Fizycy na tropie wehikułu czasu
Fizycy na tropie wehikułu czasu 1
Naukowcy ukrywają swoje prawdziwe zainteresowania, używając terminów, takich jak "zamknięte krzywe czasowe", które oznaczają po prostu podróże w czasie. 1
Einstein zaniepokojony 1
Skok w przyszłość 2
Dziwny świat grawitacji 3
Fizycy wkraczają na teren fantastów 3
Poważnie o gumie 3
Jak ciągnąć pianino po dywanie? 4
Surfing na fali czasoprzestrzennej 5
Na logikę nie możliwe 5
Fizycy na tropie wehikułu czasu
Naukowcy ukrywają swoje prawdziwe zainteresowania, używając terminów, takich jak "zamknięte krzywe czasowe", które oznaczają po prostu podróże w czasie.
Tak twierdzi słynny współczesny fizyk Stephen Hawking, piastujący katedrę na Uniwersytecie Cambridge, którą wcześniej zajmowali m.in. Isaac Newton i Paul Dirac.
A jednak poważne prace nad podróżami w czasie wyszły w ostatnich kilku latach z "konspiracji". Ukazują się w renomowanych czasopismach naukowych, m.in. w "Physical Review", "Physical Review Leters". A wśród fizyków toczy się poważna debata, czy dwie teorie, które w tej chwili z powodzeniem opisują nasz Wszechświat - teoria względności i mechanika kwantowa, dopuszczają istnienie "zamkniętych krzywych czasowych" (ang. closed timelike curves). Wędrówka wzdłuż takiej krzywej prowadziłaby podróżnika w to samo miejsce w przestrzeni i czasie, tak jakby Philas Fogg po 80 dniach podróży dookoła Ziemi wrócił do Londynu dokładnie w tym samym czasie, w którym wyruszył.
Einstein zaniepokojony
Mało kto wie, że na problem możliwości istnienia maszyny czasu natknął się już sam Albert Einstein. Jego bliski przyjaciel i współpracownik, matematyk Kurt Godel, zabawiał się rozwiązywaniem równań teorii grawitacji Einsteina w różnych dziwnych przypadkach. Np. w 1949 r. rozważał Wszechświat, który cały powoli obraca się. Okazało się, że takie światy dopuszczają wędrówki w czasie. W "Reviews of Modern Physic" pisał: "Udając się w okrężną podróż w statku kosmicznym po wystarczająco szerokiej krzywej można w tych światach docierać do dowolnych obszarów przeszłości, teraźniejszości i przyszłości, tam i z powrotem".
Michio Kaku w książce "Hiperprzestrzeń" pisze, że Einstein zburzył naszą wiarę w czas absolutny, niezależny od przestrzeni i materii. Czas Einsteina przypomina potężną rzekę płynącą przed siebie, często meandrującą przez doliny i równiny. "Obecność materii i energii może chwilowo zmienić bieg rzeki, ale w ogólnych zarysach jej kierunek jest ustalony: nigdy nagle nie urywa się ani nie zawraca. Tymczasem Godel udowodnił, że rzekę czasu można łagodnie zawrócić. W końcu w rzekach mogą tworzyć się wiry. Choć rzeka płynie do przodu, na jej brzegach często powstają zatoki, gdzie woda płynie ruchem okrężnym" - dodaje Michio Kaku.
Z obserwacji astronomicznych wynika jednak, że choć Wszechświat się rozszerza, to jednak wcale się nie obraca. Dlatego pętle czasowe Godla zaniepokoiły Einsteina, ale w końcu zostały zignorowane, gdy okazało się, że na pewno nie dotyczą naszego świata.
Ale ziarnko niepewności zostało zasiane. Tym bardziej że równania Einsteina są trudne do rozwikłanie, a ich konsekwencję już nieraz zaskakiwały fizyków. Np. wynikała z nich możliwość istnienia tak niezwykłych tworów jak czarne dziury, w których czeluściach ginie bezpowrotnie materia i światło (ich istnienie potwierdzono na 99 proc.).
W latach 60. fizycy znaleźli mnóstwo innych zadziwiających rozwiązań równań Einsteina, opisujących np. czarne dziury - które tak jak w obracającym się wszechświecie Godla - umożliwiały poruszanie się wstecz w czasie. "Można znaleźć rozwiązanie równań pola, opisujące praktycznie dowolnie dziwne zachowanie" - pisał w 1976 r. w "Physical Review Letters" Frank Tipler z Uniwersytetu Tulane`a w Nowym Orleanie. Można jednak postawić pytanie, czy byty których istnienia nie zabraniają obowiązujące prawa natury, muszą istnieć w rzeczywistości?
Skok w przyszłość
Równie dziwnym efektem teorii Einsteina, choć już zakorzenionym w świadomości fizyków i którego istnienie potwierdzono eksperymentalnie, jest możliwość podróży w przyszłość.
W poruszającym pojeździe czas biegnie wolniej Podróż z prędkością bliską świetlnej do środka naszej galaktyki i z powrotem (choćby po to, by przekonać się, czy faktycznie, jak przypuszczają astronomowie, tkwi tam olbrzymia czarna dziura), trwała by dla załogi tylko kilka lat, ale na Ziemi upłynęło by w tym czasie kilkadziesiąt tysięcy lat.
Szybko poruszający się podróżnicy po prostu dokonują skoku w przyszłość. Taki efekt, zwany dylatacją czasu, został potwierdzony tysiące razy w ziemskich laboratoriach. Czas życia np. mionów - cząsteczek elementarnych, które normalnie szybko giną i rozpadają się - bardzo się wydłuża, gdy zostaną rozpędzone do ogromnych prędkości w akceleratorze. Jak mawiał prof. Andrzej Szymacha, mój wykładowca fizyki na Uniwersytecie Warszawskim, sceptyków, którzy nie wierzą w dylatację czasu, powinno przekonać to, że w doskonałej zgodności z teorią Einsteina od lat działają akceleratory, na których budowę wydaje się miliardy dolarów.
Dziwny świat grawitacji
Nie trzeba wcale się rozpędzać, żeby spowolnić bieg czasu. W polu grawitacyjnym zegar tyka wolniej niż w przestrzeni pozbawionej ciążenia. "Komuś obserwującemu Ziemię z góry wydawałoby się, że wszystko na jej powierzchni dzieje się wolniej" - pisał Stephen Hawking w swej "Krótkiej historii czasu". Istnienie takiego efektu sprawdzono w 1962 r. za pomocą pary bardzo dokładnych zegarów, zamontowanych na dole i na szczycie wieży ciśnień. To zjawisko ma spore znaczenie praktyczne, bo np. współczesne systemy nawigacyjne posługują się sygnałami z satelitów. Obliczając pozycję statku bez uwzględnienia różnicy czasów na różnych wysokościach, pomylilibyśmy się o dobrych kilka kilometrów.
Spowolnienie biegu czasu jest tym większe, im większa jest siła ciążenia. Na powierzchni nie musimy się nim przejmować w codziennym życiu, np. regulując zegarki w zależności od piętra na którym żyjemy lub pracujemy.
Ale w pobliżu bardzo ciężkich obiektów kosmicznych - np. czarnych dziur - z czasem mogą się dziać rzeczy zadziwiające.
Fizycy wkraczają na teren fantastów
Gdy uczeni zaczęli poważnie myśleć nad podróżami nie tylko w przyszłość, ale i również w przeszłość, weszli na teren okupowany dotąd przez science fiction.
Za przełomową datę uważa się rok 1988. Trzech fizyków - Kip Thorne i Michael Morris z California Institute of Technology oraz Ulvi Yurtsever z Uniwersytetu Stanu Michigan - zaproponowali po raz pierwszy na łamach "Physical Review Letters" budowę wehikułu czasu.
Redakcja ani recenzenci tego czasopisma nie odrzucili tekstu, ponieważ pomysł oparto na poważnych i poprawnych wyliczeniach wynikających wprost z teorii grawitacji Einsteina.
Fizycy ci wymyślili obiekt, który po polsku nosi nazwę tunelu w czasoprzestrzeni (ang. wormholes, czyli tuneliki drążone przez robaki np. w jabłku). Wkraczając w jeden z jego wylotów w określonym miejscu i czasie podróżnik mógłby wyjść drugim końcem w zupełnie innym miejscu (np. skracając sobie drogę do najjaśniejszej na niebie gwiazdy Syriusza, odległej o 8,7 lat świetlnych).
Poważnie o gumie
Jak takie tunele są możliwe? Nie obędzie się bez krótkiego przedstawienia teorii grawitacji, ale bez jej równań matematycznych, bo parafrazując słowa Hawkinga - każde równanie, które umieściłbym w tekście, zmniejszyłoby liczbę jego czytelników o połowę.
Teoria grawitacji Einsteina w jednym zdaniu genialnie streścił prof. Alan Guth z Massachusetts Institute of Technology - "przestrzeń mówi materii, jak ma się poruszać , a materia mówi przestrzeni, jak ma się zakrzywiać".
Wyobraźmy sobie Wszechświat jako naciągniętą płachtę gumy. Gdy położymy na niej kulę (czyli gwiazdę w tym uprostszczonym świecie), ona zagłębi się w gumie tym bardziej, im jest cięższa ("materia mówi przestrzeni jak się ma zakrzywiać"). Wyobraźmy sobie teraz, że druga lżejsza kula porusza się po gumowej płachcie. Gdy trafi na zagłębienie, które wyrzeźbiła ciężka kula, stoczy się do jego wnętrza (to właśnie przejaw siły grawitacji, czyli "zakrzywiona przestrzeń mówi materii, jak ma się poruszać").
Według teorii Einsteina nasz wszechświat jest skonstruowany w podobny sposób, tyle że ma więcej wymiarów - trzy przestrzenne i jeden czasowy. Czas i przestrzeń są plastyczne, a rękę rzeźbiarza, który je formuje, reprezentuje materia i energia.
"Ogólna teoria względności Einsteina stwarza możliwości zakrzywienia czasoprzestrzeni i stworzenia drogi na skróty między miejscami, które się chce odwiedzić" napisał Stephen Hawking w przedmowie książki "Fizyka podróży międzygwiezdnych". "Takie zakrzywienie czasoprzestrzeni może być w przyszłości wykonalne. Jak do tej pory nie prowadzono w tej dziedzinie poważnych badań, po części, jak sądzę, dlatego że przypomina to fantastykę naukową. Można sobie jednak wyobrazić krzyk, jaki podniosłaby opinia publiczna w obronie pieniędzy podatników, gdyby ogłoszono, że rządowe agendy wspierają badania nad podróżami w czasie" - dodaje.
Hawking ma zapewne rację, bo przecież zaledwie kilka lat temu amerykańska agencja kosmiczna NASA zaprzestała finansowania programu SETI, który miał na celu poszukiwanie sygnałów od pozaziemskich cywilizacji (również "niepoważny" pomysł jak podróże w czasie). Odtąd SETI wspierają fundusze prywatne.
Jak ciągnąć pianino po dywanie?
Łatwiej jest dowieść, że coś może istnieć, niż w praktyce to coś skonstruować. Michio Kosku porównuje wykonanie tunelu czasoprzestrzennego i potem podróż przez jego wnętrze do przyciągania pianina stojącego na dywanie. Jeśli jesteśmy dostatecznie silni, a podłoga odpowiednio śliska, możemy chwycić pianino na lasso i ciągnąć, aż dywan zacznie się pod nim zwijać. Jeśli pociągniemy dość mocno, stół zbliży się do nas, a odległość między stołem a nami "zniknie", przekształcając się w masę pofałdowanego dywanu. Wtedy przeskoczymy po prostu przez "zakrzywienie dywanu". Słowem, prawie w cale nie poruszyliśmy się - to przestrzeń między nami i stołem się skurczyła, a my po prostu przekroczyliśmy tą zmniejszoną odległość.
Brzmi to zachęcająco, ale po wyliczeniu okazuje się jednak, że aby podobne do "ciągnięcia lassem pianina" sfałdować przestrzeń pomiędzy nami i najbliższą Słońcu gwiazdą potrzeba niewyobrażalnej ilości energii, której ludzkość nie zdołałaby zgromadzić w najbliższego stulecia (potrzeba energii, bo to ona "mówi" czasoprzestrzeni, jak się ma "pofałdować").
Po drugie do budowy tuneli w czasoprzestrzeni potrzeba by nietypowego budulca, którego na razie nie ma na rynku. Chodzi o dziwną, egzotyczną materię, która zamiast przyciągać, będzie odpychać otaczające ciała. Chodzi o to, że znana nam materia, która charakteryzuje się grawitacyjnym przyciąganiem, potrafi - mówiąc w uproszczeniu - zakrzywiać przestrzeń tylko w jedną stronę (przypomnijmy sobie porównanie czasoprzestrzeni do płachty z gumy: kule z normalnej materii mogą zrobić tylko "zagłębienie" w gumie, a nie ma sposobu, żeby zrobić "górkę"). Takiej egzotycznej, odpychającej materii jeszcze nie odkryto, choć niektórzy fizycy sądzą, że ona istnieje, a może istniała tuż po Wielkim Wybuchu. Do jej odkrycia mogą się przyczynić Polacy, ponieważ polski astronom Bogdan Paczyński zaproponował niedawno metodę, jak poszukiwać niewidocznych, czarnych obiektów kosmicznych.
Dwa lata temu polscy astronomowie zaobserwowali w ten sposób nietypowy sygnał, podobny do sygnału, jaki dałaby gwiazda zbudowana z tej dziwnej, odpychającej materii. Ale okazało się, że nie były to wrota do tunelu czasoprzestrzennego, ale coś równie egzotycznego: dwie czarne dziury, okrążające się wzajemnie.
Surfing na fali czasoprzestrzennej
W 1994 roku Miguel Alcubierre z Uniwersytetu Walii zaproponował inną metodę podróży w czasoprzestrzeni, nie wymagającą konstruowania tuneli.
Alcubierre odkrył, że prawa fizyki nie nakładają ograniczenia na prędkość deformowania czasoprzestrzeni. W płaskiej, nie zakrzywionej przestrzeni zabroniona jest jazda z prędkościami ponadświetlnymi, ale to zmienia się, gdy mamy do czynienia z zakrzywioną przestrzenią. Przestrzeń pomiędzy dwoma punktami może się jak guma rozszerzać, a wtedy te dwa punkty, w innym wypadku nie ruchome, poruszają się względem siebie.
Statek kosmiczny pomysłu Alcubierr`a jest otoczony bąblem zakrzywionej czasoprzestrzeni. Przed statkiem czasoprzestrzeń się kurczy, a za statkiem - rozszerza. Można sobie w uproszczeniu wyobrazić, że statek surfuje na czasoprzestrzennej fali. W środku bąbla czasoprzestrzeń jest płaska, czyli załoga znajduje się bezpiecznie w zerowej grawitacji. Sam bąbel może się poruszać z prędkością nieograniczoną - pisze Paul Parsons w "Science". A w tym roku A.E. Everett w "Physical Review" wykazał, że w ten sposób nie tylko można połykać w mgnieniu oka ogromne przestrzenie, można się również cofnąć w czasie.
Na logikę nie możliwe
A przecież wydaje się, że podróże w czasie zaprzeczają zdrowemu rozsądkowi. Paradoksy z tym związane były i są pożywką wielu powieści science fiction. Np. wsiadamy do maszyny czasu, cofamy się w czasie i sprawiamy, że nasi rodzice w ogóle się nie narodzili. Likwidujemy w ten sposób przyczynę naszego istnienia.
Żeby pogodzić podróżowanie w czasie z logiką, chwytano się różnych sposobów. Hugh Everett w 1957 roku wysunął hipotezę, że istnieje wiele światów. To znaczy, że gdybyśmy cofnęli się w czasie, trafilibyśmy do jakiegoś innego, równoległego świata. Ta koncepcja zakłada, że w każdej chwili teraźniejszość rozwarstwia się na wiele wszechświatów, w których zaczynają się i dzieją wszystkie możliwe do rozpoczęcia w tej chwile historie (podobnie jak z drzewa wyrastają gałęzie, a z gałęzi mniejsze gałązki itd.). Inni spekulują, że są jakieś zasady, jeszcze nieznane, które przeszkodzą podróżującemu w czasie na zmianę okoliczności, które mogą wpłynąć na jego przyszłość. Każdy by się zmartwił, gdyby wrócił z przeszłości i zastał swoje mieszkanie wynajęte, firmę zbankrutowaną, przyjaciół zmienionych we wrogów.
Natomiast Stephen Hawking twierdzi, że muszą istnieć takie prawa fizyki, które będą w ogóle zakazywały cofania się w czasie, ponieważ gdyby to było możliwe, "dziś przeżywalibyśmy inwazję hord turystów z przyszłości".
Być może już istniejące prawa mechaniki kwantowej zabraniają podróży w przeszłość, ale nikt tego nie wie na pewno. Nie wykluczone, że wszystkie rozwiązania równań Einsteina, które okazują się tunelami w czasoprzestrzeni i sugerują możliwość podroży w czasie, są nie stabilne. To znaczy, że najmniejsze zaburzenie, takie jak np. obecność astronauty w tunelu, może tak zmienić rozwiązanie, że tunel zamknie się.
Przede wszystkim trzeba jednak dodać, że we wszystkich opisywanych konstrukcjach w grę wchodzą tak wielkie ilości energii, że dochodzimy do granic stosowalności teorii Einsteina. Ogromne ilości energii potrzebne, żeby zakrzywić czas w pętlę, powodują, że równania Einsteina przestają wtedy obowiązywać. Nie znamy jeszcze praw fizyki, które opowiedziałyby, co się dzieje np. w samym środku czarnej dziury. Dlatego wydaje się, że trzeba poczekać na sformułowanie bardziej ogólnej teorii natury - kwantowej teorii grawitacji - żeby odpowiedzieć na pytanie, czy istnienie tuneli w czasoprzestrzeni i podróży w przeszłość jest możliwe.
Wielu fizyków zgadza się z Hawkingiem, guru współczesnej fizyki, że mechanika kwantowa może usunąć osobliwości przewidziane w ramach teorii grawitacji Einsteina. Podobnie jak np. okazało się, że zapadanie się materii w czarną dziurę nie jest nieodwracalne, bo - jak właśnie wykazał Hawking - czarne dziury z czasem powinny "wyparować".
Przepisane z:
" Gazeta Magazyn" - dodatek do "Gazety Wyborczej" nr 44 (192) piątek 8 listopada 1996
Artykuł Piotra Cieślińskiego pt. "Fizycy na tropie wehikułu czasu" - S.24-26
Data dodania: 2002-04-12
Autor pracy: JOJO