek musi odchylić tor fragmentu jądra gwiazdy, lecącego w kierunku Moabu IV.

Nie ma wątpliwości, że w naszej Galaktyce istnieją miliony gwiazd neutronowych. Większość z nich rodzi się z niewiarygodnie dużymi polami magnetycznymi. Gdy takie gwiazdy szybko się obracają, stają się wspaniałymi radiolatarniami. Każdy ich biegun emituje promieniowanie i jeśli kierunek pola magnetycznego jest nachylony względem osi obrotu, powstaje omiatająca przestrzeń wiązka fal radiowych. Takie periodyczne sygnały radiowe możemy rejestrować na Ziemi, a ich źródła nazywamy pulsarami. Obracając się gwiazdy te są najlepszymi zegarami we Wszechświecie. Sygnały pulsarów mogą odmierzać czas z dokładnością większą niż jedna mikrosekunda na rok. Niektóre pulsary wysyłają więcej niż 1000 impulsów na sekundę. Oznacza to, że obiekt będący w zasadzie olbrzymim jądrem atomowym o masie Słońca i średnicy 10-20 kilometrów obraca się ponad tysiąc razy w ciągu sekundy. Trudno to sobie nawet wyobrazić. Prędkość obrotu na powierzchni gwiazdy neutronowej równa jest zatem prawie połowie prędkości światła! Pulsary udowadniają, że natura potrafi stworzyć obiekty bardziej niezwykłe, niż mógłby wymyślić jakikolwiek scenarzysta Star Trek.

INNE WYMIARY. Gdy James T. Kirk na przemian zanurza się i wynurza z naszego Wszechświata w odcinku Sieć tholionsko, dowiadujemy się, że przyczyną tego jest „przestrzenna granica faz”, łącząca płaszczyzny o różnej liczbie wymiarów, które w normalnych warunkach są „wszechświatami równoległymi”. Kirk już wcześniej miał dwukrotnie do czynienia z wszechświatami równoległymi: jeden z nich był zbudowany z antymaterii (w odcinku Czynnik alternatywny), a do drugiego dostał się za pomocą transportera (w odcinku Lustro, lustro). W serii Następne pokolenie spotykamy się z kontinuum Q, nieliniowym czasowym „oknem do innych wymiarów” drą Paula Manheima i, oczywiście, samą podprzestrzenią, zawierającą nieskończoną liczbę wymiarów, gdzie mogą ukrywać się obce istoty, takie jak te, które porwały porucznika Rikera w odcinku Rozłamy.

Przypuszczenie, że cztery wymiary przestrzeni i czasu, w których żyjemy, nie są wszystkim, co istnieje, jest trwałym składnikiem potocznej świadomości. Niedawno psychiatra z Harvardu napisał książkę, która odniosła sukces (przysparzając mu zresztą kłopotów na tamtejszym Wydziale Medycyny), poświęconą badaniom pacjentów, którzy twierdzili, że zostali porwani przez obcych. Pytając, skąd pochodzą ci obcy i jak się tu dostali, sugerował, że odpowiedź brzmi: „Z innego wymiaru”.

U korzeni tego romansu z wyższymi wymiarami leży niewątpliwie szczególna teoria względności. Gdy Hermann Minkowski połączył trójwymiarową przestrzeń i czas, tworząc czterowymiarową czasoprzestrzeń, przypuszczenie, że proces ten można kontynuować, wydawało się naturalne. Co więcej, gdy ogólna teoria względności pokazała, że to, co postrzegamy jako siłę grawitacji, może wiązać się z krzywizną czasoprzestrzeni, nie było już nic oburzającego w hipotezie, że pozostałe siły są wynikiem zakrzywienia w innych jeszcze wymiarach.

Jako jeden z pierwszych rozważał ten pomysł w 1919 roku fizyk polskiego pochodzenia, Theodor Kałuża; niezależnie od niego uczynił to w 1926 roku szwedzki fizyk Oskar Klein. Zaproponowali oni zjednoczenie elektromagnetyzmu i grawitacji w pięciowymiarowym świecie. Może siła elektromagnetyczna jest związana z pewnym „zakrzywieniem” w piątym wymiarze, tak jak siła grawitacji to wynik zakrzywienia czterowymiarowej czasoprzestrzeni? Ten bardzo piękny pomysł nie jest wolny od problemów. Każdy scenariusz, który wprowadza dodatkowe wymiary we Wszechświecie, powinien wyjaśniać, dlaczego nie doświadczamy tych wymiarów tak, jak doświadczamy przestrzeni i czasu. Odpowiedź na to pytanie ma wielkie znaczenie, ponieważ pojawia się wielokrotnie, gdy fizycy rozważają możliwość istnienia wyższych wymiarów we Wszechświecie.

Wyobraźmy sobie cylinder i poruszającego się po nim inteligentnego robaczka. Dopóki obwód cylindra jest duży w porównaniu z rozmiarem robaczka, może on wędrować w obu wymiarach i będzie mu się zdawało, że przemieszcza się po dwuwymiarowej powierzchni.

Jeśli jednak obwód cylindra stanie się bardzo mały, robaczek będzie się poruszał po obiekcie jednowymiarowym - to znaczy po linie lub strunie - tylko w górę lub w dół:

Zastanówmy się teraz, w jaki sposób robaczek mógłby dowiedzieć się, że istnieje inny wymiar, odpowiadający obwodowi cylindra. Za pomocą mikroskopu mógłby określić szerokość „struny”. Długość fali promieniowania potrzebnego do wykrycia tak małych rozmiarów musiałaby dorównać średnicy cylindra lub być mniejsza, ponieważ, jak zauważyłem w rozdziale

piątym, fale rozpraszają się tylko na tych obiektach, których rozmiary są co najmniej porównywalne z długością fal. Ponieważ energia promieniowania rośnie, gdy długość fali maleje, aby zobaczyć ten dodatkowy wymiar, potrzebna byłaby pewna minimalna energia.

Gdyby piąty wymiar był w jakiś sposób „zwinięty” w ciasny okrąg, dopóki nie zogniskowalibyśmy dużej ilości energii na małej przestrzeni, nie moglibyśmy wysyłać przezeń fal, umożliwiających stwierdzenie, że istnieje, i świat nadal wydawałby się nam czterowymiarowy. Wiemy, że przestrzeń jest trójwymiarowa, ponieważ możemy ją badać za pomocą fal rozchodzących się we wszystkich trzech wymiarach. Jeśli okazałoby się, że fale, które chcemy wysłać do piątego wymiaru, wymagają znacznie większych energii, niż potrafimy wyprodukować nawet w największych akceleratorach, nie moglibyśmy doświadczać tego dodatkowego wymiaru.

Teoria Kaluzy-Kleina, mimo że sama w sobie interesująca, nie jest kompletna. Po pierwsze, nie wyjaśnia ona, dlaczego piąty wymiar miałby być zwinięty w mały okrąg. Po drugie, wiemy obecnie o istnieniu dwóch innych, poza elektromagnetyzmem i grawitacją, podstawowych oddziaływań w naturze -silnych i słabych oddziaływań jądrowych. Dlaczego mielibyśmy się zatrzymać na piątym wymiarze? Czy nie należałoby włączyć do teorii wystarczającej liczby dodatkowych wymiarów, by pomieścić wszystkie fundamentalne oddziaływania?

Współczesna fizyka cząstek poszła tą właśnie drogą. Badania w dziedzinie, zwanej teorią superstrun, skupiały się początkowo na próbach rozszerzenia ogólnej teorii względności, tak aby można było skonstruować spójną teorię kwantowej grawitacji. W końcu jednak powrócił problem zunifikowanej teorii wszystkich oddziaływań.

Wspominałem już o kłopotach związanych ze stworzeniem teorii, w której ogólna teoria względności byłaby zgodna z mechaniką kwantową. Główną trudnością jest tutaj próba zrozumienia, w jaki sposób należy traktować kwantowe fluktuacje czasoprzestrzeni. W teorii cząstek elementarnych kwantowe wzbudzenia pól - na przykład pola elektrycznego – przejawiają się jako cząstki elementarne, czyli kwanty. Gdy jednak próbujemy zrozumieć kwantowe wzbudzenia pola grawitacyjnego -które w ogólnej teorii względności odpowiadają kwantowym wzbudzeniom czasoprzestrzeni - obliczenia matematyczne prowadzą do absurdalnych przewidywań.

Postęp, jaki dokonał się w teorii strun, polegał na wysunięciu hipotezy, że na poziomie mikroskopowym, czyli w bardzo małych skalach (bliskich 10~³³ centymetra), gdzie efekty kwantowej grawitacji mogą być istotne, to, co uważamy za punktowe cząstki elementarne, można w rzeczywistości opisać jako wibrujące struny. Masa każdej cząstki odpowiadałaby w pewnym sensie energii drgań tych strun.

Tę raczej dziwaczną propozycję wysunięto dlatego, że w latach siedemdziesiątych odkryto, iż taka teoria wymaga istnienia cząstek o tych samych własnościach, co kwantowe wzbudzenia czasoprzestrzeni, zwane grawitonami. Ogólna teoria względności byłaby więc w pewnym sensie zawarta w teorii strun w sposób zgodny z mechaniką kwantową.

Kwantowa teoria strun nie może być jednak matematycznie spójna w czterech, pięciu, ani nawet w sześciu wymiarach. Okazuje się, że potrzeba do tego albo dziesięciu, albo dwudziestu sześciu wymiarów! Porucznik Reginald Barclay - gdy na chwilę po zderzeniu z sondą cyteriańską osiągnął iloraz inteligencji równy 1200 - odbył nawet w holodeku poważną dyskusję z Albertem Einsteinem na temat tego, która z tych dwóch możliwości bardziej sprzyja włączeniu mechaniki kwantowej do teorii względności.

Ów nadmiar wymiarów może się wydawać kłopotliwy, ale szybko uświadomiono sobie, że otwiera on także pewne możliwości. Niewykluczone, że wszystkie fundamentalne oddziaływania w przyrodzie dałoby się włączyć do teorii dziesięciu lub więcej wymiarów, z których wszystkie, z wyjątkiem znanych nam czterech, zwijają się do rozmiarów Plancka (10³³ centymetra) -jak przypuszczał porucznik Barclay - i są obecnie niewykrywalne.

Niestety, wielkie nadzieje okazały się płonne. Nie mamy obecnie pojęcia, czy nieśmiałe postulaty teorii strun mogą prowadzić do stworzenia zunifikowanej Teorii Wszystkiego. Podobnie jak w przypadku teorii Kaluzy-Kleina, nie jest jasne, dlaczego wyższe wymiary, jeśli istnieją, miałyby się zwijać, pozostawiając czterowymiarową czasoprzestrzeń.

Morał z tej opowieści jest następujący: możliwe, że we Wszechświecie istnieją wyższe wymiary. Te dodatkowe wymiary nie mają jednak nic wspólnego z przestrzeniami zamieszkiwanymi przez obce istoty, lubujące się w porywaniu pacjentów oddziałów psychiatrycznych (lub na przykład komandora Ri-kera). Nie są one „równoległymi wszechświatami”. Nie należy ich także mieszać z czterema wymiarami czasoprzestrzeni, twierdząc, że możliwe jest przenoszenie przedmiotów z jednego miejsca w drugie poprzez inny wymiar, na co wydaje się pozwalać „podprzestrzeń” we wszechświecie Stor Trek.

Nie możemy jednak wykluczyć istnienia mikroskopowych, czy nawet makroskopowych „pomostów” pomiędzy innymi (równoległymi) wszechświatami, które bez nich są rozłączone. W ogólnej teorii względności obszary o bardzo dużej krzywiźnie - we wnętrzu czarnej dziury lub w tunelu czasoprzestrzennym - mogą łączyć zwykle nie powiązane i potencjalnie bardzo rozległe obszary czasoprzestrzeni. Biorąc pod uwagę obecny obraz Wszechświata, nie widzę powodu, dla którego należałoby spodziewać się występowania takich zjawisk poza czarnymi dziurami i tunelami czasoprzestrzennymi. Ponieważ jednak nie możemy tego wykluczyć, powinniśmy pogodzić się z tym, że statki Federacji wciąż je napotykają.

ANYONY. W odcinku Następna faza serii Następne pokolenie w wyniku jednoczesnego działania transportera i romulanskiego urządzenia maskującego, które powoduje, że materia jest „niezgodna w fazie” z inną materią, Geordi LaForge i Ro Laren znikają. Uznani za zmarłych, pozostają niewidoczni i oddzieleni od świata aż do czasu, gdy Data modyfikuje w innym celu „emiter anyonów” i w cudowny sposób „odfazowuje” ich.

Jeśli twórcy Stor Trek nigdy nie słyszeli o anyonach - a założę się, że tak było - ich umiejętność dobierania właściwych słów jest naprawdę niesamowita. Anyony to teoretyczne twory, które wymyślił i nazwał - wraz ze swoimi współpracownikami mój przyjaciel Frank Wilczek, fizyk z Institute for Advanced Study w Princeton. Nawiasem mówiąc, wynalazł on również inną cząstkę - będącą być może składnikiem ciemnej materii -którą nazwał aksjonem - od nazwy proszku do prania. „Aksjonowe układy scalone” również pojawiają się w Star Trek - jako część sieci neuronowej skomplikowanego urządzenia. Wróćmy jednak do tematu.

W trójwymiarowej przestrzeni, w której żyjemy, cząstki elementarne określa się jako fermiony lub bozony, w zależności od ich spinu. Z każdym rodzajem cząstki elementarnej łączymy liczbę kwantową, która podaje wartość jej spinu. Liczba ta może być całkowita (O, l, 2,...) lub połówkowa (1/2, 3/2, 5/2,...). Cząstki o spinie całkowitym nazywamy bozonami, a o spinie połówkowym - fermionamł. Fermiony zachowują się inaczej niż bozony: kiedy zamienimy miejscami dwa identyczne fermiony, funkcję falową opisującą ich własności należy pomnożyć przez -l, natomiast gdy zamieniamy bozony, z funkcją falową nic się nie dzieje. Zatem dwa fermiony nigdy nie mogą znajdować się w tym samym miejscu, ponieważ w takim przypadku ich zamiana dałaby konfigurację identyczną, ale funkcję falową należałoby pomnożyć przez -l, a jedyną wartością, która po pomnożeniu przez -l nie ulega zmianie, jest O. Funkcja falowa musi więc znikać. Stąd właśnie bierze się słynny zakaz Pauliego - pierwotnie stosowany do elektronu - który mówi, że dwa identyczne fermiony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowomechanicznego.

Okazuje się, że jeśli pozwolimy cząstkom poruszać się tylko w dwóch wymiarach - jak są do tego zmuszane dwuwymiarowe istoty napotkane przez Enterprise lub, co dla nas istotniejsze, jak to się dzieje w rzeczywistym świecie, gdy ustawienie atomów w krysztale zmusza elektrony do poruszania się tylko w płaszczyźnie dwuwymiarowej - reguły mechaniki kwantowej, znane z trójwymiarowej przestrzeni, ulegają zmianie. Spin nie jest już skwantowany i jego wartość dla danej cząstki może być dowolna. Stąd zamiast fermionów czy bozonów mamy anyony (od ang. any -jakikolwiek). Takie było pochodzenie tej nazwy i problemu, który badał Wilczek z innymi naukowcami.

Wracając do scenarzystów Star Trele to zabawne, że liczba, przez którą należy pomnożyć funkcję falową cząstek, gdy się je zamienia, nazywana jest „fazą”. Funkcje falowe fermionów mnoży się przez fazę równą -l, natomiast bozonów przez fazę równą l, dzięki czemu funkcje tych ostatnich nie ulegają zmianie. Funkcje falowe anyonów mnoży się przez kombinację l i liczby urojonej (liczby urojone to pierwiastki kwadratowe z liczb ujemnych), więc rzeczywiście anyony są „niezgodne w fazie” z normalnymi cząstkami. Czyż nie wynika stąd, że „emiter anyonów” mógłby zmieniać fazę?

STRUNY KOSMICZNE. W odcinku pod tytułem Strata serii Następne pokolenie załoga Enterprise spotyka zagubione dwuwymiarowe istoty. Żyją one na „kawałku struny kosmicznej”. W odcinku tym strunę opisuje się jako nieskończenie cienkie włókno o bardzo dużej sile przyciągania grawitacyjnego, które drga z charakterystycznymi częstościami „podprzestrzennymi”.

W fizyce struny kosmiczne pojawiły się jako obiekty, które powstały podczas przejścia fazowego w młodym Wszechświecie. Ostatnio mam okazję wiele słyszeć o strunach kosmicznych, gdyż na Wydziale Fizyki mojego uniwersytetu pojawił się jeden ze światowych ekspertów od tych teoretycznych obiektów. Ich własności pod pewnymi względami miałyby przypominać własności obiektu napotkanego przez Enterprise.

W czasie przejścia fazowego - na przykład gdy woda gotuje się lub zamarza - konfiguracja cząstek składających się na daną substancję ulega zmianie. Zamarzając woda tworzy strukturę krystaliczną. Ustawione w różnych kierunkach kryształy stopniowo rosną i spotykają się, wyznaczając przypadkowe linie, które układają się następnie we wzory tak pięknie wyglądające zimą na okiennej szybie. Podczas przejścia fazowego w młodym Wszechświecie zmienia się konfiguracja materii, promieniowania i pustej przestrzeni (która, przypominani, może również zawierać energię). Czasami w trakcie takich przejść fazowych różne obszary Wszechświata rozrastają się w różne konfiguracje. W miarę jak konfiguracje te rosną, mogą się również spotykać - czasem w jakimś punkcie, a czasem wzdłuż linii, zaznaczając w ten sposób granicę między tymi obszarami. W owej linii granicznej zostaje uwięziona energia i linia ta tworzy to, co nazywamy struną kosmiczną.

Nie mamy pojęcia, czy struny kosmiczne rzeczywiście powstały we wczesnym Wszechświecie, ale jeśli tak się stało i jeśli dotrwały do obecnych czasów, mogłyby wywoływać niezwykłe efekty. Byłyby nieskończenie cienkie - cieńsze niż średnica protonu - ale miałyby olbrzymią gęstość, sięgającą nawet miliona milionów ton na centymetr. Struny mogłyby układać się w ogniska, wokół których zapadałaby się materia, tworząc na przykład galaktyki. Mogłyby również „drgać”, nie emitując jednak fal podprzestrzennych, lecz grawitacyjne. Dzięki tym falom grawitacyjnym można by nawet wykryć obecność struny kosmicznej, zanim jeszcze udałoby sieją zaobserwować bezpośrednio.

I na tym koniec podobieństw strun w fizyce do strun w Star Trek. Zajmijmy się teraz różnicami. Dzięki sposobowi, w jaki powstają, struny kosmiczne nie mogą istnieć we fragmentach. Mogą pojawiać się jedynie w postaci zamkniętych pętli lub pojedynczych długich włókien, wijących się we Wszechświecie. Co więcej, mimo ich olbrzymiej gęstości, struny kosmiczne nie oddziałują grawitacyjnie na oddalone od nich obiekty. Działanie nagłej siły grawitacyjnej odczujemy tylko wtedy, gdy struna kosmiczna będzie nas mijała. Są to jednak dość subtelne kwestie i ogólnie rzecz biorąc twórcy Star Trek poradzili sobie ze strunami kosmicznymi całkiem nieźle.

POMIARY KWANTOWE. W serii Następne pokolenie znalazł się wspaniały odcinek pod tytułem Wszechświaty równolegle, w którym Worf przeskakuje między różnymi „rzeczywistościa-mi kwantowymi”. Odcinek ten porusza, chociaż niepoprawnie, jeden z najbardziej fascynujących aspektów mechaniki kwantowej: teorię pomiaru kwantowego.

Ponieważ nie możemy bezpośrednio zaobserwować zjawisk kwantowych, cały nasz intuicyjny fizyczny obraz Wszechświata ma charakter klasyczny. Gdy mówimy o mechanice kwantowej, posługujemy się w zasadzie językiem mechaniki klasycznej, próbując wyjaśniać świat kwantowy za pomocą znajomych nam pojęć. Podejście to, które zwykle określa się jako „interpretację mechaniki kwantowej” i które tak fascynuje filozofów nauki, jest błędne. Naprawdę powinniśmy się zajmować „interpretacją mechaniki klasycznej”, to znaczy tym, w jaki sposób klasyczny świat, który widzimy - a który jest tylko przybliżeniem leżącej głębiej rzeczywistości mającej naturę kwantową -można wyjaśnić, posługując się odpowiednimi wielkościami kwantowymi.

Jeśli będziemy się upierać przy interpretacji zjawisk kwantowych za pomocą pojęć klasycznych, w nieunikniony sposób niektóre zjawiska wydadzą się nam paradoksalne lub niemożliwe. Tak właśnie powinno być. Mechanika klasyczna nie może poprawnie wyjaśnić zjawisk kwantowych, nie ma więc powodu, aby klasyczne opisy miały sens.

Wyraziwszy ten sprzeciw, dalej będę posługiwał się pojęciami mechaniki klasycznej, ponieważ tylko takie narzędzia językowe są mi dostępne. Chociaż do opisu mechaniki kwantowej używam narzędzi matematycznych, podobnie jak inni fizycy mogę się uciekać jedynie do klasycznego obrazu, ponieważ moje bezpośrednie doświadczenie ma charakter klasyczny.

Jak już wspominałem w rozdziale piątym, jedną z najbardziej niezwykłych cech mechaniki kwantowej jest to, że nawet jeśli zaobserwujemy pewną cechę obiektu, nie możemy stwierdzić, czy istniała ona na chwilę przed obserwacją. Sam proces obserwacji może zmienić charakter rozważanego układu fizycznego. Kompletny opis konfiguracji danego układu w określonym czasie zapewnia jego funkcja falowa i ewoluuje ona zgodnie z deterministycznymi prawami fizyki. Sprawy komplikuje jednak to, że funkcja falowa może obejmować dwie lub więcej wzajemnie rozłącznych konfiguracji w tym samym czasie.

Gdy na przykład cząstka obraca się zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, mówimy, że jej spin jest skierowany „w górę”. Gdy obraca się w kierunku przeciwnym, jej spin skierowany jest „w dół”. Funkcja falowa tej cząstki może zawierać sumę tych dwóch stanów o równych prawdopodobieństwach: zarówno spin skierowany w górę, jaki i spin skierowany w dół. Gdy zmierzymy kierunek spinu, okaże się, że jest on skierowany albo w górę, albo w dół. Kiedy już dokona się pomiaru, funkcja falowa cząstki będzie od tego momentu zawierała tylko zmierzony składnik. Jeśli pomiar wykazał spin skierowany w górę, taki sam wynik dadzą dla danej cząstki następne pomiary.

Obraz ten stwarza pewne problemy. Można by zapytać, w jaki sposób cząstka może przed pomiarem mieć spin skierowany zarówno w górę, jak i w dół. Prawidłowa odpowiedź brzmi, że nie ma żadnego z nich. Kierunek spinu był przed pomiarem nieokreślony.

Owo dziwne zachowanie kwantowej funkcji falowej jest szczególnie niepokojące, gdy myślimy o istotach żywych. Przypomnijmy sobie na przykład słynny paradoks kota Schródin-gera. (Erwin Schródłnger był jednym z tych młodych ludzi, którzy na początku naszego stulecia przyczynili się do odkrycia praw mechaniki kwantowej. Równanie opisujące ewolucję czasową funkcji falowej nazywa się równaniem Schrodingera). Wyobraźmy sobie pudełko, w którym siedzi kot. Wewnątrz pudełka znajduje się rewolwer wycelowany w kota i połączony z radioaktywnym źródłem. Możliwość rozpadu źródła w zadanym czasie określona jest przez pewne kwantowe prawdopodobieństwo. Gdy dojdzie do rozpadu, rewolwer wypali i zabije kota. Czy funkcja falowa opisująca kota przed otwarciem pudełka jest liniową superpozycją żywego i martwego kota? Brzmi to absurdalnie. Podobnie nasza świadomość jest zawsze określona. Czy akt świadomości jest pomiarem? Jeśli tak, można powiedzieć, że w każdej chwili istnieje niezerowe kwantowe prawdopodobieństwo zaistnienia kilku różnych zdarzeń i to akt naszej świadomości określa, którego ze zdarzeń doświadczamy. Rzeczywistość ma więc nieskończoną liczbę odgałęzień. W każdej chwili nasza świadomość określa, w którym odgałęzieniu się znajdujemy, ale a priori istnieje nieskończona liczba innych możliwości.

Hipoteza istnienia „wielu światów” - jedna z interpretacji mechaniki kwantowej, według której jest możliwe, że w jakimś innym odgałęzieniu kwantowej funkcji falowej to Stephen Hawking pisze tę książkę, a ja przedmowę - stała się prawdopodobnie przyczyną nieszczęścia biednego Worfa; potwierdza to sam Data. Gdy statek Worfa wędruje przez „kwantową szczelinę w czasoprzestrzeni”, wysyłając jednocześnie „sygnał podprzestrzenny”, granice między rzeczywistościami kwantowymi „załamują się” i Worf zaczyna co pewien czas przeskakiwać z jednego odgałęzienia funkcji falowej do innego, doświadczając licznych alternatywnych rzeczywistości kwantowych. Oczywiście jest to niemożliwe, ponieważ w chwili dokonania pomiaru cały układ, z aparaturą pomiarową włącznie (w tym przypadku z Worfem), ulega zmianie. Gdy Worf raz już czegoś doświadczy, nie ma powrotu... czy raczej nie ma żadnych odgałęzień. Samo doświadczenie wystarcza, aby ustalić rzeczywistość. Żąda tego natura mechaniki kwantowej.

Jest jeszcze inna cecha mechaniki kwantowej, o której była mowa w tym samym odcinku. Załoga Enterprise odkrywa, że Worf przybywa z innej „rzeczywistości kwantowej”, stwierdzając, iż jego „sygnatura kwantowa na poziomie atomowym” różni się od wszystkiego, co istnieje w ich świecie. Według Daty ta sygnatura jest niepowtarzalna i nie może ulec zmianie w wyniku żadnego procesu fizycznego. Mamy tu oczywiście do czynienia z technicznym pseudożargonem, wiąże się on jednak z pewną interesującą cechą mechaniki kwantowej. Pełny zbiór wszystkich możliwych stanów układu nazywamy przestrzenią Hilberta - od nazwiska Davida Hilberta, słynnego matematyka niemieckiego, który między innymi był bliski stworzenia przed Einsteinem ogólnej teorii względności. Zdarza się czasami, że przestrzeń Hilberta rozpada się na oddzielne obszary, zwane sektorami superwyboru. W takim przypadku żaden proces fizyczny nie może przenieść układu z jednego sektora do drugiego. Każdy sektor określony jest przez pewną wielkość - na przykład całkowity ładunek elektryczny układu. Gdybyśmy chcieli wyrazić się bardziej obrazowo, moglibyśmy powiedzieć, że wielkość ta nadaje temu sektorowi niepowtarzalną „sygnaturę kwantową”, ponieważ wszystkie lokalne operacje kwantowe zachowują ten sam sektor, a zachowanie operacji i mierzalnych wielkości, z którymi są związane, jest określone przez tę właśnie sygnaturę.

Różne odgałęzienia funkcji falowej układu muszą się jednak znajdować w jednym sektorze superwyboru, ponieważ każde z nich jest w zasadzie fizycznie dostępne. Niestety, w przypadku Worfa, nawet gdyby udało mu się złamać zasady mechaniki kwantowej, przeskakując z jednego odgałęzienia do drugiego, nie istniałaby żadna zewnętrzna mierzalna wielkość, która mogłaby dowieść prawdziwości jego relacji.

Cały problem z interpretacją mechaniki kwantowej odwołującą się do idei wielu światów (czy z jakąkolwiek inną) sprowadza się do tego, że nigdy nie można doświadczać więcej niż jednej rzeczywistości jednocześnie. Na szczęście, także inne prawa fizyki nie pozwalają, by pojawiły się miliony statków Enterprise z różnych rzeczywistości, jak to się dzieje na końcu wspomnianego odcinka. Zapobiega temu chociażby prosta zasada zachowania energii - pojęcie najzupełniej klasyczne.

SOLITONY. W odcinku Nowa ziemia serii Następne pokolenie załoga Enterprise obserwuje eksperyment przeprowadzany przez drą Ja'Dora z planety Bilana III. W doświadczeniu tym używa się „fali solitonowej” - nie ulegającego rozproszeniu czoła fali odkształcenia podprzestrzennego - do przyspieszania prototypu statku do prędkości czasoprzestrzennych bez użycia napędu czasoprzestrzennego. Metoda ta wymaga, aby na końcu podróży znajdowała się planeta wytwarzająca pole, na którym rozproszy się fala. Eksperyment niemal kończy się tragedią, której oczywiście udaje się uniknąć w ostatniej chwili.

Solitony nie są wymysłem twórców Star Trek. Termin ten oznacza tyle, co „samotne fale”, i odnosi się do zjawiska zaobserwowanego po raz pierwszy w roku 1834 na falach wodnych przez szkockiego inżyniera Johna Scotta Russella. Prowadząc własnym sumptem badania nad projektem barek rzecznych dla Union Canal Society w Edynburgu, zauważył on coś niezwykłego. Oto jego relacja:

Obserwowałem ruch barki, ciągniętej z dużą szybkością wzdłuż wąskiego kanału przez parę koni, gdy nagle barka się zatrzymała - cała zaś masa wody w kanale, wprawiona w ruch przez barkę, nie zatrzymała się, lecz zgromadziła w pobliżu dzioba barki w formie burzliwego kłębowiska, a potem nagle oddzieliła się i potoczyła bardzo prędko naprzód, przybierając postać samotnego wzniesienia. Był to zaokrąglony, gładki i zdecydowanie wyróżniający się pagórek na powierzchni wody, który poruszał się wzdłuż kanału pozornie bez zmiany kształtu i bez utraty prędkości. Podążyłem konno jego śladem i gdy go dogoniłem, wciąż przetaczał się naprzód z prędkością ośmiu lub dziewięciu mil na godzinę, zachowując swój pierwotny kształt, długi na trzydzieści stóp i na stopę lub półtorej wysoki. Jego wysokość powoli malała i po mili lub dwóch straciłem go z oczu wśród zakrętów kanału. W ten sposób w sierpniu 1834 roku miałem szczęście napotkać po raz pierwszy to osobliwe i piękne zjawisko, które nazwałem falą przesuniętą.

Później Scott Russell ukuł na określenie tego cudu termin „samotna fala”, który utrzymał się do dziś, choć solitony pojawiły się w wielu różnych działach fizyki. Według ogólnej definicji, solitony są nie ulegającymi rozproszeniu, klasycznie rozciągłymi, ale skończonych rozmiarów obiektami, które mogą przemieszczać się z miejsca na miejsce. Z tego właśnie powodu nie mogły się wydarzyć katastrofy, które napędzają akcję odcinka Nowa ziemia. Po pierwsze, soliton nie „emitowałby dużej ilości zakłóceń radiowych”. Gdyby tak było, rozpraszałby swoją energię. Z tej samej przyczyny nie mógłby uzyskiwać energii czy zmieniać częstości.

Zwykłe fale są obiektami rozciągłymi, które podróżując tracą swoją energię. Jednak klasyczne siły - pochodzące z różnych oddziaływań w przestrzeni, zwanych polami - zazwyczaj pozostawiają solitony w stanie nietkniętym, tak że mogą się one rozchodzić, nie tracąc energii na rzecz ośrodka. Ponieważ są one kompletnymi rozwiązaniami energetycznymi równań opisujących ruch, zachowują się w zasadzie tak samo, jak zwyczajne obiekty - na przykład cząstki elementarne. W pewnych matematycznych modelach silnych oddziaływań, które utrzymują razem kwarki, można traktować proton jako soliton, a wówczas wszyscy składamy się z solitonów! W fizyce cząstek elementarnych wymyślono nowe pola, które mogłyby łączyć się w „gwiazdy solitonowe” - obiekty o rozmiarach gwiazd, istniejące dzięki jednemu spójnemu polu. Obiektów takich nie udało się jeszcze zaobserwować, ale ich istnienie jest prawdopodobne.

KWAZARY. W odcinku Pegaz - dowiadujemy się w nim o Traktacie Algońskim, który zakazuje Federacji używania urządzeń maskujących - mamy okazję zobaczyć Enterprise Picarda w trakcie badania kwazaru Mecoria. Wcześniej, w odcinku Galileusz siedem emitowanym w pierwszej serii, dowiedzieliśmy się, że regulamin obowiązujący na pokładzie Enterprise nakazywał badanie tych obiektów przy każdej nadarzającej się okazji. Jest jednak mało prawdopodobne, aby jakiś statek, podróżując po peryferiach Galaktyki, rzeczywiście napotkał kwazar. Sądzi się bowiem, iż kwazary - obiekty o największej we Wszechświecie energii (emitują one tyle energii, co całe galaktyki, choć są tak małe, że nie można ich dokładnie zbadać nawet za pomocą teleskopów) - są olbrzymimi czarnymi dziurami w centralnych częściach niektórych galaktyk i dosłownie połykają materię swoich gospodarzy. Jest to jedyny znany nam mechanizm, który mógłby wyjaśniać obserwowane energie i rozmiary kwazarów. Gdy materia wpada do czarnej dziury, wypromieniowuje dużą ilość energii (w miarę jak traci swoją grawitacyjną energię potencjalną). Jeśli w centralnych obszarach niektórych galaktyk istnieją czarne dziury o masach milion czy miliard razy większych od masy Słońca, mogą one połykać całe układy gwiezdne. Z tego powodu kwazary są często częścią tego, co nazywamy aktywnymi jądrami galaktyk. Dla tej samej przyczyny odradzałbym bliskie spotkanie z jednym z takich obiektów, gdyż mogłoby się okazać fatalne w skutkach.

NEUTRINA. Neutrina są moimi ulubionymi cząstkami i dlatego ten temat zostawiłem sobie na koniec. Stworzonkom tym poświęciłem wiele lat mojej pracy naukowej, tak mało bowiem o nich wiemy, a przecież mogą wiele nas nauczyć o strukturze materii i naturze Wszechświata.

Wielokrotnie w różnych odcinkach Stor Trek używa się neutrin lub mierzy je na pokładach statków kosmicznych. Zwiększone odczyty neutrin występują na przykład wtedy, gdy statki przemierzają bajorański tunel czasoprzestrzenny. W odcinku Wróg dowiadujemy się, że maska Geordiego LaForge'a potrafi wykrywać neutrina, gdy dociera do niego ich wiązka, wysłana, żeby go zlokalizować; w ten sposób można go ewakuować z nieprzyjaznej planety. W odcinku Koncentracja sil załoga Enterprise napotyka „pole neutrinowe”, które zakłóca transport bezcielesnych, przestępczych form życia na pokład statku.

Istnienie neutrin przewidziano w wyniku niejasności związanej z procesem rozpadu neutronów. Neutrony są stabilne w jądrach atomowych, lecz w stanie nie związanym ulegają rozpadowi na protony i elektrony po mniej więcej dziesięciu minutach. Z zachowaniem ładunku elektrycznego w takich reakcjach nie ma problemu, ponieważ neutron jest elektrycznie obojętny, natomiast proton ma ładunek dodatni, a elektron -ujemny, przy czym ich wartość bezwzględna jest taka sama. Masa protonu i elektronu daje w sumie niemal masę neutronu, nie zostaje więc wiele energii na wytworzenie innych masywnych cząstek w tym rozpadzie.

Czasami jednak obserwuje się, że proton i elektron po rozpadzie neutronu wybiegają w tym samym kierunku. Jest to niemożliwe, ponieważ każda wyemitowana cząstka niesie pęd. Jeśli neutron znajdował się w spoczynku, jego pęd wynosił zero, konieczne jest więc w tym rozpadzie wyemitowanie czegoś jeszcze, aby cząstka taka mogła unieść pęd w kierunku przeciwnym.

Istnienie takiej hipotetycznej cząstki zaproponował w latach trzydziestych Wolfgang Pauli, a Enrico Fermi nazwał ją neutrinem (czyli małym neutronem). Wybrał tę nazwę dlatego, że cząstka Pauliego musiała być elektrycznie obojętna, aby nie została naruszona zasada zachowania ładunku, i mieć bardzo małą masę, aby mogła powstać nawet z niedużej ilości energii dostępnej po wyemitowaniu protonu i elektronu.

Jako że neutrina są elektrycznie obojętne i nie odczuwają silnych oddziaływań (które wiążą kwarki i pomagają utrzymać jądro w całości), bardzo słabo oddziałują one ze zwykłą materią. Ponieważ jednak neutrina produkowane są w reakcjach jądrowych, które zachodzą we wnętrzu Słońca, są wszechobecne. W ciągu każdej sekundy każdego dnia każdy centymetr kwadratowy naszego ciała przeszywa sześćset miliardów neutrin pochodzących ze Słońca - ta nieustanna inwazja stała się nawet inspiracją wiersza Johna Updike'a. Nie zauważamy tego ostrzału, ponieważ neutrina przenikają przez nasze ciała bez śladu. Średnio neutrina słoneczne musiałyby przejść przez blok materii grubości 10 tysięcy lat świetlnych, zanim wywarłaby ona na nie jakikolwiek wpływ.

Jeśli rzeczywiście tak jest, można by zapytać, skąd możemy mieć pewność, że neutrina istnieją. Cóż, wspaniałą cechą mechaniki kwantowej jest to, że określa prawdopodobieństwa. Dlatego właśnie w poprzednim paragrafie użyłem określenia „średnio”. Chociaż większość neutrin przebędzie 10 tysięcy lat świetlnych, nie oddziałując z materią, jeśli będziemy mieć wystarczająco dużo neutrin i odpowiednio grubą tarczę, możemy się przekonać o ich istnieniu.

Tę zasadę wykorzystali po raz pierwszy w roku 1956 Frede-rick Reines i Clyde Cowan, którzy umieściwszy w pobliżu reaktora jądrowego kilkutonową tarczę, rzeczywiście zaobserwowali kilka zdarzeń, świadczących o istnieniu neutrina. To doświadczalne wykrycie neutrina (a właściwie antyneutrina) nastąpiło ponad 20 lat po wysunięciu hipotezy przez Pauliego i długo po tym, jak większość fizyków ją zaakceptowała.

Obecnie używa się o wiele większych detektorów. Pierwsze obserwacje neutrin słonecznych przeprowadził w latach sześćdziesiątych Ray Davis ze swoimi współpracownikami, używając prawie 400 tysięcy litrów płynu do czyszczenia, umieszczonego w podziemnym zbiorniku w kopalni złota Homestake w Południowej Dakocie. Średnio każdego dnia jedno neutrino pochodzące ze Słońca oddziaływało z jednym atomem chloru i zmieniało go w atom argonu. Eksperymentatorom należą się wyrazy uznania za to, że potrafili wykryć zachodzącą w tak wolnym tempie jądrową alchemię. Okazuje się jednak, że tempo reakcji zmierzone przez ich detektor - i wszystkie następne detektory neutrin słonecznych -jest odmienne od przewidywanego. Ta tak zwana zagadka neutrin słonecznych może sygnalizować potrzebę stworzenia nowej fizyki neutrin.

Największy detektor neutrin na świecie buduje się obecnie w kopalni Kamiokande w Japonii. Będzie on zawierał 30 tysięcy ton wody i zastąpi detektor wykorzystujący 5 tysięcy ton, za pomocą którego udało się zarejestrować pewną ilość neutrin pochodzących z supernowej. Wybuch ten zaobserwowano w 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana, który znajduje się ponad 150 tysięcy lat świetlnych od nas!

W ten sposób wracamy do punktu wyjścia. Neutrina są jednym z nowych narzędzi, używanych przez fizyków do badania Wszechświata. Wykorzystując każdy możliwy rodzaj detekcji cząstki elementarnej oraz konwencjonalne detektory elektromagnetyczne, możemy odkryć tajemnice Galaktyki, zanim odważymy się wyruszyć na jej podbój. Wynalezienie detektora neutrin wielkości maski Geordiego byłoby w tym oczywiście bardzo pomocne!

ROZDZIAŁ 10

KRAINA NIEMOŻLIWOŚCI: TO, CZEGO NIE DA SIĘ ODKRYĆ

Geordi: Nagle prawa fizyki jakby wyskoczyły f rzeź okno.

Q: Dlaczego nie miałyby tego zrobić? Są takie niewygodne!

W odcinku Prawdziwy Q

Bones, cha żebyś sprawdził także to, co niemożliwe.

KIRK do McCoya w odcinku Nagi czas

To, co opisujesz, to... niebyt!

KIRK do Spocka w odcinku Czynnik alternatywny

Każdy rozsądny flzyktrekker zdaje sobie sprawę z tego, że Star Trek należy traktować z pewną dozą pobłażliwości. Zdarzały się jednak przypadki, gdy z takiego lub innego powodu twórcy Stor Trek przekraczali granicę między tym, co jest po prostu niejasne lub mało prawdopodobne, a tym, co zupełnie niemożliwe. Wynajdywanie w każdym odcinku niewielkich nawet uchybień jest popularną rozrywką trekkerów, nie tym jednak najbardziej rozkoszują się fizycy i studenci fizyki. W czasie obiadów i przerw na kawę podczas zawodowych spotkań dyskutuje się najczęściej o naprawdę poważnych wpadkach.

Trzeba jednak przyznać, że zdarza, się, iż okruch fizyki w serialu - nawet jeśli dotyczy niewielkiego epizodu - potrafi następnego dnia wywołać żarliwą dyskusję. Dobrze pamiętam dzień, kiedy mój student z Yale - Martin White, który obecnie pracuje na Uniwersytecie w Chicago - przyszedł do mojego pokoju zaraz po obejrzeniu Stor Trek VI: Nieznany kraj. Myślałem, że będziemy rozmawiać o fałach grawitacyjnych w bardzo młodym Wszechświecie. Martin zaczał się jednak zachwycać pewną szczególną sceną z filmu, która nie trwała dłużej niż 15 sekund. Dwóch ubranych w hełmy zabójców wchodzi na pokład statku kanclerza Gorkona - statek został unieruchomiony za pomocą torped fotonowych, wystrzelonych z Enterprise, i dzięki temu nie ma na nim grawitacji - i strzela do wszystkich znajdujących się w zasięgu wzroku, łącznie z Gorkonem. Szczególne wrażenie na Martmie i, ku mojemu zaskoczeniu, na wielu innych studentach fizyki oraz pracownikach wydziału wywarto to, że krążące po statku krople krwi miały sferyczne kształty. Na Ziemi wszystkie krople cieczy są wydłużone z powodu wszechobecnej siły grawitacji. W obszarach jej pozbawionych, takich jak statek Gorkona, nawet łzy byłyby małymi kulkami. Fizycy wiedzą o tym, ale rzadko mają okazję to zobaczyć. Pracujący nad Star Trek fachowcy od efektów specjalnych dostarczyli wielu fizykom sporej przyjemności. Wystarczy tak niewiele...

Oczywiście błędy również nas poruszają. Co ciekawe, najbardziej chyba pamiętny błąd w Star Trek nie dotyczył wcale fizyki. Doniósł mi o nim Steven Weinberg, fizyk cząstek elementarnych (a także autor książek popularnonaukowych) i laureat Nagrody Nobla, którą otrzymał za udział w stworzeniu tego, co obecnie nazywamy modelem standardowym oddziaływań cząstek elementarnych. Ponieważ wiedziałem, że wykonuje on najbardziej zawiłe obliczenia przy włączonym telewizorze, napisałem do niego i zapytałem o refleksje związane ze Star Trek. Weinberg odpowiedział, że głównymi błędami popełnianymi w Stor Trek są błędy językowe.

Znacznie częściej jednak uwagę fizyków przykuwają błędy z dziedziny, którą uprawiają. Dzieje się tak zapewne dlatego, że te właśnie błędy utwierdzają w wielu fizykach przekonanie, iż fizyka jest bardzo oddalona od kultury masowej; nie mówiąc o poczuciu wyższości, które dają nam żarty na temat absolwentów filologii piszących scenariusz. Trudno sobie wyobrazić, aby w dużej produkcji filmowej Napoleon mówił po niemiecku, zamiast po francusku, a Deklaracja Niepodległości została podpisana w XIX wieku. Kiedy więc podobnego kalibru błędy fizyczne wkradają się do serialu, który ma przecież mieć charakter naukowy, fizycy przechodzą do ataku. Byłem zaskoczony, gdy się dowiedziałem, jak wielu moich szacownych kolegów - Kip Thome, Weinberg, Sheldon Glashow, nie mówiąc o Stephenie Hawkingu, najbardziej chyba znanym fizyku-trekkerze - ogląda serial Star Trek. Oto lista moich ulubionych pomyłek, zebranych w trakcie dyskusji z fizykami oraz przesłanych do mnie pocztą elektroniczną przez licznych trekkerów. Starałem się skupić głównie (ale nie wyłącznie) na gafach dotyczących „ziemskiej fizyki”. Nie zajmuję się więc tutaj takimi częstymi zarzutami, jak ten, że światło gwiazd się rozmazuje, gdy mamy do czynienia z prędkościami czasoprzestrzennymi. Nie walczę też z technicznym pseudożargonem - nieodpowiedzialnym użyciem terminologii naukowej i pseudonaukowej, jaką posługują się w każdym odcinku scenarzyści, aby stworzyć wrażenie technologii przyszłości. Poza tym starałem się wybrać przykłady, o których nie było wcześniej mowy.

„W PRZESTRZENI KOSMICZNEJ NIKT NIE USŁYSZY TWOJEGO KRZYKU”. Zwiastun Obcego ujął to trafnie, ale w serialu Star Trek zwykle popełnia się w tej kwestii błędy. Fale dźwiękowe nie rozchodzą się w pustej przestrzeni! Gdy jednak wybucha stacja kosmiczna krążąca wokół planety Tanuga IV, z dogodnego punktu obserwacyjnego na pokładzie Enterprise słyszymy to wydarzenie tak samo dobrze, jak widzimy. Co gorsza, słyszymy je w tej samej chwili, w której je widzimy. Nawet gdyby fale dźwiękowe mogły rozchodzić się w pustej przestrzeni, co jest niemożliwe, prędkość fali ciśnienia, takiej jak dźwięk, jest na ogół o kilka rzędów wielkości mniejsza od prędkości światła. Wystarczy wybrać się na mecz piłki nożnej, aby się przekonać, że widzimy zdarzenia, zanim możemy je usłyszeć.

Poglądowy eksperyment, który przeprowadza się na szkolnych lekcjach fizyki, polega na umieszczeniu elektrycznego dzwonka pod szklanym kloszem i wypompowaniu spod niego powietrza. Gdy powietrze zostanie usunięte, dzwonienie zanika. Już w XVII wieku uświadomiono sobie, że dźwięk potrzebuje jakiegoś ośrodka, aby się rozchodzić. W próżni, takiej jaka panuje wewnątrz klosza, nie ma nic, co mogłoby przenosić fale dźwiękowe, więc nie słyszymy znajdującego się w środku dzwonka. Mówiąc dokładniej, dźwięk jest falą ciśnienia, czyli zaburzeniem, które przemieszcza się w miarę jak obszary ciśnienia wyższego lub niższego niż średnie rozchodzą się w ośrodku. Gdy wyeliminujemy ośrodek, nie będzie ciśnienia, które można by zaburzać. Nawiasem mówiąc, przykład z kloszem leżał u podstaw tajemnicy, o której wcześniej wspomniałem, a która miała duże znaczenie w historii fizyki. Chociaż nie słyszymy dzwonka, wciąż go widzimy! Jeśli więc światło ma być rodzajem fali, w jakim to ośrodku, którego nie można usunąć wraz z powietrzem, się ono porusza? Był to jeden z głównych argumentów przemawiających za istnieniem eteru.

Oglądając serial, nigdy nie zwracałem większej uwagi na obecność bądź nieobecność dźwięku w przestrzeni kosmicznej. Po tym jednak, jak Steven Weinberg i kilka innych osób wspomniało, że pamiętają dźwięk towarzyszący wybuchom w Star Trek, zwróciłem na to uwagę przy okazji oglądanego właśnie odcinka pod tytułem Kwestia perspektywy, w którym wybucha stacja kosmiczna krążąca wokół planety Tanuga IV. I oczywiście: bum! To samo zdarzyło się w następnym odcinku - statek przewożący skradzione z Enterprise kryształy trójlitu z wielkim hukiem eksplodował w pobliżu planety Arkaria. Potem obejrzałem ostatni pełnometrażowy film Star Trek: Pokolenia, w którym nawet butelka szampana wydaje odgłos, gdy eksploduje w przestrzeni kosmicznej.

Mark Srednicki, mój kolega fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, zwrócił uwagę na o wiele poważniejszą pomyłkę w pewnym odcinku, w którym fale dźwiękowe wykorzystuje się jako broń przeciwko statkowi znajdującemu się na orbicie. Jakby tego było mało, słyszymy, że fale te osiągają liczbę decybeli równą „18 do potęgi dwunastej”. Fizykowi wielkość ta wydaje się szczególnie duża, ponieważ skala, w której natężenie mierzy się w decybelach, jest logarytmiczna, podobnie jak skala Richtera. Oznacza to, że liczba decybeli to już potęga 10, a wartości znormalizowane są w ten sposób, że 20 decybeli jest 10 razy głośniejsze od 10 decybeli, a 30 decybeli jeszcze 10 razy głośniejsze. Zatem 18 do potęgi dwunastej decybeli to 10¹⁸¹², czyli l z 11 568 313 814 300 zerami razy głośniej niż samolot odrzutowy!

SZYBCIEJ NIŻ FAZER. Do podróży z prędkościami ponad-świetlnymi musimy się w Star Trek przyzwyczaić; ta możliwość, jak już mówiłem, wiąże się z subtelnościami ogólnej teorii względności i istnieniem egzotycznych, nowych form materii. Dla zwyczajnych obiektów w zwyczajnych sytuacjach prędkość światła jest i zawsze będzie nieprzekraczalną barierą. Czasami zapomina się o tym prostym fakcie. W zwariowanym odcinku pod tytułem Mgnienie oka Skalozjanie podstępnie skłaniają Kirka do wypicia napoju, który przyspiesza wielokrotnie jego ruchy. Dzięki temu osiąga on szybkość ruchów Ska-lozjan i może stać się partnerem ich królowej Deeli. Skalozjanie wiodą superszybkie życie, w związku z czym załoga Enterprise nie potrafi ich dostrzec. Zanim jednak Kirk znajdzie się w łożu królowej, próbuje zastrzelić ją z fazera. Ponieważ królowa potrafi przemieszczać się w mgnieniu oka, przynajmniej z punktu widzenia ludzi, uchyla się z drogi promienia, zanim ten w nią trafi. Co mija się z prawdą w tej historii? Odpowiedź brzmi: wszystko!

Kilku trekkerów zauważyło, że jeśli Deela może się poruszyć w czasie, który wystarcza, by promień fazera przebiegł pokój z prędkością światła, cała reszta tego odcinka jest niemożliwa. Prędkość światła wynosi 300 milionów metrów na sekundę. Deela znajduje się w odległości około metra od strzelającego Kirka, z czego wynika, że światło będzie podróżowało przez około 1/300 milionowej sekundy. Aby ten czas wydał się Deeli sekundą, zegar Skalozjan musi odmierzać czas 300 milionów razy szybciej. Jeśli tak jest, trzysta milionów sekund dla Skalozjan trwa około jednej sekundy zwykłego czasu Enterprise. Niestety, trzysta milionów sekund to około 10 lat.

Wybaczmy twórcom Star Trek ten lapsus. Pojawia się jednak o wiele poważniejszy problem, którego nie można rozwiązać i na który natknęło się kilku znanych fizyków. Z serialu dowiadujemy się, że fazery są bronią mogącą wysyłać ukierunkowaną energię; wiązka fazera zatem przemieszcza się z prędkością światła. Niestety, w tym miejscu tkwi pułapka. Jeśli promień fazera składa się z czystej energii, a nie z cząstek, jak twierdzi Instrukcja techniczna Star Trek, musi biec z prędkością światła. Niezależnie od tego, jak szybko może się ktoś poruszać, nawet jeśli robi to 300 milionów razy szybciej niż zwykły człowiek, nigdy nie zdąży się usunąć z drogi promienia fazera. Dlaczego? Ponieważ aby się dowiedzieć, że zbliża się do niego wiązka, musiałby najpierw zobaczyć wystrzał fazera. Potrzebne do tego światło porusza się jednak z tą samą prędkością, co wiązka. Innymi słowy, nie możesz się dowiedzieć, że wiązka zmierza w Twoim kierunku, dopóki w Ciebie nie trafi! Dopóki wiązka fazera jest wiązką energii, nie ma przed nią ucieczki. Podobny problem związany z próbą uniknięcia promienia fazera pojawia się w odcinku Bakteriofagi z serii Yoyager.

Czasami to jednak krytycy Stor Trek popełniają błędy. Powiedziano mi kiedyś, że powinienem zwrócić uwagę na scenę w filmie Pokolenia, kiedy gwiazda oświetlająca planetę znika i w tym samym momencie planeta ciemnieje. Jest to oczywiście niemożliwe, ponieważ światło potrzebuje pewnego skończonego czasu, aby przebyć drogę od gwiazdy do planety. Jeśli zatem wyłączymy światło gwiazdy, obserwatorzy na planecie przez pewien czas nie będą o tym wiedzieli. W filmie Pokolenia jednak cały ten proces obserwuje się z powierzchni planety. Z tego punktu widzenia powierzchnia planety powinna pociemnieć w tej samej chwili, w której gwiazda się zapada. Wynika to stąd, że zarówno informacja o tym, że gwiazda się zapadła, jak i informacja o braku światła dotrą do planety w tym samym czasie: spóźnione, ale równoczesne! Chociaż ten aspekt zagadnienia został ukazany poprawnie, scenarzyści popełnili błąd, skracając bardzo czas opóźnienia. Dowiadujemy się, że sonda mająca zniszczyć gwiazdę dotrze do niej w ciągu 11 sekund od wystrzelenia z powierzchni planety. Sonda porusza się z prędkością podświetlną; możemy być tego pewni, ponieważ do czasu, gdy mieszkańcy planety ujrzą zapadającą się gwiazdę, upływa znacznie mniej niż 2 razy po 11 sekund, co oznacza, że podróż powrotna światła musiała trwać o wiele krócej niż 11 sekund. Dla porównania, Ziemia znajduje się w odległości 8 minut świetlnych do Słońca. Gdyby Słońce eksplodowało w tej chwili, dowiedzielibyśmy się o tym dopiero za 8 minut. Trudno uwierzyć, żeby planeta klasy M mogła istnieć w odległości 10 sekund świetlnych od spalającej wodór gwiazdy, takiej jak Słońce. Jest to odległość tylko pięciokrotnie większa od rozmiarów Słońca - o wiele za blisko, by można było tam wygodnie żyć.

TO SCENARIUSZ TRZESZCZY, A NIE HORYZONT ZDARZEŃ. Chociaż obiecałem, że nie będę się zajmował technicznym pseudożargonem, nie mogę nie wspomnieć, że seria Voyager jest pod tym względem bezkonkurencyjna. Gdy Voyager próbuje dotrzeć do domu, podróżując w czasie z regularnością metra w godzinach szczytu, można usłyszeć każde żargonowe wyrażenie znane współczesnej fizyce. Terminy fizyczne zwykle jednak coś znaczą, więc gdy używa się ich tylko po to, by pchnąć akcję do przodu, błędy są nieuniknione. W rozdziale trzecim wspomniałem, że odgłos towarzyszący wyrwaniu się z horyzontu zdarzeń - ratuje to Voyagera w nieudanym odcinku Bakteriofagi - brzmi dla fizyków szczególnie niedorzecznie. „Trzask” horyzontu zdarzeń jest mniej więcej tak samo prawdopodobny, jak odcięcie jednego końca koła lub bycie trochę w ciąży. Horyzont zdarzeń wokół czarnej dziury nie jest obiektem fizycznym, lecz miejscem określającym obszar, w którym wszystkie tory obiektów pozostają wewnątrz czarnej dziury. To, że trajektoria jakiejkolwiek cząstki, ze światłem włącznie, ulega zakrzywieniu w kierunku czarnej dziury, gdy znajdzie się wewnątrz obszaru o pewnym promieniu, jest własnością zakrzywionej przestrzeni. Albo horyzont zdarzeń istnieje - a wtedy istnieje także czarna dziura - albo nie. Nie istnieje obszar pośredni, przez który mogłaby się prześlizgnąć igła, nie mówiąc o Voyagerze.

CZY MOŻNA DOTKNĄĆ DOKTORA? Muszę przyznać, że moim ulubionym technicznym błędem w serii Voyager jest holograficzny doktor. W trakcie pewnej wspaniałej sceny pacjent pyta doktora, w jaki sposób może on go dotykać, skoro jest tylko hologramem. Dobre pytanie. W odpowiedzi doktor wyłącza „wiązkę magnetycznie wiążącą”, aby pokazać, że bez niej jest równie bezcielesny jak fatamorgana. Później rozkazuje, aby ponownie włączono wiązkę, gdyż musi dokończyć badanie pacjenta. Jest to wspaniały epizod, ale, niestety, nieprawdopodobny. Jak pisałem w rozdziale szóstym, magnetyczne wiązanie czyni cuda w przypadku naładowanych cząstek, na które w stałym polu magnetycznym działa siła zmuszająca je do ruchu po orbitach kołowych. Światło nie ma jednak ładunku elektrycznego. W polu magnetycznym nie działa na nie żadna siła. Hologram, a zatem i doktor, jest jedynie obrazem świetlnym.

CO JEST BARDZIEJ WRAŻLIWE: TWOJE RĘCE CZY TYŁEK? ALBO: ZMIENIAĆ CZY NIE ZMIENIAĆ FAZY? Twórcom Star Trek udało się popełnić kiedyś coś, co nazywam haniebnym błędem ducha. Mam na myśli nakręcony niedawno film pod tytułem Uwierz w ducha, w którym główny bohater, duch, przechodzi przez ściany i nie potrafi podnosić przedmiotów, ponieważ jego ręce przenikają przez nie. Kiedy jednak siada na krześle lub kanapie, w cudowny sposób jego pośladki znajdują wygodne oparcie. Podobnie ziemia pod jego stopami pozostaje całkiem twarda. W poprzednim rozdziale wspominałem, że w jednym z odcinków Geordi LaForge i Ro Laren byli „niezgodni w fazie” ze zwykłą materią dzięki romulanskiemu „generatorowi interfazy”. Ku swojemu zaskoczeniu odkrywają, że są niewidzialni ł mogą przechodzić przez ludzi i ściany. Ro zaczyna wierzyć, że umarła (może w młodości widziała w jakimś starym kinie powtórkę Uwierz w ciucha). Geordi i Ro mogą jednak bezkarnie stać na podłodze i siedzieć na krzesłach. Materia jest materią, a krzesła i podłogi niczym się nie różnią od ścian i, o ile wiem, stopy ł pośladki nie są bardziej ani mniej cielesne niż ręce.

Nawiasem mówiąc, w tym samym odcinku był jeszcze jeden słaby punkt, który łamie spójność wielu innych wydarzeń w serialu. W fizyce dwa przedmioty, które oddziałują z czymś trzecim, zawsze mogą oddziaływać ze sobą. Prowadzi nas to z powrotem do pierwszego prawa Newtona. Jeśli wywieram na Ciebie siłę, Ty działasz na mnie z siłą równą co do wartości i przeciwnie skierowaną. Jeśli zatem Geordi i Ro mogli obserwować Enterprise ze swojej nowej „fazy”, musieli oddziaływać ze światłem falą elektromagnetyczną. Wystarczy posłużyć się prawem Newtona, aby stwierdzić, że oni również powinni być widoczni. Szkło pozostaje niewidoczne, ponieważ nie pochłania

widzialnego światła. Aby widzieć - to znaczy odczuwać światło -musisz je pochłaniać. Pochłaniając je, wywierasz na nie wpływ. A skoro tak, musisz być widoczny dla kogoś innego. Tak samo dzieje się w przypadku niewidzialnych owadów z innej fazy, które zaatakowały Enterprise, przyczepiając się do ciał załogi w odcinku Urojenia serii Następne pokolenie. Siła, która pozwala im spoczywać na zwyczajnej materii, nie przechodząc przez nią, to właśnie elektromagnetyzm - elektrostatyczne odpychanie między naładowanymi cząstkami wchodzącymi w skład atomów jednego i drugiego ciała. Jeśli oddziałujesz elektromagnetycznie, jesteś częścią naszego świata. Coś za coś.

WYLEWANIE DZIECKA Z KĄPIELĄ. W odcinku Kopalnia serii Następne pokolenie statek Enterprise dokuje w Ciągu Remmleranskim, aby poddać się „usuwaniu barionów”. Wygląda na to, że te cząstki osadzają się na konstrukcjach statku w wyniku długotrwałej podróży z prędkościami czasoprzestrzennymi i muszą zostać usunięte. Podczas tego „odkurzania” załoga musi się ewakuować, ponieważ wiązka oczyszczająca jest zabójcza dla żywej tkanki. Nie da się jednak ukryć, że jedynymi stabilnymi barionami są protony i neutrony, tworzące jądra atomowe. Ponieważ wszystko, co widzimy, składa się z tych cząstek, po usunięciu ich z Enterprise nie zostałoby ze statku zbyt wiele na następne odcinki.

JAK ZIMNE MOŻE BYĆ ZIMNO? Ulubiona gafa mojego kolegi i wielbiciela Star Trek, Chucka Rosenblatta, to ochładzanie przedmiotów do temperatury -295°C. Jest to bardzo ekscytujące odkrycie, ponieważ w skali Celsjusza absolutnemu zeru odpowiada -273°. Jak wynika z samej nazwy, zero absolutne to najniższa temperatura, jaką może osiągnąć ciało, gdyż w tej temperaturze ustają wszelkie ruchy cząsteczkowe i atomowe, drgania i obroty. Chociaż osiągnięcie tej teoretycznej granicy jest niemożliwe, układy atomowe udało się schłodzić do temperatury nie większej niż jedna milionowa stopnia powyżej zera absolutnego (ostatnio osiągnięto nawet temperaturę dwóch miliardowych stopnia). Temperatura związana jest z ruchami cząsteczek i atomów, a nigdy nie można mieć mniej niż zero ruchu. A zatem nawet za 400 lat absolutne zero ciągle będzie absolutne.

WIDZIAŁEM ŚWIATŁO! Czuję się nieco zakłopotany, gdyż muszę przyznać, że na ten oczywisty błąd, który sam powinienem był zauważyć, zwrócił mi uwagę student pierwszego roku fizyki, Ryan Smith, gdy podczas wykładu wspomniałem, iż piszę tę książkę. Za każdym razem, gdy Enterprise wysyła promień fazera, widzimy go. Oczywiście jest to niemożliwe, jeśli fazer nie emituje światła we wszystkich kierunkach. Światło widoczne jest dopiero wtedy, gdy się od czegoś odbije. Każdy, kto kiedykolwiek uczestniczył w pokazie, na którym prelegent posługiwał się wskaźnikiem laserowym - zazwyczaj są to czerwone lasery helowo-neonowe - pamięta zapewne, że widoczna jest tylko plamka w miejscu, gdzie promień pada na ekran, nie widać natomiast nic pomiędzy wskaźnikiem a ekranem. Cały promień można dostrzec tylko wówczas, gdy w pomieszczeniu rozpyli się kurz, na przykład uderzając o siebie dwie suche gąbki do wycierania tablicy. (Warto tego spróbować - widok jest rzeczywiście niezwykły). Podczas widowisk laserowych światło przepuszcza się przez dym lub wodę. Jeśli zatem pusta przestrzeń nie jest szczególnie zapylona, nie powinniśmy zobaczyć promienia fazera aż do momentu, gdy dotrze on do celu.

ASTRONOMOWIE SĄ WYBREDNI. Nie powinno nas dziwić, że wielu ludzi znajduje w serialu błędy fizyczne związane z ich własnym obszarem zainteresowań. Gdy pytałem różne osoby o przykłady, po odpowiedziach można było odgadnąć, czym się zajmują. Za pomocą poczty elektronicznej otrzymałem kilka sugestii od astronomów-trekkerów, którzy zauważyli niektóre subtelne błędy w Stor Trek. Pewien student astronomii wykazał, że mimo dużego wysiłku scenarzystów, by wykorzystać nieco prawdziwej astronomii, rezultat rozminął się z prawdą. Żywiąca się energią forma życia w odcinku Dziecko galaktyki okazuje się młodą istotą, która bierze Enterprise za swoją matkę i zaczyna wysysać jego energię. LaForge w samą porę wpada na pomysł, w jaki sposób pozbyć się „dziecka”. Reaguje ono na promieniowanie o długości fali 21 centymetrów, emitowane przez Enterprise. Zmieniając częstość emisji, załoga psuje „mleko” i „dziecko” daje za wygraną. Odcinek ten jest interesujący, choć zawiera błąd. Scenarzyści chcieli wykorzystać to, że promieniowanie o długości 21 centymetrów jest najpowszechniejszym promieniowaniem emitowanym przez wodór; astronomowie posługują się nim do stworzenia map występowania gazu międzygwiazdowego (wspomniałem o tym w rozdziale ósmym). Scenarzyści przyjęli jednak, że wszystko, łącznie z Enterprise, emituje takie promieniowanie. Tymczasem przejście atomowe w wodorze, odpowiedzialne za to promieniowanie, jest niezwykle rzadkie: konkretny atom w przestrzeni międzygwiazdowej może wysłać falę o takiej długości średnio tylko raz na 400 lat. Ponieważ jednak Wszechświat jest wypełniony wodorem, promieniowanie to jest wystarczająco silne, aby można je było wykryć na Ziemi. W tym przypadku oceniłbym więc wysiłki scenarzystów na 6 i obniżył tę ocenę na 5+ za złą interpretację; uchodzę jednak za pobłażliwego egzaminatora.

Pewien pracownik NASA zwrócił mi uwagę na błąd, którego sam nie zauważyłem, a który ktoś pracujący dla NASA powinien wychwycić. Standardowym sposobem poruszania się statków kosmicznych jest okrążanie planet po orbitach geostacjonarnych - okres orbitalny statku jest wtedy taki sam jak okres obrotu planety wokół osi. Statek powinien się więc znajdować cały czas nad tym samym miejscem na powierzchni planety, jak w przypadku satelitów meteorologicznych, krążących wokół Ziemi. Gdy jednak Enterprise obiega planetę, zazwyczaj pokazane jest, że porusza się na tle jej powierzchni. A jeśli nie znajduje się on na orbicie geostacjonarnej, pojawiają się poważne problemy z przesyłaniem za pomocą transportera.

TE PRZEKLĘTE NEUTRINA. Muszę chyba jeszcze raz powrócić do neutrin. Ponieważ niewiele dotąd pisałem o serii Stacja kosmiczna, wspomnę przynajmniej o błędzie, o którym powiedział mi David Brahm, jeszcze jeden fizyk-trekker. W jednym z odcinków Quark dysponuje urządzeniem, które w swoim otoczeniu zmienia prawa prawdopodobieństwa. Można sobie wyobrazić, jak użyteczne byłoby ono przy jego stołach do gry, dając mu przewagę; tej pokusie jako Fereng nie mógłby się oprzeć. Podstęp odkrywa jednak Dax, która przypadkowo analizuje strumień neutrin przepływający przez stację. Ku swojemu zaskoczeniu zauważa ona, że wszystkie neutrina są lewo-skrętne - to znaczy wszystkie obracają się w jednym kierunku względem swojego ruchu. Coś musi być nie w porządku! Wygląda na to, że brakuje neutrin obracających się w przeciwnym kierunku!

Niestety, ze wszystkich zjawisk, jakimi mogli posłużyć się scenarzyści Star Trek, aby zdemaskować oszustwa Quarka, wybrali wariant, który jest zawsze prawdziwy. O ile nam wiadomo, neutrina są tylko lewoskrętne! To jedyne znane nam cząstki w przyrodzie, które mogą istnieć tylko w jednym stanie spinu. A zatem na podstawie wyników swej analizy Dax miałaby wszelkie powody, aby wierzyć, że wszystko jest w porządku.

Przykład ten jest bardzo przewrotny, przynajmniej dla mnie, z tego samego powodu, dla którego fizyka świata Star Trek jest tak ciekawa: czasem prawda jest dziwniejsza od fikcji.

EPILOG

I to by było wszystko, jeśli chodzi o błędy i fizykę. Jeżeli nie wymieniłem Twojego ulubionego błędu w serialu lub nie nawiązałem do Twojej ulubionej dziedziny fizyki, możesz przesłać swe uwagi memu wydawcy. Jeśli uzbiera się ich wystarczająco dużo, pomyślimy, podobnie jak w przypadku serialu Stor Trek, o dalszym ciągu. Mam już nawet tytuł: Fizyka podróży międzygwiezdnych II: Gniew Kraussa.

Zakończenie książki rozdziałem na temat naukowych nieścisłości w serialu nie miało na celu przesadnego karcenia twórców Stor Trek. Chciałem raczej pokazać, że podczas oglądania serialu można się dobrze bawić na wiele sposobów. Jestem pewien, że dopóki emitowany będzie serial Star Trek, coraz to nowe fizyczne fawc pas będą dostarczać wszystkim trekkerom - od uczniów szkół średnich do profesorów uniwersytetu - tematów do rozmów. A dla scenarzystów i producentów wyzwaniem będzie nadążanie za wciąż poszerzającym swe horyzonty światem fizyki.

Zakończę tę książkę tam, gdzie ją zacząłem: mówiąc nie o błędach, lecz o możliwościach. Naszą kulturę ukształtowały cuda współczesnej fizyki - do współczesnych zaliczam tutaj Galileusza i Newtona - na równi z każdym innym wysiłkiem intelektualnym ludzkości. Obecnie tak się nieszczęśliwie składa, że nauka uważana jest niesłusznie za coś odrębnego od kultury, lecz w rzeczywistości jest ona żywą częścią składową naszej cywilizacji. Wyniki badań nad Wszechświatem to najbardziej godne uwagi odkrycia ludzkiego intelektu i szkoda, że

nie dzieli ich z nami publiczność tak szeroka, jak w przypadku dzieł wielkiej literatury, malarstwa czy muzyki.

Podkreślając potencjalną rolę nauki w rozwoju rodzaju ludzkiego, Star Trek w zabawny sposób ukazuje silny związek między nauką i kulturą. Kilkakrotnie wyrażałem opinię, że nauka XXIII stulecia w bardzo małym stopniu ma szansę przypominać wytwory wyobraźni scenarzystów Star Trek; przypuszczam, że może okazać się jeszcze wspanialsza. W każdym razie jestem przekonany, że fizyka dnia dzisiejszego i jutra z pewnością określi charakter naszej przyszłości, podobnie jak fizyka Newtona i Galileusza ubarwia nasze istnienie w chwili obecnej. Zostałem naukowcem po części dlatego, że wierzyłem, iż nasz gatunek obdarzony jest potencjałem, który jeszcze przez długi czas będzie umożliwiał odkrywanie cudów Wszechświata. Podobny duch ożywia serial Stor Trek. Niech ostatnie słowo należy do Gene'a Roddenberry'ego. Przy okazji dwudziestopięciole-cia serialu Star Trek, na rok przed swoją śmiercią, powiedział on: „Człowiek jest niezwykłym stworzeniem o olbrzymim potencjale i mam nadzieję, że Star Trek pomógł nam uświadomić sobie, jacy możemy być, jeśli będziemy wierzyć w siebie i w swoje możliwości”.

PODZIĘKOWANIA

Pozostaję dłużnikiem wielu osób, które przyczyniły się do powstania tej książki. Jestem wdzięczny kolegom fizykom, którzy niezawodnie odpowiadali na prośby o pomoc. W szczególności dziękuję Stephenowi Hawkingowi za natychmiastową zgodę na napisanie przedmowy oraz Stevenowi Wein-bergowi, Sheldonowi Glashowowi i Kipowi Thorne'owi za podzielenie się ze mną swoimi przemyśleniami na temat serialu Star Trek. John Peoples, dyrektor Narodowego Laboratorium Akceleratorowego im. Enrico Fermiego, umożliwił mi opisanie sposobu produkcji i przechowywania antymaterii w Fermila-bie. Szczególnie dziękuję Judy Jackson z administracji Fermi-labu za pomoc i zdjęcia oraz mojemu koledze z Case Western Reserve University, Cyrusowi Taylorowi, który obecnie pracuje w Fermilabie, za udzielenie odpowiedzi na różne pytania natury technicznej. Paul Horowitz z Uniwersytetu Harvarda odpowiedział na moją prośbę o informacje na temat programów SETI oraz META, które prowadził; otworzył przede mną prawdziwą skarbnicę wiadomości na temat poszukiwań cywilizacji pozaziemskich oraz dostarczył zdjęcia ilustrujące te badania. George'owi Smootowi zawdzięczam wspaniałe zdjęcie naszej Galaktyki, wykonane przez COBE, a Philipowi Taylorowi źródło cytatu dotyczącego solitonów.

Wielu flzyków-trekkerów podzieliło się ze mną swoimi przemyśleniami na temat praw fizyki w świecie Star Trek. Szczególnie jestem wdzięczny: Markowi Srednickiemu, Martinowi Whi-te'owi, Chuckowi Rosenblattowi i Davidowi Brahmowi za

wskazanie użytecznych przykładów z serialu. Chciałbym również podziękować trekkerom, którzy odpowiedzieli na moje pytanie (przesłane pocztą elektroniczną) o ulubione zagadnienia fizyczne i najciekawsze pomyłki, a zwłaszcza: Scottowi Specko-wi, „Westy'emu” z NASA, T. J. Goldstelnowi, Denysowi Proteau i J. Dildayowi - za utwierdzenie mnie w moim własnym wyborze lub zasugerowanie innych użytecznych przykładów. Jestem również wdzięczny wielu studentom z Case Western Reserve University, a zwłaszcza Ryanowi Smithowi, za gotowość do udzielania informacji.

Znaczący wkład wnieśli również inni trekkerzy. Chciałbym podziękować Annie Fortunato za przeczytanie l skomentowanie pierwszych wersji rękopisu i wiele użytecznych sugestii. Swoją opinię przekazał mi również Mark Landau z wydawnictwa HarperCollins. Jeffrey Robbins, w tym czasie redaktor w Oxford University Press, był łaskaw wskazać ważne źródło traktujące o napędzie czasoprzestrzennym. Mój wuj Herb Title, zapalony trekker, przeczytał rękopis, podobnie jak mój współpracownik Peter Keman. Obydwaj podzielili się ze mną cennymi uwagami. W wiele fragmentów rękopisu znaczący wkład wniosła moja żona Kate.

Jestem bardzo wdzięczny Gregowi Sweeneyowi i Janelle Ke-berle za udostępnienie mi ich kompletnej, skatalogowanej kolekcji kaset wideo ze Star Trek, którymi mogłem dysponować przez cztery miesiące w czasie pisania tej książki. Miały one dla mnie podstawowe znaczenie i posługiwałem się nimi nieustannie.

Szczególne podziękowania jestem winien redaktorce z Basic Books, Susan Rabiner, bez której ta książka nigdy by nie powstała. To Susan ostatecznie przekonała mnie, bym zajął się tym tematem, i zaraziła tym pomysłem wydawnictwa Basic i HarperCollins. Dziękuję również Kermitowi Hummelowi, prezesowi Basic Books, za jego poparcie i entuzjazm. Ostateczny kształt tej książki zależał w znacznym stopniu od wiedzy i umiejętności korektorki Sary Lipplncott. Wierzę, że liczne godziny spędzone przy faksie i telefonie znalazły odbicie w jakości tekstu.

Na koniec chciałbym podziękować dziekanowi, pracownikom i studentom College of Arts and Sciences oraz Wydziału Fizyki Case Western Reserve University za wsparcie, a często także wyrozumiałość, zwłaszcza w okresie, gdy praca nad książką dobiegała końca. Przyczynili się oni do utrzymania przyjacielskiej i pełnej zaangażowania atmosfery, która dodawała mi otuchy, kiedy tego najbardziej potrzebowałem.

Jak zawsze na wiele sposobów wspierała moje wysiłki rodzina. Kate i moja córka Lilly wiele razy do późna w nocy oglądały odcinki Star Trek, mimo że pewnie wolałyby wtedy spać.

1 W taki sposób mówią o sobie miłośnicy serialu Star Trek. W sieci Internet znaleźć można wiele redagowanych przez trekkerów list dyskusyjnych i stron poświęconych serialowi (przyp. tłum.).

2 Michael Okuda, Denise Okuda, Debbie Mirak: The Star Trek Encyclopedia, Pocket Books, Nowy Jork 1994.

3 Rick Stembach, Michael Okuda: Star Trek: The Next Generation - Technical Manual, Pocket Books, Nowy Jork 1991.