Tłumaczenie: Bogusław Malański, Anna Malańska

Jim Al-Khalili Dzięku uprzejmości Universitu w Surrey

Czy możesz uwierzyć, że problem podróży w czasie nie jest poważnym tematem w czasie lekcji przedmiotów przyrodnioczych? Jim Al-Khalili z Uniwersytetu z Surrey (University of Surrey)nie zgadza sie z tą sytuacją. W artykule poniższym pokazane jest, jak główne zagadnienuia podróży w czasie wynikają z teorii Einsteina. Jezeli fizycy chcą zainteresować słuchaczy swoją nauką, przeważnie rozmawiają o kosmologii lub fizyce cząstek elementarnych. Zawsze jest interesujące porozmawiać o przestrzeni i osiągnięciach w poszukiwaniu nowych cząstek np. przy pomocy Wielkiego Zderzacza Hadronów (Large Hadron Collider – patrz Landua i Rau, 2008 oraz Landua, 2008).Dużo trudniej jest zainteresować słuchaczy elektromagnetyzmen czy termodynamiką.

Problem podróży w czasie wydaje się trącić fantazją naukową. Nie zgadzam się z taką postawą. Uważam, że jest to wspaniały temat na kanwie, którego można omówić idee teorii względności Einsteina (oczywiście są dwie takie teorie względności; ogókna i szczególna o czym niektórzy słuchacze nie wiedzą). Często zadawane jest proste i emocjonalne pytanie” „Czy podróż w czasie jest możliwa?”  Każdy kto oglądał filmy rodzaju „Terminator” czy „Doktor Kto?” uważa , że podróżowanie w czasie to czysty nonsense; dobry w filmie, ale nie mający potwierdzenia w nauce. Okazuje się, że prawa fizyki nie tylko nie wykluczają podróżowania w czasie lecz także istnieją doświadczenia potwierdzające tą ideę.

W tym miejscu muszę wyraźnie podkreślić, że narazie przeprowadzono doświadczenia wykazujące możliwość podróżowania do przyszłości. Podróżowanie do przeszłości jest dużo trudniejsze i byż może, że jest nawet niemożliwe. Ważne i fascynujące jest, że taka możliwość, jak na razie nie została wykluczona. Celem mojego artykułu jest pokazanie różnic między podróżowaniem w czasie w obu kierunkach oraz pokazanie, jak teorie fizyczne mają się do tzw. zdrowego rozsądku.

Izaal Newton:czyli podejście zdrowego rozsądku?

Do czasu, gdy Izaak Nenton przedstawił komplet swoich prac w roku 1687, rozważania nad czasem były raczej domeną filozofów niż naukowców. Newton opisał ruch ciał pod wpływem. sił. W tym opisie czas był integralną częścią matematycznego opisu, ponieważ, jak wiadomo, wszelkie zmiany, w tym ruch wymagają czasu, Newton uważał czas za wielkość absolutną i bezwzględną, istniejącą poza przestrzenią i od niej niezależną. Wszystkie zdarzenia odbywały się w przestrzeni. Do dzisiaj wielu z nas ma taki podląd: uważamy czas za płynący w jednym kierunku ze stałą szybkością. Jakiś kosmiczny zegar odmierza sekundy, minuty i godziny. Niezależnie od tego czy odczuwamy przepływ czasu czy nie. Nie mamy żadnego wpływu na bieg czsu; nie możemy go przyspieszyć ani spowolnić. Ogólnie mówiąc, wiemy, że czas istnieje, ale nie wiemy, co to jest. Jedną z naszych wmówek na temat czasu jest powiedzenie: „czas jest sposobem natury na to, by wiele rzeczy nie działo sie jednocześnie” lub inne- „czas płynie ze stalą szybkością przebywając jedną sekundę w ciągu każdej sekundy”. Co to wszystko tak naprawdę oznacza – nie wiemy?

Czy Newton miał rację? Czy istnieje czas absolutny. Einstein pokazał, że nie istnieje

Albert Einstein: rewolucjonista

W roku 1905 Einstein, w swoich pracach nad naturą światła wykazał, że przestrzeń i czas nie są niezależne lecz ściśle z sobą powiązane. Idee Einsteina są znane jako szczególna teoria względności i rozpoczęły rewolucje w fizyce. Einstein pokazał, jak newtonowskie koncepcje przestrzeni i czasu można zastąpić nowym opisem, który jednak był dla wielu dziwny i kompletnie niezrozumiały. W ogólnym zarysie, opis Einsteina jednoczy czas i trójwymiarową przestrzeń w twór zwany czasoprzestrzenią. Z tego powodu czas nazywany jest czwartym wymiarem.

W roku 1915, dziesięć lat po opublikowaniu szczgólnej teorii względności, Einstein ukończył swoją teorię grawitacji, zwaną ogólną teorią względności. Ogólna teria względności, uważana za szczególnie piękną w histoii nauki, pokazała, jak grawitacja oddziaływuje na czasoprzestrzeń. Pozwoliło to wytłumaczyć wiele ekscytujących zjawisk, takich, jak narodziny Wszechświata, Wielki Wybuch, czy istnienie czarnych dziur.

Wróćmy jednak to głównego tematu szczególnej teorii względności. Einstein pokazał, że dla dla obiektu poruszającego się z wielką szybkością (bliską szybkości światła) – czas biegnie wolniej. Im szybkość jest bliższa szybkości światła, tym spowolnienie biegu czasu jest większe. Teoria Einsteina jest dzisiaj już rutynowa potwierdzana w akceleratorze cząstek w CERN w Szwajcariiw1. Wielu studentów fizyki w czasie zajęć w pracowni ma szanse obserwować zmianę upływu czasu obserwująć jedne z cząstek elementarnych cząstek– mionyw2.

Dzięki uprzejmości Matjaz Boncina/iStockphoto

Rozważmy prosty numeryczny przykład. Biegacz przebiega 100m w dokładnie 10 sekund - czas mierzony przez stojących obok biegacza sędziów. Jeżeli biegacz miałby własny superdokladny stoper, to zmierzyłby czas swojego biegu jako 9.999999999995 sekund. Wynik ten jest tak bliski 10 sekundom, że nikt nie domyśliłby się różnicy. Naukowcy potrafią jednak mierzyć czas z wielka dokładnościa i różnice takie są wykrywalne. Różnica między tym, co zmierzyłby biegacz oraz sędziowie wynosi zaledwie 5 pikosekund. Różnica jest takk niewielka ponieważ nasz biegacz porusza się niezwykle powoli w porównaniu z szybkością światła.

To jest delikatna sprawa. Jeżeli ktoś zapozna się z szczególną teorią względności, to wydaje się oczywiste, że ruch jest względny. Dlaczego zatem zegar biegacza biegnie wolniej? Jeżeli ruch jest względny, to można argumentować, że to bieżnia i stojący na niej sędziowie mierzący czas są w ruch względem biegacza. Zatem zegary sędziów powinny pokazywać czas biegnący wolniej. Sytuacja jednak nie jest całkowicie symetryczna. Powodem jest to, że biegacz musi przyspieszyć oraz zwolnić a te zmiany szybkości mają wpływ na przebieg czasu mierzonego względem czasu jaki zmierzyli sędziowie. Innym powodem dla któregi biegacz zmierzył mniejszy odcinek czasu, jest fakt, że tak naprawdę biegacz przebiegł mniej niż 100m. To inna konsekwencja szczególnej teorii względności: odległość ulega skróceniu dla obiektów poruszających się.

Ruch z dużą szybkością: podróż do przyszłości

Zdjęcie dzięki uprzejmości James Group Studios / iStockphoto

Chociaż brzmi to z pozoru dziwnie, postaramy się wyjasnić, jak powyższe wywody mają się do podróży w czasie; dokładniej podróży do przyszłości. Przypuśćmy, że mógłbyś poruszać  się rakietą wokół galaktyki z szybkością bliską szybkości światła. Podróż niech trwa 4 lata. Wracając na Ziemię doznałbyś szoku. Na pokładzie twojej rakiety kalendarz na początku podróży pokazywał np. styczeń 2005. Przy jej końcu byłby styczeń 2009. W zależności od szybkości poruszania się rakiety i jej zakręconej drogi między gwiazdam , na Ziemi kalendarz mógłby pokazywać styczeń 2045. Wszyscy mieszkańcy Ziemi byliby starsi o 40 lat. Mieszkańcy Ziemi również byli zdziwieni twoim wydokiem, gdyż ty postarzałbyś się nieznacznie, mimo, iz według Ziemian nie było ciebie 40 lat.

Wewnątrz rakiety upłynęłyby tylko 4 lata, na Ziemi zaś 40 lat. Oznacza to, że zostawiłeś gdzieś 36 lat swojej przyszłości.

Efekt ten został potwierdzony doświadczalnie wielokrotnie i to z wielką dokladnością. W roku 1971 J. C. Hafele oraz Richard E. Keating umieścili bardzo dokładny zegar atomowy na odrzutowcy i polecieli wokół Ziemi w kierunku wschodnim.  Po zakończeniu podróży  wskazania zegara pokładowego zostały porównane ze wskazaniami  dwóch zegarów odniesienia w Oberwatorium Marynarki Morskiej Stanów Zjednoczonych. Zegar, który był w podróży późnił się o nieznaczną część sekundy względem zegarów odniesienia (Hafele & Keating, 1972a, 1972b)^w3. Chociaż szybkość odrzutowca była duża, około 1000 km/h, to jednak jest to niczym w porównaniu z szybkością światła. Z tego powodu różnica wskazań obu zegarów była tak niewielka. Niemniej różnica ta była mierzalna i efekt spowolnienia upływu czasu został potwierdzony.

Podróż do przeszłości?

Podróż do przeszłości jest dużo trudniejsza.  Wielu ludzi jest zaskoczonych faktem, że podróżowanie do przeszłości jest trudniejsze niż podróżowanie do przyszłości. W głowie powstaje myśl, że być może dostać się do przeszłości jest trudne lub nawet niemożliwe. Przeszłość realnie była i może gdzieś nadal jest. Przyszłość natomiast dopiero będzie, więc jeszcze jej nie ma. Jak możemy odwiedzić coś czego jeszcze nie było? Podróż w czasie z dużą szybkością w kierunku przyszłości wcale nie wymaga by ta przyszłość już była i gdzieś na nas czekała. Poruszamy się w naszym układzie odniesienia do czegoś,  co porusza sie wolniej  Zewnętrzny zegar „tika” szybciej i przyszłość otwiera się przed nami szybciej niż cokolwiek innego.

Istnieje wiele rozważań nie do pogodzenia gdy rozważymy następstwa podróży do przeszłości – jeżeli podróż takla byłaby możliwa. Wyobraź sobie, że zabijasz siebie samego, jako młodszego osobnika w czasie podróży do przeszłości. Co wtedy? Czy nadal bedziesz istniał nieco później? Jeżeli nie pojawisz się już w „swoim” czasie, to kto zabije ciebie młodszego? Wiem, że jest to nieco chore, rodzaj paradoksu. Wygląda na to, że nie możesz zabić siebie młodszego, gdyż musisz przetrwać by zostać swoim włąsnym mordercą. Podróż do przeszłości wydaje się być tylko możliwa wtedy, gdy twoje zachowanie nic nie zmieni w faktach historycznych, które już były. Nie można zmienić przeszłości.

W zasadzie istnieją dwie możliwości podróży do przeszłości. Pierwsza to podróżować wstecz w czasie – wskazówki zegara przesuwają się w kierunku odwrotnym niż zazwyczaj. Wymagałoby to podróżowania z szybkością większa od szybkości światła w próżni, co jest niemożliwe z punktu widzenia szczególnej teorii względności. Druga możliwość to podróż w czasie do przodu ale przez zakładkę (fałdę) przestrzeni, co zaprowadzie cię do przeszłości – coś jak przejechanie pętli na kolejce górskiej w wesołym miasteczku. Taka pętla znana jest w fizyce jako zamknęeta pętla czasu. Problem ten jest przedmiotem intensywnych dociekań teoretycznych przez ostatnie kilka dziesięcioleci.  Wiadomo od około kilkudziesięciu lat, że równania Einsteina nie wykluczają takiej możliwości. Matematyk amerykański Kurt Gödel pokazał w roku 1945, że teoretycznie podróż do przeszłości jest możliwa.

Dzięki uprzejmości Frank Ramspott/iStockphoto

O co chodzi zatem wtym zamieszaniu? Podróż w czasie do przyszłości została już sprawdzona, do przeszłości nie jest teoretycznie wykluczona. Zatem dlaczego nie zacząć budować wehikułu czasu? Chodzi o to, że nie tylko zamknięta pętla czasu jest trudna do zrealizowania, ale i podstawy teoretyczne nie są szczególnie jasne. Na początku XXI ciągle czekamy na lepszy opis teoretyczny zjawiska. Być może fizycy dojdą do wniosku, że zamknięta pętla czasu w praktyce jest niewykonalna.

Nie możemy wykluczyć, że gdzieś we Wszechświecie istnieją naturalne wehikuły czasu. Byc może niezwykle silne pole grawitacyjne powoduje rodzaj zakładki czasoprzestrzeni, która umożliwia istnienie zamkniętej pętli czasu. Jeżeli natkniemy sie przypadkiem na istnienie takiego tworu znanego jak “wormhole” -kanał łączący jeden Wszechświat z drugim. Taki kanał być może umożliwi nam podróżowanie do przeszłości.

Obecnie, aby zanegować podróżowanie do przeszłości można zadać pytanie; „gdzie znajdują się obecnie przyszli podróżnicy w czasie?” Jeżeli w przyszłości ludzkość upora się z budową wehikułiu czasu, to z pewnością znajdują sie oni gdzieś między nami – ludźmi XXI wieku. Poniżej rozważymy pięć różnych powodów wyjaśniających dlaczego nie możemy sie spodziewać ujrzenia podróżników w czasie:

1. Podróż do przeszłości jest zabroniona przez jeszcze jakieś nie odkryte prawo fizyki. Fizycy wierzą w odkrycie teorii szerszej od teorii względności, która wyjaśni, że podróżowanie w czasie nie jest możliwe. Są obecnie dwie kandydatki na taką teorię: teoria strun i teoria membran. Żadna z nich nie jest obecnie ukończona.


2. Istnieją już w Wszehświecie gotowe kanaly (wormholes) łączące różne Wszechświaty i jedynie, co pozostaje by podróżować do przeszłości to wykorzystanie tych kanałów. Problemem jest to, że kanały te są otwarte dla nas tylko w pewnych momentach (otwierane przez wehikuły czasu). Nie widzimy podróżników w czasie (tych z przyszłości) ponieważ wehikuły czasu nie zostały jeszcze wynalezione.


3. Naturalne wehikuly czasu istnieją i są wykorzystywane są przez ludzi do odwiedzania XXI wieku. Jednak, jak przewiduje teoria istnieje nieskończona ilość równoległych Wszechświatów. Być może Podróżnicy do przeszłości przebywają w jakimś równoległym do naszego Wszecheświecie. Ze względu na nieskończoną ilość istniejących Wszechświatów istnieje bardzo mała szansa, że taki podróżnik trafi akurat do naszego Wszechświata. Jeżeli powyższe nas nie przekonuje, rozważmy inne prozaiczne powody:


4. Zakładamy, że podróżnicy do przeszłości zechcą odwiedzić nasz XXI wiek. Być może jednak inne epoki są dla nich o wiele bardziej interesujące.


5. Byc może tacy podróżnicy są między nami ale celowo się nie wyróżniają!

Gotów byłbym się założyć, że podróżowanie do przeszłości jest niemożliwie nawet teoretycznie. Podóżowanie do przyszłości wymaga tylko odpowiednio szybkiego pojazdu. Jednak uważaj; jeżeli dostaniesz się do przyszłości, nie ma już powrotu do przeszłości. Jest to podróż w jedną stronę!

Referencje

Hafele JC, Keating RE (1972a) Around-the-world atomic clocks: predicted relativistic time gains. Science 177(4044): 166-167. doi: 10.1126/science.177.4044.166

Hafele JC, Keating RE (1972b) Around-the-world atomic clocks: observed relativistic time gains. Science 177(4044): 168-170. doi: 10.1126/science.177.4044.168

Landua R (2008) The LHC: a look inside. Science in School 10: 34-45. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhchow

Landua R, Rau M (2008) The LHC: a step closer to the Big Bang. Science in School 10: 26-33. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhcwhy

Zasoby informacji w sieci

w1 – Więcej informacji na temat CERN, największego na świecie akceleratora cząstek, patrz: www.cern.ch

w2 – Więcej informacji na temat doświadczenia dotyczącego czasu życia mionów, patrz:

www.teachspin.com/instruments/muon_physics/experiments.shtml
www.jlab.org/~cecire/muonlife.html
www.physics.smu.edu/~coan/outreach/overview.html

w3 – więcej informacji na temat doswiadczenia Hafele-Keating, patrz: http://en.wikipedia.org/wiki/Hafele-Keating_experiment

Źródła

O teori względności i podróży w czasie:

Al-Khalili J (1999) BlackHoles, Wormholes and Time Machines. London, UK: Taylor and Francis

O podróży w czasie:

Davies P (2002) How to Build a Time Machine. London, UK: Penguin

O teorii względności:

Epstein LC (1981) Relativity Visualised. San Francisco, CA, USA: Insight Press Mermin ND (1989) Space and Time in Special Relativity. Prospect Heights, IL, USA: Waveland Press

Stannard R (1989) The Time and Space of Uncle Albert. London, UK: Faber and Faber

O teorii strun:

Greene B (2000) The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions and the Quest for the Ultimate Theory. New York, NY, USA: Vintage

Jim Al-Khalili jest profesorem fizyki na wydziale „Popularyzacji Fizyki” Uniwersytetu w Surrey, gdzie wykłada od 12 lat. Ma również audycje popularnonaukowe w radio i w telewizji.