LAWRENCE M. KRAUSS

FIZYKA PODRÓŻY

MIĘDZYGWIEZDNYCH

( Przełożyli: Ewa L. Łokas; Bogumił Bieniok)

PRZEDMOWA

Było ml 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 Stor 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 Exctlsior.

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: „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 marmoladę. 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 milisekund. 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 = mc

2

, 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 O

22

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 pokolenie

1

. 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 2

10

= 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 O

28

(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 O

26

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 O

28

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 - mc

2

. 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 l0

28

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 l0

28

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 O

12

, 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 (10

21

) 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

10

25

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 10

25

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 10

33

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

dziesięcioleciu

1

). 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 m

3

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 m

3

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% atmosfery

3

. 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 10

17

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 (10

33

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 10

1812

, 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.