1. Możliwość przemieszczania się w czasie

Szczególna Teoria Względności Alberta Einsteina wymusza na nas traktowanie czasu jako kolejnej współrzędnej we Wszechświecie, wprawdzie cechującej się nieco innymi aspektami niż współrzędne przestrzeni, ale matematycznie niemal tożsamej z nimi. Dlaczego właściwie nie możemy poruszać się w czasie tak swobodnie, jak w przestrzeni? Pomysł takich podróży, do niedawna jeszcze zarezerwowany dla twórców fantastyki naukowej (dobrym przykładem jest tu Wehikuł Czasu Wellsa), zaczyna stopniowo dotyczyć rozważań ściśle naukowych. Nie może być zresztą inaczej, skoro sam znakomity fizyk i astrofizyk profesor Stephen Hawking z renomowanej uczelni w Cambridge uważa ideę podroży w czasie nie tylko za naukową, ale i wartą gruntownego przebadania. Miał on ponoć nawet stwierdzić, że ludzie nauki celowo bądź podświadomie unikają swych zainteresowań tematem, korzystając z takich sformułowań zastępczych jak na przykład "zamknięte krzywe czasowe Wszechświata" (ang. "closed timelike curves"). W fizyce współczesnej obserwuje się wzrost liczby artykułów związanych mniej lub bardziej z zagadnieniem podróży czasowych, i nie chodzi tu bynajmniej o prace publikowane w podrzędnych czasopismach o zjawiskach paranormalnych, ale o artykułach w szanujących się pismach typu "Science", "Physical Review" czy "Physical Review Leters".

Krzywe czasowe zamknięte, o ile faktycznie występują, są wynikiem teoretycznym dwóch teorii służących do matematycznego opisu Kosmosu, czyli Ogólnej Teorii Względności (Einstein) oraz mechaniki kwantowej (Bohr, Schrodinger, Heisenberg i inni.) Obserwator poruszający się po takiej trajektorii po upływie wystarczająco długiego czasu powróciłby dokładnie w ten sam punkt, z którego wyruszył. Podobnie światło. Pojawia się jednak problem: nikt nie wie, czy zamknięte krzywe czasowe naprawdę istnieją. Co więcej, nie wiemy, na ile nasz opis Wszechświata jest poprawny i czy faktycznie pozwala na formułowanie takich i podobnych przewidywań. Nie należy zapominać, że nie posiadamy pełnej Teorii Wszystkiego, a połączenie Teorii Względności z fizyka kwantową zostało przeprowadzone na siłę, niekompletnie, pozostawiając mnóstwo sprzeczności i niedopowiedzeń. Wydaje się wręcz, że mechanika kwantowa i teoria Einsteina nie mogą być jednocześnie poprawnym opisem rzeczywistości!

  1. Trochę historii

Pierwszymi ludźmi, którzy, z początku nieświadomie, zaczęli badać problem podróży w czasie byli Albert Eintein oraz jego współpracownik, sławny matematyk Kurt Godel. Był to wiek XX, lata 40 i 50. Rozwiązywali oni tzw. równania Einsteina (relacje wynikające z przyjęcia praw dotyczących zależności pomiędzy geometrią Wszechświata a siłą grawitacji) dla zmiennych czynników fizycznych. Jednym z takich rozważanych przypadków był model rotujący - Kosmos, który jako całość wykonuje wolny, wirowy ruch wokół pewnej osi symetrycznej względem niego. Obliczenia wykazały, że w takim modelu istnieją zamknięte krzywe czasowe, a zatem przemieszczanie się w czasie jest tak samo dopuszczalne jak ruch w przestrzeni. Einstein zignorował jednak ten wynik, traktując go bardziej jako matematyczną ciekawostkę niż rezultat istotny z punktu widzenia fizyki. Łatwo to zrozumieć, ponieważ już w tych czasach naukowcy wiedzieli, że Wszechświat wykonuje jedynie ruch ekspansji (ucieczka galaktyk), ale z pewnością nie wykazuje żadnego obrotu. Mimo to problem - po raz pierwszy chyba w historii - został poruszony. Przyczyniła się do tego w zasadzie już sama ogólna Teoria Względności, w której czas przestał być czymś niezależnym, czymś linearnym leżącym poza przestrzenią, jak twierdził niegdyś Newton. U Einsteina czas zabrał cech dynamicznych, zmienia się w zależności rozkładu mas. Astrofizyk Michio Kaku tak podobno wyraził się o rezultatach Einsteina i Godla:

"Obecność materii i energii może chwilowo zmienić bieg rzeki (czasu), 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"

W latach następnych Godel oraz inni naukowcy rozwiązali równania Einsteina z jeszcze innymi warunkami początkowymi. Niektóre z tych rozwiązań są bardzo cenne. Należy tu przede wszystkim wspomnieć o rozwiązaniu dla tzw. osobliwości (centrum czarnej dziury, gdzie załamują się wszystkie znane prawa fizyki), dla których teoretycznie możliwa jest zmiana kierunku czasu. Przy tym jednak rozwiązań jest tak dużo, że zdaje się, że można znaleźć niemal każdy opis matematyczny dowolnie wymyślonego przypadku, jak pisał fizyk Frank Tipler (w "Physical Review Letters", 1976 rok.) Jednak sytuacja z obracającym się Wszechświatem Godla powtarza się często - nie mamy dowodów na realność danych założeń, albo wręcz wiemy, że założenia są nieprawdziwe.

  1. Udowodnione podróże czasowe

Od dawna znane są sytuacje, w których podróże, czy też raczej przeskoki czasowe następują w sposób normalny, to znaczy, przewidziany przez teorie klasyczne. Najprostszym przypadkiem jest okrążanie Ziemi z zachodu na wschód lub ze wschodu na zachód. Na skutek ruchu Ziemi wokół własnej osi po pełnym okrążeniu obracającej się kuli zyskujemy lub tracimy dodatkowy dzień. Tutaj taka anomalia czasowa jest intuicyjnie zrozumiała. Nieco trudniej jest pojąć pozorne paradoksy wynikające ze Szczególnej Teorii Względności, a zwłaszcza dylatację czasu. Polega ona w dużym uproszczeniu na tym, że w systemie poruszającym się z dużą prędkością czas zdefiniowany jako mierzalny odstęp pomiędzy dwoma zjawiskami (np. wskazaniami zegara) płynie wolniej. Zostało to wielokrotnie potwierdzone doświadczalnie i było jednym z testów poprawności teorii Einsteina. Gdy cząstki elementarne nabierają dużych prędkości porównywalnych z szybkością światła, na przykład podczas przyspieszania w akceleratorach, ich czasy życia znacznie się wydłużają w stosunku do tych samych cząstek pozostających w spoczynku. Wynika z tego wszystkiego także znany paradoks bliźniąt - wyobraźmy sobie dwoje braci w tym samym wieku, z których jednego wysyła się na rok w Kosmos w bardzo szybko mknącej rakiecie; wówczas na skutek dylatacji czas dla niego płynie wolniej, ale i wszystkie procesy biologiczne zachodzące w jego organizmie spowalniają, zatem gdy następnie wyhamuje on rakietę i wróci na Ziemię (gdzie czas płynął "zwyczajnie"), stwierdzi on, ze na ziemi upłynęło wiele lat, a jego brat bliźniak postarzał się znacznie. W tym przypadku dylatacja czasu oznacza więc przeskok w przyszłość.

Ten sam efekt obserwowany jest (zgodnie z Ogólną Teorią Względności) w silnych polach grawitacyjnych, gdzie bieg czasu także jest spowolniony, przy czym dylatacja zależna jest od natężenia pola grawitacyjnego. W przypadku obiektów bardzo masywnych efekt może być znaczny. Mierzalny jest już dla masy Ziemi. Zostało to udowodnione w roku 1962 przy pomocy precyzyjnych zegarów umieszczonych w różnym polu grawitacyjnym Ziemi, na szczycie oraz u podnóży wieży ciśnień. W przypadku Ziemi zjawisko dylatacji jest duże i musi być uwzględniane przy konstruowaniu systemów nawigacji satelitarnej (GPS), gdzie zaniedbanie efektów relatywistycznych daje pomyłkę rzędu kilku metrów przy namierzaniu obiektów! Natomiast w przypadku ciał o masie największej, tzw. czarnych dziur, czas zdaje się w pewnym miejscu zwalnia zupełnie...

  1. Paradoksy czasoprzestrzenne

Z ideą podróży w czasie nierozerwalnie wiążą się pewne paradoksy. Nie chodzi tu bynajmniej o słynny paradoks bliźniąt, który w zasadzie paradoksem żadnym nie jest i wynika wprost z klasycznej teorii grawitacji Einsteina. Gorzej ma się już sprawa z zasada przyczynowości, według której skutek powinien zawsze poprzedzać i implikować przyczynę. Wyobraźmy sobie, że cofamy się w czasie do momentu, gdy nie ma nas jeszcze na świecie, i spawamy, że nasi rodzice nie spotykają się nigdy. Czy wobec tego mamy w ogóle prawo istnieć? Istnieje wiele różnych wyjaśnień, jak np. idea wielu światów (Everett, 1975), według której cofając się w czasie trafiamy do nowego kontinuum, będącego jedynie powieleniem przeszłości pierwotnej, która już raz się zdarzyła i nie może być zmieniona. A zatem podróż w czasie oznacza tu jedynie stworzenie nowego świata, nie przejście do realnej przeszłości. Ten pomysł usuwa problem zasady przyczynowości. Stephen Hawking widzi nieco inne, mniej fantastyczne rozwiązanie; jego zdaniem istnieją nieznane nam jeszcze prawa fizyki (np. mechaniki kwantowej, nadal słabo zbadanej), które nie pozwalają na cofanie się w przeszłość (tzw. "kosmiczna cenzura".) Argumentuje to w ten sposób, że jeżeli nawet pewnego dnia nauczymy się podróżować w czasie, w praktyce nie dojdzie do to skutku - w przeciwnym razie już teraz moglibyśmy obserwować badaczy z przyszłości w obecnym świecie! Inny problem to niestabilność pewnych rozwiązań równań Einsteina lub wręcz ich nie występowanie, mimo możliwości występowania. Przede wszystkim należy wziąć poprawkę na naszą nieznajomość lub niewystarczające rozumienie wielu praw fizyki, jak choćby zachowania się grawitacji w warunkach kwantowych czy też tajemniczymi prawami obowiązującymi we wnętrzu czarnej dziury (osobliwość.) Największym problemem jest trudność w pogodzeniu Teorii Względności z fizyka kwantową. Być może dopiero to będzie w stanie raz na zawsze rozwiać wątpliwości związane z podróżami czasowymi.

  1. Wehikuł czasu w publikacji naukowej

W roku 1988 opublikowany pierwszy poważny artykuł z dziedziny fizyki, w który wyraźnie zaznaczono możliwość konstrukcji maszyny przemieszczającej się w czasie. Autorami byli: Kip Thorne i Michael Morris (Caltech, Kalifornia) i Ulvi Yurtsever (Uniwersytet Stanowy w Michigan.) Mimo kontrowersyjnego tematu redakcja pisma naukowego "Physical Review" zdecydowała się na publikację, być może tylko dlatego, że praca zawierała sensowne, zgodne z przyjętymi teoriami grawitacji obliczenia.

Podstawą pomysłu było założenia istnienia "wormholes", czyli tuneli czasoprzestrzennych, charakteryzujących się tym, że po wejściu w jeden koniec tunelu i odbyciu podróży obserwator wyłania się na drugim końcu, w innym punkcie czasoprzestrzeni. W ten sposób dokonuje podróży "ponadprzestrzennej", pokonując w krótkim z jego punktu widzenia czasie dystans, którego przebycie bez pośrednictwa wormhola zajęłoby mu o wiele więcej lat, zgodnie z klasyczną teorią Einsteina. Tunele takie mogą istnieć dzięki zależnościom pomiędzy geometrią czasoprzestrzeni a rozkładem materii i energii we Wszechświecie. Dobrze jest przyjąć w uproszczeniu, że czasoprzestrzeń jest wielka połacią rozciągliwej gumy. Gdy na tej warstwie znajdzie się kula materii (planeta, gwiazda itp.), materia ta spowoduje powstanie zagłębienia w płachcie gumy, którego rozmiar będzie zależny od ilość masy obiektu. Jest to jednocześnie opis grawitacji, która w Teorii Względności jest niczym innym, jak zakrzywieniem czasoprzestrzeni. Jeżeli mamy zagłębienie w gumie, inne obiekty znajdujące się w jego pobliżu stoczą się do jego wnętrza. Jest to działanie sił przyciągających, odpowiedzialnych za ruch planet i prawo powszechnego ciążenia. Teraz uogólnijmy płachtę gumową na trzy wymiary przestrzenne. Widać już wyraźnie, w jaki sposób rozkład materii wpływa na geometrią, i vice versa. Tunele czasoprzestrzenne natomiast łączą odlegle punkty odpowiednio zakrzywionej gumy. Nie wiemy, czy tunele takie istnieją, w każdym razie nikt ich dotąd nie widział. Niektórzy fizycy (np. Stephen Hawking) sądzą, że w przyszłości, wraz z osiągnięciem pewnego poziomu zaawansowania technologicznej naszej cywilizacji, możliwe będzie ich konstruowanie. Budowa takiego tunelu pociąga za sobą dwie istotne konieczności: ogromne ilości energii, których jeszcze nie umiemy produkować, i nie wystarczają tu bynajmniej energie wyzwalane w najwydajniejszych reakcjach fuzji jądrowej), oraz odpowiedni budulec tuneli czasoprzestrzennych. Wskazane byłoby znalezienie takiej formy materii, która nie tylko ma własność przyciągania grawitacyjnego, jak znana nam materia tworząca najbliższe otoczenie, ale i materii mającej własności odpychające, podobnie jak ładunki elektryczne, które wykazują oba typy oddziaływań. Cały problem polega na tym, że zwykła, powszechna materia zakrzywia przestrzeń jednostronnie (patrz: analogia z kula na płachcie gumowej.) Nie wiemy za bardzo, jak spowodować pojawienie się obiektu odwrotnego do zagłębienia w gumie. Nie wiemy nawet, czy jest to w ogóle możliwe. Istnieją przypuszczenia, że taka materia odpychająca może być tzw. ciemną materią, czyli tym składnikiem Wszechświata, którego nie jesteśmy w stanie zaobserwować inaczej, niż prze wpływ grawitacyjny, jaki wywiera on na inne masy. Kandydatów na ciemną materię jest wiele. Nie wiemy do dziś, czym jest ona naprawdę. Znany polski astrofizyk, Bogdan Paczyński z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, znalazł sposób na efektywne znajdowanie takich nie promieniujących ciał w Kosmosie. Dzięki jego pomysłowi Polacy oraz zespoły międzynarodowe znaleźli różnie nietypowe obiekty. Na szczególną uwagę zasługuje odkrycie źródła impulsu, które początkowo wzięto za formę egzotycznej, mającej własności odpychające materii. Bardziej prawdopodobne jest jednak, że obiekt ten stanowiły dwie czarne dziury, wirujące wokół wspólnego środka masy. Mimo pewnych sukcesów badań w dziedzinie możliwości istnienia warmholi, zagadnienie to, ze względu na ograniczenia zarówno techniczne jak i finansowe, jest nadal w sferze zainteresowań Science Fiction.

  1. Nowe idee

Jednocześnie toczą się innego typu badania i mają miejsce rozmaite rozważania teoretyczne, prowadzące do lub tylko lekko ocierające się o możliwość podróży w czasie. Do najciekawszych pomysłów ostatniej dekady należy m.in. praca Anglika Miguela Alcubierre (Uniwersytet w Walii.) Zasługuje ona na szczególna uwagę, bowiem dotyczy możliwości przemieszcza się w czwartym wymiarze bez pośrednictwa tuneli czasoprzestrzennych. Przedstawiam tu jedynie ogólny zarys teorii:

Szczególna Teoria Względności nakłada ograniczenia ma maksymalną prędkość ruchu jedynie w tym sensie, że nie jest możliwa prędkość ponadświetlna w obrębie płaskiej, wyidealizowanej, nie zakrzywionej lokalnie obecnością mas przestrzeni. W przestrzeni rzeczywistej, zakrzywionej, opisywanej już przez Ogólną Teorię względności, sytuacja jest inna. Prędkości są dowolne, a odległość pomiędzy punktami tak zakrzywionej metryki są w stanie rozszerzać się nieograniczenie. Wówczas, naturalnie, dwa fizyczne miejsca takiej czasoprzestrzeni są względem siebie w jakimś mierzalnym ruchu. W praktyce wygląda to mniej więcej tak: pojazd obserwatora znajduje się w pewnym wycinku przestrzeni zakrzywionej obecnością mas w taki sposób, że obszar ten jest skurczony przed obserwatorem, a rozciągnięty za nim. Aby zapewnić bezpieczeństwo żywego obserwatora, "tworzy się" lokalnie płaską czasoprzestrzeń bezpośrednio w jego otoczeniu. Obszar taki porusza się z prędkością dowolną, dokonując dryfu na tak zwanej fali czasoprzestrzennej, będącej związanej z lokalnymi zagęszczeniami i rozrzedzeniami przestrzeni. Według Alcubierre'a, taki ruch zezwalałby nie tylko na ultraszybkie przemieszczanie się, ale i podróże wstecz w czasie. W braku dowodów pomysł ten na razie także bardzie pasuje do świata naukowej fantastyki. Z czasem jednak może stać się zalążkiem nowych badań i, być może, nowych teorii.

Bibliografia

"Krótka historia czasu",Stephen Hawking

"Hiperprzestrzeń" , Michio Kaku

"Fizycy na tropie wehikułu czasu", Piotr Cieśliński (artykuł)