Wehiku│ czasu

Od czasu, gdy s│ynny pisarz Herbert Wells napisa│ w 1895 r. powie╢µ pt "Wehiku│ czasu", ludzi fascynuje mo┐liwo╢µ odbywania podr≤┐y w czasie. Czy┐ nie by│oby cudownie obejrzeµ na w│asne oczy, jak budowano piramidy w Egipcie? Zajrzeµ do Biblioteki Aleksandryjskiej, zanim poch│onΩ│y j▒ p│omienie, a mo┐e nawet... uratowaµ j▒ od zniszczenia? A czy nie jeste╢my ciekawi, jak bΩdzie na Ziemi za trzysta lat?

Mo┐liwo╢µ podr≤┐y w czasie fascynuje nie tylko mi│o╢nik≤w literatury i film≤w science-fiction, ale tak┐e - a mo┐e przede wszystkim - fizyk≤w teoretyk≤w i matematyk≤w. Twierdz▒ oni, ┐e powinni╢my zapomnieµ o wellsowskim fotelu z prze│▒cznikami, za pomoc▒ kt≤rego Podr≤┐nik W Czasie przemieszcza│ siΩ przez eony. Energia potrzebna do zakrzywienia czasoprzestrzeni jest tak niewyobra┐alnie wielka, ┐e nie wystarczy│oby do tego pr▒du produkowanego w ci▒gu stuleci przez wszystkie elektrownie ╢wiata.
Jedyne ╝r≤d│a energii zdolne zakrzywiµ czasoprzestrze± istniej▒ w przestrzeni Wszech╢wiata w postaci czarnych dziur. Dlatego naukowcy, w oparciu o og≤ln▒ teoriΩ wzglΩdno╢ci Einsteina, tworz▒ kolejne modele czasoprzestrzennych tuneli, przej╢µ przez czarne dziury, bia│e dziury, hiperprzestrze±. Pisz▒ skomplikowane r≤wnania, pr≤buj▒c zrozumieµ naturΩ czasu, przestrzeni i ca│ego Wszech╢wiata. Wyniki ich oblicze± - czΩsto potwierdzonych do╢wiadczeniami - niekiedy wrΩcz szokuj▒, odkrywaj▒c przed nami niewyobra┐alne ╢wiaty.

Czas nie p│ynie dla wszystkich jednakowo!

»eby zrozumieµ, o czym m≤wi▒ fizycy, najpierw trzeba zrozumieµ, czym jest czas. Staro┐ytni Grecy uznawali czas za uniwersaln▒ w│asno╢µ wszystkich rzeczy i zjawisk, niezale┐n▒ od nikogo i niczego. Czas dla nich zawsze bieg│ do przodu z t▒ sam▒ szybko╢ci▒. Tak samo uwa┐a│ Isaak Newton, tw≤rca fizyki klasycznej, przypisuj▒c czasowi niezmienne trwanie niezale┐nie od tego, co siΩ dzieje na ╢wiecie. Ka┐dy z nas, ludzi, intuicyjnie przyzna, ┐e sir Newton mia│ racjΩ - czas to czas, nie da siΩ z nim nic zrobiµ, wszΩdzie p│ynie jednakowo, co udowadniaj▒ zegary odliczaj▒ce sekundy.
I tu nasza intuicja siΩ myli. Ot≤┐ okazuje siΩ, ┐e czas wcale nie p│ynie tak samo w r≤┐nych punktach ╢wiata - inaczej p│ynie tu┐ przy powierzchni Ziemi, a inaczej na szczycie Mount Everestu, a jeszcze inaczej na Marsie, nie m≤wi▒c ju┐ o czarnych dziurach.
Dlaczego tak siΩ dzieje? Na to pytanie odpowiada og≤lna teoria wzglΩdno╢ci Alberta Einsteina: czas nie istnieje niezale┐nie od wszystkiego, ale jest ╢ci╢le zwi▒zany z trzema wymiarami naszej przestrzeni (d│ugo╢ci▒, szeroko╢ci▒/g│Ωboko╢ci▒ i wysoko╢ci▒), tworz▒c z nimi czterowymiarow▒ czasoprzestrze±. Wszelkie si│y dzia│aj▒ce na przestrze± oddzia│uj▒ tak┐e na czas, tylko ┐e jest to zauwa┐alne, dopiero gdy powa┐nie wzrasta grawitacja lub prΩdko╢µ obserwowanego obiektu, co w pewnym sensie znaczy to samo. Ot≤┐ Einstein wyliczy│, ┐e w silnym polu grawitacyjnym czas ulega spowolnieniu. Tak wiΩc czas na S│o±cu biegnie wolniej ni┐ na Ziemi, a wysoko ponad Ziemi▒ szybciej ni┐ na poziomie morza.
Prawdziwo╢µ tej teorii zosta│a ju┐ wielokrotnie udowodniona eksperymentalnie. W 1968 roku ameryka±ski fizyk Irving Shapiro podczas bardzo skomplikowanego eksperymentu zmierzy│ nawet to op≤╝nienie czasu na S│o±cu w stosunku do czasu ziemskiego, mierzonego na poziomie morza - jest ono bardzo ma│e, rzΩdu jednej dziesiΩciotysiΩcznej sekundy.
W 1960 roku dwaj ameryka±scy fizycy, Robert Pound i Glen Rebka, zmierzyli r≤┐nicΩ czasu wystΩpuj▒c▒ na r≤┐nych wysoko╢ciach na Ziemi. Por≤wnali oni szybko╢µ up│ywu czasu u podstawy wie┐y i na wysoko╢ci 22,6 metra. Z teorii wynika│o, ┐e r≤┐nica czasu powinna byµ niezwykle ma│a - zaledwie 3 dziesiΩciotysiΩczne jednej miliardowej czΩ╢ci sekundy, ale dziΩki zastosowaniu niezwykle pomys│owego "zegara" naukowcom uda│o siΩ zmierzyµ tΩ r≤┐nicΩ i tym samym dowie╢µ po raz kolejny prawdziwo╢ci teorii wzglΩdno╢ci Einsteina.
Mo┐na powiedzieµ, ┐e r≤┐nice w szybko╢ci up│ywu czasu s▒ tak ma│e, ┐e nie powinny byµ w og≤le brane pod uwagΩ, wiΩc o co tyle ha│asu, i co to ma wsp≤lnego z maszyn▒ do przenoszenia siΩ w czasie? Chodzi o to, ┐e istniej▒ takie sytuacje, kiedy czas p│ynie o wiele szybciej.

Ekspres do przysz│o╢ci

Z teorii wzglΩdno╢ci wynika, ┐e czas p│ynie wolniej w silnym polu grawitacyjnym, gdy┐ grawitacja zakrzywia czasoprzestrze±. Wiadomo te┐, ┐e im dany przedmiot porusza siΩ szybciej, tym bardziej jego masa siΩ zwiΩksza, a tak┐e grawitacja wok≤│ tego przedmiotu jest silniejsza i czas p│ynie wolniej. Chyba wszystkim znana jest s│ynna opowie╢µ o dw≤ch bli╝niakach. Jeden zostaje na Ziemi, a drugi wybiera siΩ rakiet▒ w podr≤┐ kosmiczn▒. Za│≤┐my, ┐e rakieta pΩdzi przez przestrze± z szybko╢ci▒ blisk▒ prΩdko╢ci ╢wiat│a, przez kilka godzin - wed│ug zegara w rakiecie (ani przyrz▒dy w rakiecie, ani sam kosmonauta nie zauwa┐▒ zwolnienia czasu; dla nich czas bΩdzie p│yn▒│ tak jak zwykle, gdy┐ wszystkie procesy na pok│adzie statku bΩd▒ zachodzi│y wolniej), hamuje, zawraca i udaje siΩ w drogΩ powrotn▒ ku Ziemi. Gdy bli╝niak kosmonauta wysi▒dzie z rakiety po podr≤┐y, kt≤ra dla niego trwa│a kilka godzin, ujrzy swego brata mocno posuniΩtego w latach. Mo┐na wiΩc powiedzieµ, ┐e bli╝niak kosmonauta w│a╢nie dokona│ podr≤┐y w przysz│o╢µ. Gdyby podr≤┐owa│, za│≤┐my, przez kilka lat wed│ug wskaza± pok│adowego zegara, z tak wielk▒ prΩdko╢ci▒, wr≤ciwszy na ZiemiΩ, odkry│by, ┐e tutaj minΩ│o kilkaset lub nawet kilka tysiΩcy lat (zale┐a│oby to od czasu i szybko╢ci lotu). Prawdziwy skok w czasie!
A teraz bardzo wa┐ne dla naszego czasonauty pytanie - czy mo┐e on wr≤ciµ do swoich czas≤w?

Brama do innego wszech╢wiata

Z og≤lnej teorii wzglΩdno╢ci Einsteina wynika istnienie czarnych dziur. S▒ to miejsca w przestrzeni, gdzie pole grawitacyjne jest tak silne, ┐e cokolwiek znajdzie siΩ w jego zasiΩgu, wpada tam i nie mo┐e siΩ wydostaµ - nawet ╢wiat│o (rys. 2).
Sk▒d siΩ wziΩ│y czarne dziury? Kiedy╢ by│y olbrzymimi, sferycznymi (kulistymi) gwiazdami, kt≤re po wypaleniu swego paliwa j▒drowego nadal mia│y masΩ 10-krotnie - lub wiΩcej - wiΩksz▒ od masy naszego S│o±ca. Wtedy pod wp│ywem w│asnego pola grawitacyjnego zaczΩ│y siΩ zapadaµ. A im ich materia by│a bardziej upakowana (╢cie╢niona), tym pole grawitacyjne by│o wiΩksze. Gdy to ╢cie╢nianie osi▒gnΩ│o pewn▒ warto╢µ krytyczn▒ - tzw. promie± Schwarzschilda (dla S│o±ca wynosi on 3 km , a dla Ziemi 1 cm - znaczy to, ┐e Ziemia sta│aby siΩ czarn▒ dziur▒, gdyby komu╢ uda│o siΩ ca│▒ jej materiΩ tak ╢cisn▒µ, by jej promie± nie przekroczy│ 1 cm), nic ju┐ nie by│o w stanie zatrzymaµ dalszego zapadania siΩ materii. Pole grawitacyjne wok≤│ tego obiektu robi siΩ tak potΩ┐ne, ┐e nic, nawet ╢wiat│o, nie jest w stanie siΩ stamt▒d wydostaµ. Promie± Schwarzschilda jest tak zwanym horyzontem zdarze± - ╢wiat│o czy wszelka materia, kt≤ra przejdzie poza horyzont, znika nam z oczu i nie mamy pojΩcia, co siΩ z ni▒ dalej dzieje. Jedynie matematycy mog▒ za pomoc▒ oblicze± co nieco na ten temat powiedzieµ.

Astronomowie s▒ ju┐ niemal pewni - na 95% - ┐e odnale╝li takie czarne dziury. W 1974 roku genialny fizyk teoretyk Stephen Hawking, specjalista od czarnych dziur, oraz ameryka±ski fizyk Rip Thorne za│o┐yli siΩ o to, czy w odkrytym dwa lata wcze╢niej uk│adzie gwiezdnym úabΩdzia obiekt oznaczony X-1 jest czarn▒ dziur▒ czy nie. Hawking twierdzi│, ┐e nie. Gdyby przegra│, mia│ op│aciµ Thornowi roczn▒ prenumeratΩ pornograficznego pisma "Penthouse", gdyby wygra│, przez rok otrzymywa│by pismo "Private Eye". Przez wiele lat zak│ad by│ nie rozstrzygniΩty, lecz gdy pewnego dnia 1990 roku Rip Thorne otrzyma│ pierwszy egzemplarz pisma, by│o jasne, ┐e Hawking siΩ podda│.
Czarne dziury to bardzo dziwne obiekty. Wiadomo, ┐e w ka┐dej dziurze tkwi naga osobliwo╢µ - kulka horrendalnie masywnej materii, na powierzchni kt≤rej grawitacja jest niesko±czona, co prowadzi do zniszczenia ka┐dej materii, rozerwania ka┐dego atomu na najdrobniejsze czΩ╢ci. Tam nawet czasoprzestrze± siΩ rozpada na kawa│ki, tak zwane czasowe kwanty Plancka. W tym miejscu czas siΩ ko±czy.
Jednak┐e czarna dziura daje szansΩ na b│yskawiczne podr≤┐e w odleg│e rejony Wszech╢wiata lub nawet do innych wszech╢wiat≤w, kt≤re to podr≤┐e s▒ jednocze╢nie podr≤┐ami w czasie.

Gumowa czasoprzestrze±

Jak wygl▒da czasoprzestrze±? Wed│ug naukowc≤w ma ona wiΩcej ni┐ cztery wymiary - jest ich prawdopodobnie 10. Ale na razie zajmiemy siΩ naszymi czterema. I tak trudno je sobie wyobraziµ. W wielkim uproszczeniu czasoprzestrze± wygl▒da jak pi│ka zrobiona ze sprΩ┐ystej gumy (mo┐na te┐ dla potrzeb poni┐szego przyk│adu wyobraziµ sobie jedynie p│aski kawa│ek powierzchni tej pi│ki). Je╢li na ow▒ gumΩ po│o┐ymy drewnian▒ kulkΩ, guma pod ni▒ lekko siΩ ugnie - ta zakrzywiona przestrze± wok≤│ kulki oznacza grawitacjΩ, kt≤ra jest niczym innym, jak w│a╢nie zakrzywieniem przestrzeni wok≤│ ciΩ┐kiego obiektu. Im obiekt jest masywniejszy, tym guma siΩ bardziej zapada, i tym samym zakrzywienie - a wiΩc i grawitacja - jest wiΩksze. Czarna dziura jest tak masywna, tak bardzo naci▒ga tkankΩ czasoprzestrzeni, ┐e przerywa j▒, tworz▒c przej╢cia do innych przestrzeni lub wszech╢wiat≤w. Do innych czas≤w.

Czy mo┐na wykorzystaµ czarn▒ dziurΩ do podr≤┐y kosmicznych?
Albert Einstein wraz ze swym wsp≤│pracownikiem Nathanem Rosenem stworzyli model takiego tunelu. Po jednej jego stronie jest czarna dziura, po drugiej natomiast jej przeciwie±stwo - bia│a dziura, kt≤ry wypluwa z siebie wszystko, nic wiΩc nie mo┐e do niej wpa╢µ. Niestety, matematyczne obliczenia wskaza│y, ┐e ten tw≤r - tzw. most Einsteina-Rosena - jest tak niestabilny, ┐e najmniejsza ilo╢µ energii, kt≤ra siΩ tam dostanie, natychmiast powoduje zamkniΩcie mostu, a bia│a dziura zamienia siΩ w czarn▒. Teoretycznie jest mo┐liwe ustabilizowanie mostu, trzeba go jedynie wype│niµ egzotyczn▒ materi▒. Na razie nic o niej nie wiadomo. Jednak┐e most ten by│ tworzony w oparciu o czarn▒ dziurΩ stworzon▒ z gwiazdy, kt≤ra siΩ nie obraca│a. W 1963 roku nowozelandzki matematyk Roy Kerr obliczy│, ┐e je╢li czarna dziura powstanie z obracaj▒cej siΩ gwiazdy, to gwiazda nie zapadnie siΩ do punktu - owej niszcz▒cej nagiej osobliwo╢ci, lecz ulegnie sp│aszczeniu i zostanie zgnieciona w pier╢cie± o interesuj▒cych nas w│a╢ciwo╢ciach: je╢li statek kosmiczny wleci do niej z boku, zostanie z pewno╢ci▒ zniszczony. Ale gdy wleci dok│adnie w kierunku ╢rodka pier╢cienia, to istniej▒ca tam si│a grawitacji, choµ olbrzymia, nie by│aby niesko±czona, a wiΩc odpowiednio zaawansowany technologicznie statek m≤g│by przetrwaµ i przelecieµ na drug▒ stronΩ do innej przestrzeni, czasu itp. A czy mo┐na zbudowaµ maszynΩ do podr≤┐owania w czasie, nie korzystaj▒c z czarnych dziur? Teoretycznie tak, i nawet istniej▒ projekty takich machin. Ich autorem jest Rip Thorne. W 1985 roku znany astronom i pisarz Carl Sagan poprosi│ Thorne╒a, by ten spr≤bowa│ stworzyµ podstawy teoretyczne urz▒dzenia, kt≤re, nie zaprzeczaj▒c teorii Einsteina m≤wi▒cej o tym, ┐e nic nie mo┐e siΩ poruszaµ szybciej ni┐ ╢wiat│o, umo┐liwi│oby pokonywanie w kr≤tkim czasie olbrzymich odleg│o╢ci. Chcia│ wykorzystaµ ten pomys│ w swojej fantastyczno-naukowej ksi▒┐ce pt. "Kontakt". Po d│ugim namy╢le Thorne co╢ takiego wymy╢li│: tunel czasoprzestrzenny ca│kowicie bezpieczny dla cz│owieka, kt≤ry nie tylko pozwoli│by na podr≤┐owanie w przestrzeni, ale i w czasie. Niestety, skonstruowanie tego tunelu wymaga takich ilo╢ci energii oraz stworzenia tak egzotycznej materii, ┐e d│ugo jeszcze - o ile w og≤le - nie bΩdziemy w stanie tego zrobiµ.

Zabiµ swego dziadka

Za│≤┐my, ┐e uda│o nam siΩ stworzyµ maszynΩ czasu, kt≤r▒ mo┐emy siΩ udaµ w dowolnie odleg│▒ przesz│o╢µ. Wielu fizyk≤w uwa┐a, ┐e takie podr≤┐e w przesz│o╢µ s▒ zakazane - nie za spraw▒ jakiego╢ ludzkiego prawa, lecz prawa natury, kt≤ra nie pozwala na zerwanie przyczynowo╢ci. Lecz coraz wiΩcej badaczy przychyla siΩ ku stanowisku, ┐e podr≤┐e w czasie s▒ mo┐liwe - i s▒ bezpieczne. »e s│ynny paradoks dziadka nigdy nie wyst▒pi, gdy┐ Natura sama o to zadba. Przypomnijmy: udajemy siΩ w przesz│o╢µ, napotykamy naszego wrednego dziadka, zabijamy go - i co dalej? Znikamy, bo nigdy siΩ nie urodzili╢my? WiΩc kto zabi│ dziadka?
Ot≤┐ z teorii Einsteina wynika, ┐e skoro linia czasu naszego ┐ycia ju┐ powsta│a, bΩdzie ci▒gn▒µ siΩ zawsze. Nie ma mo┐liwo╢ci jej wytarcia. Co to oznacza dla podr≤┐nika w czasie? To, ┐e jego przesz│o╢µ i przysz│o╢µ siΩ wype│ni▒, a to za spraw▒ pΩtli czasowych. Je╢li ju┐ udali╢my siΩ do dziadka, by go zabiµ, mo┐e siΩ okazaµ, ┐e nie jeste╢my w stanie z jakich╢ przyczyn tego zrobiµ. Mo┐e nam siΩ udaµ jedynie np. spoliczkowaµ go. Ale wtedy byµ mo┐e przypomni siΩ nam opowie╢µ dziadka, jak to pewnego dnia spotka│ nieznajomego m│odego cz│owieka, kt≤ry bez ┐adnego powodu da│ mu w twarz.
Ot≤┐ wed│ug najnowszych teorii, gdy dzia│aj▒ pΩtle czasu, nie tylko przesz│o╢µ wp│ywa na przysz│o╢µ, ale i przysz│o╢µ wp│ywa na przesz│o╢µ. Dlatego mo┐na obejrzeµ, jak zosta│y zbudowane piramidy, przejrzeµ zasoby Biblioteki Aleksandryjskiej, ale nigdy nam siΩ nie uda jej ocaliµ od po┐aru. Bo gdyby siΩ nam uda│o, istnia│aby teraz wraz z legend▒ o dziwnym przybyszu, kt≤ry uratowa│ dziedzictwo ludzko╢ci.

Ewa Ray www.gwiazdy.com.pl

POWR╙T