Wehikuł czasu

Od czasu, gdy słynny pisarz Herbert Wells napisał w 1895 r. powieść pt "Wehikuł czasu", ludzi fascynuje możliwość odbywania podróży w czasie. Czyż nie byłoby cudownie obejrzeć na własne oczy, jak budowano piramidy w Egipcie? Zajrzeć do Biblioteki Aleksandryjskiej, zanim pochłonęły ją płomienie, a może nawet... uratować ją od zniszczenia? A czy nie jesteśmy ciekawi, jak będzie na Ziemi za trzysta lat?

Możliwość podróży w czasie fascynuje nie tylko miłośników literatury i filmów science-fiction, ale także - a może przede wszystkim - fizyków teoretyków i matematyków. Twierdzą oni, że powinniśmy zapomnieć o wellsowskim fotelu z przełącznikami, za pomocą którego Podróżnik W Czasie przemieszczał się przez eony. Energia potrzebna do zakrzywienia czasoprzestrzeni jest tak niewyobrażalnie wielka, że nie wystarczyłoby do tego prądu produkowanego w ciągu stuleci przez wszystkie elektrownie świata.
Jedyne źródła energii zdolne zakrzywić czasoprzestrzeń istnieją w przestrzeni Wszechświata w postaci czarnych dziur. Dlatego naukowcy, w oparciu o ogólną teorię względności Einsteina, tworzą kolejne modele czasoprzestrzennych tuneli, przejść przez czarne dziury, białe dziury, hiperprzestrzeń. Piszą skomplikowane równania, próbując zrozumieć naturę czasu, przestrzeni i całego Wszechświata. Wyniki ich obliczeń - często potwierdzonych doświadczeniami - niekiedy wręcz szokują, odkrywając przed nami niewyobrażalne światy.

Czas nie płynie dla wszystkich jednakowo!

Żeby zrozumieć, o czym mówią fizycy, najpierw trzeba zrozumieć, czym jest czas. Starożytni Grecy uznawali czas za uniwersalną własność wszystkich rzeczy i zjawisk, niezależną od nikogo i niczego. Czas dla nich zawsze biegł do przodu z tą samą szybkością. Tak samo uważał Isaak Newton, twórca fizyki klasycznej, przypisując czasowi niezmienne trwanie niezależnie od tego, co się dzieje na świecie. Każdy z nas, ludzi, intuicyjnie przyzna, że sir Newton miał rację - czas to czas, nie da się z nim nic zrobić, wszędzie płynie jednakowo, co udowadniają zegary odliczające sekundy.
I tu nasza intuicja się myli. Otóż okazuje się, że czas wcale nie płynie tak samo w różnych punktach świata - inaczej płynie tuż przy powierzchni Ziemi, a inaczej na szczycie Mount Everestu, a jeszcze inaczej na Marsie, nie mówiąc już o czarnych dziurach.
Dlaczego tak się dzieje? Na to pytanie odpowiada ogólna teoria względności Alberta Einsteina: czas nie istnieje niezależnie od wszystkiego, ale jest ściśle związany z trzema wymiarami naszej przestrzeni (długością, szerokością/głębokością i wysokością), tworząc z nimi czterowymiarową czasoprzestrzeń. Wszelkie siły działające na przestrzeń oddziałują także na czas, tylko że jest to zauważalne, dopiero gdy poważnie wzrasta grawitacja lub prędkość obserwowanego obiektu, co w pewnym sensie znaczy to samo. Otóż Einstein wyliczył, że w silnym polu grawitacyjnym czas ulega spowolnieniu. Tak więc czas na Słońcu biegnie wolniej niż na Ziemi, a wysoko ponad Ziemią szybciej niż na poziomie morza.
Prawdziwość tej teorii została już wielokrotnie udowodniona eksperymentalnie. W 1968 roku amerykański fizyk Irving Shapiro podczas bardzo skomplikowanego eksperymentu zmierzył nawet to opóźnienie czasu na Słońcu w stosunku do czasu ziemskiego, mierzonego na poziomie morza - jest ono bardzo małe, rzędu jednej dziesięciotysięcznej sekundy.
W 1960 roku dwaj amerykańscy fizycy, Robert Pound i Glen Rebka, zmierzyli różnicę czasu występującą na różnych wysokościach na Ziemi. Porównali oni szybkość upływu czasu u podstawy wieży i na wysokości 22,6 metra. Z teorii wynikało, że różnica czasu powinna być niezwykle mała - zaledwie 3 dziesięciotysięczne jednej miliardowej części sekundy, ale dzięki zastosowaniu niezwykle pomysłowego "zegara" naukowcom udało się zmierzyć tę różnicę i tym samym dowieść po raz kolejny prawdziwości teorii względności Einsteina.
Można powiedzieć, że różnice w szybkości upływu czasu są tak małe, że nie powinny być w ogóle brane pod uwagę, więc o co tyle hałasu, i co to ma wspólnego z maszyną do przenoszenia się w czasie? Chodzi o to, że istnieją takie sytuacje, kiedy czas płynie o wiele szybciej.

Ekspres do przyszłości

Z teorii względności wynika, że czas płynie wolniej w silnym polu grawitacyjnym, gdyż grawitacja zakrzywia czasoprzestrzeń. Wiadomo też, że im dany przedmiot porusza się szybciej, tym bardziej jego masa się zwiększa, a także grawitacja wokół tego przedmiotu jest silniejsza i czas płynie wolniej. Chyba wszystkim znana jest słynna opowieść o dwóch bliźniakach. Jeden zostaje na Ziemi, a drugi wybiera się rakietą w podróż kosmiczną. Załóżmy, że rakieta pędzi przez przestrzeń z szybkością bliską prędkości światła, przez kilka godzin - według zegara w rakiecie (ani przyrządy w rakiecie, ani sam kosmonauta nie zauważą zwolnienia czasu; dla nich czas będzie płynął tak jak zwykle, gdyż wszystkie procesy na pokładzie statku będą zachodziły wolniej), hamuje, zawraca i udaje się w drogę powrotną ku Ziemi. Gdy bliźniak kosmonauta wysiądzie z rakiety po podróży, która dla niego trwała kilka godzin, ujrzy swego brata mocno posuniętego w latach. Można więc powiedzieć, że bliźniak kosmonauta właśnie dokonał podróży w przyszłość. Gdyby podróżował, załóżmy, przez kilka lat według wskazań pokładowego zegara, z tak wielką prędkością, wróciwszy na Ziemię, odkryłby, że tutaj minęło kilkaset lub nawet kilka tysięcy lat (zależałoby to od czasu i szybkości lotu). Prawdziwy skok w czasie!
A teraz bardzo ważne dla naszego czasonauty pytanie - czy może on wrócić do swoich czasów?

Brama do innego wszechświata

Z ogólnej teorii względności Einsteina wynika 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 - nawet światło (rys. 2).
Skąd się wzięły czarne dziury? Kiedyś były olbrzymimi, sferycznymi (kulistymi) gwiazdami, które po wypaleniu swego paliwa jądrowego nadal miały masę 10-krotnie - lub więcej - większą od masy naszego Słońca. Wtedy pod wpływem własnego pola grawitacyjnego zaczęły się zapadać. A im ich materia była bardziej upakowana (ścieśniona), tym pole grawitacyjne było większe. Gdy to ścieśnianie osiągnęło pewną wartość krytyczną - tzw. promień Schwarzschilda (dla Słońca wynosi on 3 km , a dla Ziemi 1 cm - znaczy to, że Ziemia stałaby się czarną dziurą, gdyby komuś udało się całą jej materię tak ścisnąć, by jej promień nie przekroczył 1 cm), nic już nie było w stanie zatrzymać dalszego zapadania się materii. Pole grawitacyjne wokół tego obiektu robi się tak potężne, że nic, nawet światło, nie jest w stanie się stamtąd wydostać. Promień Schwarzschilda jest tak zwanym horyzontem zdarzeń - światło czy wszelka materia, która przejdzie poza horyzont, znika nam z oczu i nie mamy pojęcia, co się z nią dalej dzieje. Jedynie matematycy mogą za pomocą obliczeń co nieco na ten temat powiedzieć.

Astronomowie są już niemal pewni - na 95% - że odnaleźli takie czarne dziury. W 1974 roku genialny fizyk teoretyk Stephen Hawking, specjalista od czarnych dziur, oraz amerykański fizyk Rip 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 Thornowi roczną prenumeratę pornograficznego pisma "Penthouse", gdyby wygrał, przez rok otrzymywałby pismo "Private Eye". Przez wiele lat zakład był nie rozstrzygnięty, lecz gdy pewnego dnia 1990 roku Rip Thorne otrzymał pierwszy egzemplarz pisma, było jasne, że Hawking się poddał.
Czarne dziury to bardzo dziwne obiekty. Wiadomo, że w każdej dziurze tkwi naga osobliwość - kulka horrendalnie masywnej materii, na powierzchni której grawitacja jest nieskończona, co prowadzi do zniszczenia każdej materii, rozerwania każdego atomu na najdrobniejsze części. Tam nawet czasoprzestrzeń się rozpada na kawałki, tak zwane czasowe kwanty Plancka. W tym miejscu czas się kończy.
Jednakże czarna dziura daje szansę na błyskawiczne podróże w odległe rejony Wszechświata lub nawet do innych wszechświatów, które to podróże są jednocześnie podróżami w czasie.

Gumowa czasoprzestrzeń

Jak wygląda czasoprzestrzeń? Według naukowców ma ona więcej niż cztery wymiary - jest ich prawdopodobnie 10. Ale na razie zajmiemy się naszymi czterema. I tak trudno je sobie wyobrazić. W wielkim uproszczeniu czasoprzestrzeń wygląda jak piłka zrobiona ze sprężystej gumy (można też dla potrzeb poniższego przykładu wyobrazić sobie jedynie płaski kawałek powierzchni tej piłki). Jeśli na ową gumę położymy drewnianą kulkę, guma pod nią lekko się ugnie - ta zakrzywiona przestrzeń wokół kulki oznacza grawitację, która jest niczym innym, jak właśnie zakrzywieniem przestrzeni wokół ciężkiego obiektu. Im obiekt jest masywniejszy, tym guma się bardziej zapada, i tym samym zakrzywienie - a więc i grawitacja - jest większe. Czarna dziura jest tak masywna, tak bardzo naciąga tkankę czasoprzestrzeni, że przerywa ją, tworząc przejścia do innych przestrzeni lub wszechświatów. Do innych czasów.

Czy można wykorzystać czarną dziurę do podróży kosmicznych?
Albert Einstein wraz ze swym współpracownikiem Nathanem Rosenem stworzyli model takiego tunelu. Po jednej jego stronie jest czarna dziura, po drugiej natomiast 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 zamknięcie mostu, a biała dziura zamienia się w czarną. Teoretycznie jest możliwe ustabilizowanie mostu, trzeba go jedynie wypełnić egzotyczną materią. Na razie nic o niej nie wiadomo. Jednakże most ten był tworzony w oparciu o czarną dziurę stworzoną z gwiazdy, która się nie obracała. W 1963 roku nowozelandzki matematyk Roy Kerr obliczył, że jeśli czarna dziura powstanie z obracającej się gwiazdy, to gwiazda nie zapadnie się do punktu - owej niszczącej nagiej osobliwości, lecz ulegnie spłaszczeniu i zostanie zgnieciona w pierścień o interesujących nas 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, czasu itp. A czy można zbudować maszynę do podróżowania w czasie, nie korzystając z czarnych dziur? Teoretycznie tak, i nawet istnieją projekty takich machin. Ich autorem jest Rip Thorne. W 1985 roku znany astronom i pisarz Carl Sagan poprosił ThorneŐa, 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 olbrzymich odległości. Chciał wykorzystać ten pomysł w swojej fantastyczno-naukowej książce pt. "Kontakt". Po długim namyśle Thorne coś takiego wymyślił: tunel czasoprzestrzenny całkowicie bezpieczny dla człowieka, który nie tylko pozwoliłby na podróżowanie w przestrzeni, ale i w czasie. Niestety, skonstruowanie tego tunelu wymaga takich ilości energii oraz stworzenia tak egzotycznej materii, że długo jeszcze - o ile w ogóle - nie będziemy w stanie tego zrobić.

Zabić swego dziadka

Załóżmy, że udało nam się stworzyć maszynę czasu, którą możemy się udać w dowolnie odległą przeszłość. Wielu fizyków uważa, że takie podróże w przeszłość są zakazane - nie za sprawą jakiegoś ludzkiego prawa, lecz prawa natury, która nie pozwala na zerwanie przyczynowości. Lecz coraz więcej badaczy przychyla się ku stanowisku, że podróże w czasie są możliwe - i są bezpieczne. Że słynny paradoks dziadka nigdy nie wystąpi, gdyż Natura sama o to zadba. Przypomnijmy: udajemy się w przeszłość, napotykamy naszego wrednego dziadka, zabijamy go - i co dalej? Znikamy, bo nigdy się nie urodziliśmy? Więc kto zabił dziadka?
Otóż z teorii Einsteina wynika, że skoro linia czasu naszego życia już powstała, będzie ciągnąć się zawsze. Nie ma możliwości jej wytarcia. Co to oznacza dla podróżnika w czasie? To, że jego przeszłość i przyszłość się wypełnią, a to za sprawą pętli czasowych. Jeśli już udaliśmy się do dziadka, by go zabić, może się okazać, że nie jesteśmy w stanie z jakichś przyczyn tego zrobić. Może nam się udać jedynie np. spoliczkować go. Ale wtedy być może przypomni się nam opowieść dziadka, jak to pewnego dnia spotkał nieznajomego młodego człowieka, który bez żadnego powodu dał mu w twarz.
Otóż według najnowszych teorii, gdy działają pętle czasu, nie tylko przeszłość wpływa na przyszłość, ale i przyszłość wpływa na przeszłość. Dlatego można obejrzeć, jak zostały zbudowane piramidy, przejrzeć zasoby Biblioteki Aleksandryjskiej, ale nigdy nam się nie uda jej ocalić od pożaru. Bo gdyby się nam udało, istniałaby teraz wraz z legendą o dziwnym przybyszu, który uratował dziedzictwo ludzkości.

Ewa Ray www.gwiazdy.com.pl

POWRÓT