Struny, wehikuły i bliźniaki. Czy podróże w czasie są możliwe?

Podróże w czasie są jednym z wielkich, niezrealizowanych marzeń ludzkości, więc naukowcy wpadli na wiele pomysłów, mogących je urzeczywistnić. Ale czy obecny stan wiedzy pozwala na wcielenie któregokolwiek z nich w życie?

Może się to wydać dziwne, ale przyspieszanie czasu jest możliwe, przynajmniej na bardzo niewielką skalę. Co więcej, istnieją ludzie, którzy doświadczyli tego fenomenu.

Zgodnie ze szczególną teorią względności Einsteina, upływ czasu jest związany z prędkością poruszania się danego obiektu, co zostało nazwane dylatacją czasu, a w tym konkretnym przypadku dylatacją kinetyczną. Oznacza to, że im szybciej porusza się dany obiekt, tym bardziej jego czas zwalnia, w stosunku do innych, pozostających w miejscu lub poruszających się wolniej.

Klasycznym tego przykładem jest paradoks bliźniąt. W wielkim skrócie polega on na tym, że na Ziemi żyje dwóch dwudziestoletnich bliźniaków, z których jeden wyrusza w pięcioletnią podróż kosmiczną, przemieszczając się z prędkością bliską prędkości światła. „Jeśli bliźniak poleci do najbliższej gwiazdy, odległej od nas o 4,5 roku świetlnego, z prędkością stanowiącą 8. proc. prędkości światła, gdy wróci na Ziemię będzie o 5 lat starszy. Ale bliźniak, który pozostał na Ziemi, będzie starszy o 10 lat” - wyjaśnia fizyk i matematyk, prof. Subhash Kak.
W rzeczywistości tak zwany paradoks nie jest paradoksem, tylko zadziwiającym faktem, który znajduje rozwiązanie dopiero na gruncie ogólnej teorii Einsteina i został już udowodniony doświadczalnie. W taki właśnie sposób zachowują się cząstki elementarne, które zwykle poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Naukowcy przeprowadzili również eksperyment polegający na umieszczeniu na pokładzie samolotu niezwykle dokładnego zegara, który również potwierdził istnienie wspomnianej zależności.

Innym sposobem na zakłócanie przebiegu czasu jest dylatacja grawitacyjna, czyli zastosowanie pola grawitacyjnego. Ma ono tę właściwość, że zakrzywia czasoprzestrzeń, zatem wpływa jednocześnie na przestrzeń i czas. Kiedy obiekt znajdzie się w strefie oddziaływania takiego pola, jego czas zwolni z punktu widzenia obserwatora nie poddanego wpływowi pola. Jednocześnie im silniejsze jest pole, tym czas bardziej zwalnia.

Tego efektu doświadczają nawet astronauci znajdujący się na wahadłowcu kosmicznym lub Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, oczywiście na znacznie mniejszą skalę. Czas płynie wolniej na powierzchni Ziemi, niż wysoko nad jej powierzchnią, gdyż na powierzchni potencjał grawitacyjny ma mniejszą wartość.

W 196. r. amerykański fizyk Irving Shapiro podczas bardzo skomplikowanego eksperymentu zmierzył opóźnienie czasu na Słońcu w stosunku do czasu ziemskiego, mierzonego na poziomie morza i wykazał, że co prawda jest ono nieznaczne, rzędu jednej dziesięciotysięcznej sekundy, ale bez wątpienia istnieje.
W 196. r. dwaj amerykańscy fizycy Robert Pound i Glen Rebka zmierzyli różnicę czasu występującą na różnych wysokościach na Ziemi. Porównali szybkość upływu czasu u podstawy wieży i na wysokości 22,6 m. Z teorii wynikało, że różnica czasu powinna być niezwykle mała - zaledwie trzy dziesięciotysięczne jednej miliardowej części sekundy, ale - dzięki zastosowaniu niezwykle pomysłowego "zegara" - naukowcom udało się zmierzyć tę różnicę i tym samym dowieść prawdziwości teorii względności Einsteina.
Osobą, której dzięki powyższej metodzie udało się podróżować najdalej w przyszłość, jest rosyjski kosmonauta Siergiej Krikalow, który spędził 78. dni na pokładzie stacji Mir. Ze względu na dużą prędkość stacji i długi pobyt, udało mu się wybiec w przyszłość około 1/50 sekundy względem ludzi pozostałych na Ziemi.

Jak zbudować wehikuł czasu. Nauka a podróże w przeszłość i w przyszłość

Ogólna teoria względności Einsteina zakłada istnienie czarnych dziur. Są to miejsca w przestrzeni, gdzie pole grawitacyjne jest tak silne, że cokolwiek znajdzie się w jego zasięgu, wpada tam i nie może się wydostać, co dotyczy nawet światła. Wszystkie drogi ucieczki prowadzą z powrotem do środka. Przypomina to sytuację marynarza, który próbuje znaleźć koniec świata - dokądkolwiek by nie popłynął, zawsze będzie znajdował jakieś lądy lub morza, a w końcu i tak wróci do punktu wyjścia.

Astronomowie są już niemal pewni, że odnaleźli dowody istnienia wielu czarnych dziur. W 197. r. genialny fizyk teoretyk Stephen Hawking, spec od czarnych dziur, oraz amerykański fizyk Kip Thorne założyli się o to, czy w odkrytym dwa lata wcześniej układzie gwiezdnym Łabędzia obiekt oznaczony X-1 jest czarną dziurą czy nie. Hawking twierdził, że nie. Gdyby przegrał, miał opłacić Thorne'owi roczną prenumeratę znanego i lubianego przez facetów pisma "Penthouse", gdyby zaś wygrał, przez rok otrzymywałby pismo "Private Eye". Przez wiele lat zakład pozostawał nierozstrzygnięty, lecz gdy pewnego dnia 1990 r. Thorne otrzymał pierwszy egzemplarz "świerszczyka", stało się jasne, że Hawking się poddał.
Czarne dziury to niezwykłe obiekty. Wiadomo, że w każdej dziurze tkwi osobliwość. Jest to miejsce gdzie krzywizna czasoprzestrzeni staje się nieskończona, a oddziaływanie grawitacyjne jest nieskończenie silne. Tam nawet czasoprzestrzeń rozpada się na kawałki, tak zwane czasowe kwanty Plancka. W tym miejscu czas się kończy.

Niemniej jednak czarne dziury dają szansę na błyskawiczne podróże w odległe rejony wszechświata lub nawet do innych wszechświatów, które to podróże są jednocześnie podróżami w czasie. Wszystko dzięki zakrzywianiu czasoprzestrzeni.

Według naukowców czasoprzestrzeń posiada więcej niż cztery wymiary (zgodnie z obecnym stanem wiedzy jest ich aż 11. i, w wielkim uproszczeniu, wygląda jak sprężysta, gumowa piłka. Jeśli na ową gumę położymy metalową kulkę, guma pod nią lekko się ugnie. Zakrzywiona przestrzeń wokół kulki oznacza grawitację, która jest niczym innym, jak właśnie zakrzywieniem przestrzeni wokół ciężkiego obiektu. A im obiekt jest masywniejszy, tym guma bardziej się zapada i tym samym zakrzywienie, a więc i grawitacja, jest większe. Czarna dziura jest tak masywna i tak dalece naciąga tkankę czasoprzestrzeni, że przerywa ją. Stąd wzięło się przypuszczenie, że tworzy przejścia do innych przestrzeni lub wszechświatów, a zatem i do innych czasów.
Albert Einstein, wraz ze swym współpracownikiem Nathanem Rosenem, stworzyli model takiego tunelu, opartego na czarnej dziurze. Po jednej jego stronie znajduje się czarna dziura, po drugiej jej przeciwieństwo - biała dziura, który wypluwa z siebie wszystko, nic więc nie może do niej wpaść. Niestety, matematyczne obliczenia wskazały, że ten twór, tzw. most Einsteina-Rosena, jest tak niestabilny, że najmniejsza ilość energii, która się tam dostanie, natychmiast powoduje jego zamknięcie, a biała dziura zamienia się w czarną. Ustabilizowanie mostu jest teoretycznie możliwe, jednak trzeba go wówczas wypełnić egzotyczną materią (odpychającą grawitacyjnie).

Założenia wspomnianego mostu stworzono w oparciu o czarną dziurę stworzoną z gwiazdy, która się nie obracała. W 1963 r. nowozelandzki matematyk Roy Kerr obliczył, że jeśli czarna dziura powstanie z obracającej się gwiazdy, to gwiazda nie zapadnie się do niszczącej osobliwości, lecz ulegnie spłaszczeniu i zostanie zgnieciona w pierścień o interesujących właściwościach: jeśli statek kosmiczny wleci do niej z boku, zostanie z pewnością zniszczony, ale gdy wleci dokładnie w kierunku środka pierścienia, to istniejąca tam siła grawitacji, choć olbrzymia, nie byłaby nieskończona, a więc odpowiednio zaawansowany technologicznie statek mógłby przetrwać i przelecieć na drugą stronę do innej przestrzeni i czasu.

Czy można zbudować maszynę do podróżowania w czasie nie korzystając z czarnych dziur? W teorii tak, istnieją nawet projekty takich urządzeń. W 198. r. znany astronom i pisarz Carl Sagan poprosił Kipa Thorne'a, by ten spróbował stworzyć podstawy teoretyczne urządzenia, które (nie zaprzeczając teorii Einsteina mówiącej o tym, że nic nie może się poruszać szybciej niż światło) umożliwiłoby pokonywanie w krótkim czasie gigantycznych odległości. Chciał wykorzystać ten pomysł w swojej fantastyczno-naukowej książce "Kontakt", na podstawie której nakręcono potem świetny film science-fiction. Fizyk sprostał zadaniu - opracował tunel czasoprzestrzenny całkowicie bezpieczny dla ludzi, który pozwoliłby na podróże czasoprzestrzenne.
Niestety, skonstruowanie podobnego tunelu wymaga tak olbrzymich ilości energii oraz stworzenia tak egzotycznej materii, że jeszcze długo - zakładając, że kiedykolwiek - nie będziemy w stanie go zbudować.

Amerykański fizyk i matematyk Hugh Everett zaproponował wytworzenie bąbla czasoprzestrzennego. Bąbel byłby fragmentem czasoprzestrzeni znajdującym się w ruchu względem reszty czasoprzestrzeni. Mógłby on poruszać się z dowolną prędkością i przy prędkościach bliskich prędkości światła przenosiłby w przyszłość, a po jej przekroczeniu w przeszłość. Niestety, Everett potrzebowałby do wytworzenia bąbla niewyobrażalne ilości energii (niektórzy twierdzą, że tyle energii nie wyprodukował jeszcze wszechświat w czasie swojego istnienia) oraz istnienia materii egzotycznej. Pomysłodawca zaznacza również, że mogą pojawić się bliżej niesprecyzowane problemy w czasie przekraczania prędkości światła.

Matematyk Willem Jacob van Stockum jako pierwszy wywnioskował z równań Einsteina, że wokół obracającej się supergęstej materii powinny powstawać zamknięte krzywe czasowe. Z jego wynika, że do budowy wehikułu umożliwiającego przemierzanie czasu byłaby potrzebna supergęsta materia (najlepiej z czarnej dziury) i to w pokaźnych ilościach. Skonstruowanie potem z owej materii walca i rozkręcenie go spowoduje, że będzie on wlókł za sobą czasoprzestrzeń. Następnie, okrążając walec po spirali w kierunku obrotu, moglibyśmy przemieszczać się w przeszłość, natomiast przeciwnie do kierunku obrotu - w przyszłość.

Jednak i przy tym wehikule pojawiają się jednak pewne problemy - mianowicie zaleca się, aby długość walca była nieskończona. Poza tym nie jest dotychczas znana technika bezpiecznego zbliżania się do supergęstej materii, nie wspominając nawet o zbieraniu jej i formowaniu w walec.

Zdaniem Johna Richarda Gotta z Uniwersytetu Princeton, do zbudowania wehikułu czasu wystarczyłyby dwie struny kosmiczne. Czym więć są owe tajemnicze struny?

Teoria strun kosmicznych to odpowiedź fizyków na to, w jaki sposób mogłyby powstać galaktyki z udziałem gorącej ciemnej materii. Cząstki gorącej ciemnej materii poruszają się zbyt szybko (z szybkością rzędu prędkości światła), by mogły skupić większą ilość materii, by powstały z niej galaktyki. W pierwszych chwilach Wielkiego Wybuchu cząstki gorącej materii przemierzały czasoprzestrzeń, wygładzając ją niemal całkowicie. Zatem najpierw musiałyby powstać obiekty na kształt supergromad, a następnie z nich, w procesie fragmentacji, powstawać mogłyby galaktyki. Wiadomo jednak, że nie mogło tak być, bowiem te galaktyki musiałyby być znacznie młodsze od tych, które obecnie obserwujemy.

I tu właśnie na ratunek przychodzi teoria strun kosmicznych. Struny kosmiczne to swoiste jednowymiarowe zaburzenia czasoprzestrzeni powstałe z gorącej ciemnej materii (podobne do strun np. harfy), które mają jedynie długość, a ich gęstość jest ogromna. Rozmiary strun określa się na miliardy lat świetlnych. Przejście jednej z nich przez Układ Słoneczny doprowadziłoby do katastrofy kosmicznej - przecięłaby ona Ziemię a obszar po przejściu struny byłby skupiskiem bezładnych cząstek elementarnych. A wszystko to stałoby się w ułamku sekundy, więc nie bylibyśmy nawet świadomi własnej zagłady.

Zgodnie z teorią Gotta struny te powinno znaleźć się gdzieś w kosmosie lub samemu wytworzyć, a po znalezieniu rozpędzić do prędkości bliskich prędkości światła. Przechodząc koło siebie wytworzyłyby one zamknięte krzywe czasowe, czyli tak deformowałyby czasoprzestrzeń, że można by ich użyć jako naturalnych wehikułów czasu.

Stephen Hawking twierdzi, że gdyby podróże w czasie były możliwe, już dawno zalałaby nas fala turystów z przyszłości. Uczony zwraca również uwagę na jeszcze jedną kwestię: że w naturze z całą pewnością istnieją mechanizmy, które uniemożliwią nam ingerencję w przeszłość. To, że na razie niewiele o nich wiemy i obecny stan nauki nie jest w stanie ich opisać, o niczym jeszcze nie świadczy. W końcu cała nasza wiedza o wszechświecie jest bardzo uboga: znamy tylko 3 proc. krążącej w nim materii, podczas gdy pozostałe 9. proc. nadal pozostaje tajemnicą.

Jak zbudować wehikuł czasu. Nauka a podróże w przeszłość i w przyszłość