Z biegiem lat nasze poglądy na naturę czasu bardzo się zmieniły. Do początków XX wieku wierzyliśmy w absolutny czas, czyli uważaliśmy, że każdemu zdarzeniu można jednoznacznie przypisać liczbę zwaną czasem, i sądziliśmy, że wszystkie dobre zegary wskażą jednakowy odcinek czasu między dwoma zdarzeniami.
Lecz odkrycie, że dla każdego obserwatora prędkość światła jest taka sama niezależnie od tego, czy i jak dany obserwator się porusza, doprowadziło do powstania Teorii Względności, a wraz z nią do porzucenia idei jednoznacznego, absolutnego czasu.
Czas zdarzeń nie może być jednoznacznie określony. Każdy obserwator posiada swoją własną miarę czasu, mierzoną jego własnym zegarem, a zegary różnych obserwatorów nie muszą się zgadzać między sobą.
W ten sposób czas stał się koncepcją bardziej osobistą, zależną od obserwatora, który mierzy jego upływ. Nadal jednak był traktowany, jakby stanowił prostą linię kolejową, wzdłuż której można się poruszać tylko w jednym kierunku. Czy linia czasu może mieć pętle i rozgałęzienia, dzięki którym pociąg pędziłby wciąż do przodu, lecz mimo to wróciłby do stacji, z której wyruszył? Innymi słowy, czy możliwa jest podróż w przyszłość lub w przeszłość? Ideę tę rozwinął w Wehikule czasu H. G. Wells, a także inni, liczni autorzy science fiction. Wiele spośród niegdysiejszych idei literatury tego gatunku, na przykład łodzie podwodne i podróże na Księżyc, z czasem stało się rzeczywistością, więc jakie są perspektywy podróży w czasie?
Paradoks bliźniąt
Podróż w przyszłość jest możliwa. Teoria Względności dowodzi, że można zbudować maszynę czasu, która przeniesie cię w przyszłość. Wystarczy wejść do środka, odczekać i wyjść, aby się przekonać, że znacznie więcej czasu upłynęło na Ziemi, niż upłynęło dla ciebie. Dzisiaj nie mamy jeszcze technologii, aby przedsięwziąć taką podróż, lecz jest to zadanie dla przyszłych inżynierów. Wiemy, że jest to możliwe. Jedna z metod realizacji takiej maszyny opierałaby się na wykorzystaniu paradoksu bliźniąt.
Rozważmy parę bliźniaków, z których jeden żyje na szczycie góry, a drugi na poziomie morza. Górski bliźniak starzeje się szybciej niż jego nizinny odpowiednik, więc gdy się w końcu spotkają, będzie nieco starszy. W tym konkretnym przypadku różnica wieku będzie bardzo mała, lecz byłaby znacznie większa, gdyby jeden z bliźniaków wybrał się w długą podróż statkiem kosmicznym rozpędzonym do prędkości bliskiej prędkości światła. Po powrocie podróżnik będzie znacznie młodszy od swego mniej ruchliwego brata. Jest to tak zwany paradoks bliźniąt, lecz stanowi prawdziwy paradoks tylko dla kogoś przywiązanego do koncepcji absolutnego czasu. W Teorii Względności nie istnieje absolutny czas; każdy obiekt ma własną miarę czasu, która zależy od tego, gdzie się znajduje i w jaki sposób się porusza.
Przed rokiem 1915 (Ogólna Teoria Względności) przestrzeń i czas były uważane za nieruchomą arenę, w której zachodzą zdarzenia, lecz nie wywierają na nią wpływu. Tak było nawet w Szczególnej Teorii Względności. Ciała się poruszały, siły przyciągały i odpychały, lecz czas i przestrzeń pozostawały niezmienne i naturalne wydawało się założenie, że trwały wiecznie. W Ogólnej Teorii Względności sytuacja jest jednak całkiem odmienna. Czas i przestrzeń stanowią teraz dynamiczne wielkości: gdy ciało się porusza lub gdy działa siła – zmienia się zakrzywienie czasu i przestrzeni, a struktura czasoprzestrzeni wpływa z kolei na sposób, w jaki ciała się poruszają i siły działają. Przestrzeń i czas nie tylko wywierają wpływ, lecz także zmieniają się pod wpływem wszystkiego, co dzieje się we Wszechświecie. Podobnie jak nie można rozważać zjawisk zachodzących we Wszechświecie nie uwzględniając pojęć przestrzeni i czasu, w Ogólnej Teorii Względności nie ma sensu rozważanie przestrzeni i czasu poza granicami Wszechświata. Po roku 1915 to nowe rozumienie przestrzeni i czasu zrewolucjonizowało nasze poglądy na Wszechświat. Dawna idea zasadniczo niezmiennego Wszechświata, który mógł istnieć wiecznie i który będzie istniał wiecznie, została zastąpiona przez koncepcję dynamicznego, rozszerzającego się Wszechświata, który zaczął się w pewnym określonym momencie w przeszłości i który może się skończyć w pewnym określonym momencie w przyszłości.
Podróż w przyszłość polegałaby na tym, że maszyna rozpędzałaby się do prędkości zbliżonej do prędkości światła, kontynuowałaby lot przez pewien czas (zależnie od tego, jak daleko w przyszłość chciałby się przenieść siedzący w środku podróżnik), a następnie wracałaby do punktu startu. Nie powinno nas dziwić, że maszyna czasu jest równocześnie statkiem kosmicznym 1, ponieważ w Teorii Względności czas i przestrzeń są ze sobą związane. W każdym razie z punktu widzenia podróżnika jedyne „miejsce”, w którym spędzi on całą podróż, to wnętrze maszyny czasu, a gdy je opuści, przekona się, że więcej czasu upłynęło na Ziemi niż na jego (także biologicznym) zegarze. Odbył podróż w przyszłość. Czy może wrócić? Czy da się stworzyć warunki niezbędne do podróży wstecz w czasie?
Gödel: podróż wstecz w czasie jest możliwa
Pierwsza wskazówka, że prawa fizyki mogą rzeczywiście umożliwić podróż wstecz w czasie, pojawiła się w 1949 roku, gdy wybitny austriacki logik i matematyk Kurt Gödel odkrył nowe rozwiązanie równań Einsteina, czyli nową czasoprzestrzeń dopuszczalną przez Ogólną Teorię Względności. Wiele różnych matematycznych modeli Wszechświata spełnia równania Einsteina, lecz nie oznacza to oczywiście, że odpowiadają one Wszechświatowi, w którym żyjemy. Różnią się one między innymi warunkami początkowymi lub brzegowymi. Aby się przekonać, czy modele te odpowiadają naszemu Wszechświatowi, musimy przeanalizować ich fizyczne przewidywania.
Gödel był matematykiem. Sławę przyniósł mu dowód, że nie da się wykazać prawdziwości wszystkich twierdzeń nawet w tak sformalizowanej i powszechnie znanej dziedzinie jak arytmetyka. Twierdzenie o niezupełności Gödla, które w pewnym sensie jest matematycznym odpowiednikiem zasady nieoznaczoności, może stanowić równie fundamentalne ograniczenie naszych możliwości zrozumienia i przewidywania Wszechświata. Gödel poznał Teorię Względności w Institute for Advanced Study w Princeton, gdzie on i Einstein spędzili ostatnie lata swego życia. Czasoprzestrzeń Gödla ma pewną dziwną właściwość – odkryte przez niego rozwiązanie opisuje wirujący Wszechświat.
Co to znaczy, że cały Wszechświat wiruje? Wirowanie oznacza ciągły obrót wokół osi, lecz czy nie wymaga to istnienia stacjonarnego punktu odniesienia? Można zadać pytanie, względem czego wiruje. Odpowiedź jest technicznie dość złożona, lecz w zasadzie oznacza, że odległa materia wiruje względem kierunków wyznaczonych przez niewielkie bąki – żyroskopy – znajdujące się we Wszechświecie. Uboczny skutek wirowania Wszechświata w czasoprzestrzeni Gödla polega na tym, że jeżeli ktoś wyruszy w podróż bardzo daleko od Ziemi, a następnie wróci, to matematycznie możliwy jest powrót w czasie poprzedzającym moment startu.
Zirytowany Einstein
Odkrycie, że równania dopuszczają taką możliwość, niezmiernie zirytowało Einsteina, który sądził, że Ogólna Teoria Względności nie pozwala na podróże w czasie.
Rozwiązanie znalezione przez Gödla spełnia wprawdzie równania Einsteina, lecz nie opisuje naszego Wszechświata, ponieważ obserwacje wskazują, że nasz Wszechświat nie wiruje. W każdym razie nie wiruje w zauważalny sposób.
Z kolei wszechświat Gödla nie rozszerza się, w odróżnieniu od naszego Wszechświata.
Tymczasem naukowcy odkryli inne rozwiązania równań Ogólnej Teorii Względności, które dopuszczają także podróże wstecz w czasie.
Obserwacje mikrofalowego promieniowania tła oraz rozpowszechnienia takich pierwiastków jak wodór i hel wskazują jednak, że wczesny Wszechświat nie był zakrzywiony w takim stopniu, aby umożliwić podróże wstecz w czasie. Ten sam wniosek można wyprowadzić, jeżeli założy się hipotezę wszechświata bez brzegów.
Powstaje zatem pytanie: Jeżeli Wszechświat zaczął się bez zakrzywienia niezbędnego do podróży w czasie, to czy możliwe jest późniejsze, lokalne zakrzywienie czasoprzestrzeni, które jednak dopuszczałoby takie podróże?
Czy da się szybciej od światła?
Czas i przestrzeń są ze sobą związane, więc nie ma nic dziwnego w tym, że kwestia podróży w czasie jest ściśle powiązana z pytaniem, czy możliwa jest podróż z prędkością większą od prędkości światła. Nietrudno zauważyć, dlaczego podróż wstecz w czasie implikuje podróż z nadświetlną prędkością: aby podróżować z nieograniczoną prędkością, wystarczy zmniejszyć czas podróży, a do tego celu wystarczy ostatni odcinek podróży przemierzyć wstecz w czasie). Taka sama zależność obowiązuje w drugą stronę: jeżeli potrafisz podróżować z nieograniczoną prędkością, to możesz również podróżować wstecz w czasie, jedno nie może być możliwe bez drugiego.
Kwestia podróży szybciej od światła stanowi zasadniczy problem dla pisarzy science fiction. Zgodnie z Ogólną Teorią Względności, jeżeli wyślemy statek kosmiczny do najbliższej gwiazdy, Proximy Centauri, która znajduje się w odległości około czterech lat świetlnych, to dopiero po niemal ośmiu latach możemy się spodziewać powrotu podróżników i wieści o tym, co znaleźli. A gdyby ekspedycja miała dotrzeć do centrum Galaktyki, to podróż tam i z powrotem zajmie co najmniej sto tysięcy lat. Niezbyt zachęcająca perspektywa do tworzenia prozy o galaktycznych wojnach! Teoria Względności oferuje wprawdzie pewnego rodzaju nagrodę pocieszenia, gdyż wyprawa może się wydawać znacznie krótsza z punktu widzenia podróżników niż tych, którzy pozostali na Ziemi. Lecz powrót na planetę po kilkuletniej podróży nie byłby chyba zbyt radosny dla podróżnika, który przekona się, że wszyscy, których pożegnał przed wyruszeniem na wyprawę, są martwi od wielu tysięcy lat. Aby pozyskać zainteresowanie czytelników, autorzy powieści science fiction muszą zakładać, że któregoś dnia odkryjemy, jak podróżować szybciej od światła. Większość z nich nie zdaje sobie jednak sprawy, że każdy, kto potrafi podróżować szybciej od światła, potrafi również podróżować wstecz w czasie, co wynika wprost z Teorii Względności, a ilustruje poniższy wierszyk:
| There was a young lady of Wight Who traveled much faster than light She departed one day In a relative way And arrived on the previous night. |
Pewna młoda dama z wyspy Wight podróżując szybciej od światła pognała pewnego ranka i do swego kochanka przybyła poprzedniej nocy. |
Klucz do zrozumienia tego związku stanowi Teoria Względności, która mówi, że nie tylko nie istnieje jednoznaczna miara czasu, wspólna dla wszystkich obserwatorów, lecz w pewnych warunkach obserwatorzy ci nie będą zgodni nawet co do kolejności zdarzeń. W szczególności, jeżeli dwa zdarzenia, A i B, zaszły tak daleko od siebie w przestrzeni, że rakieta musiałaby przekroczyć prędkość światła, aby dostać się od zdarzenia A do B, to dwaj obserwatorzy poruszający się z różnymi prędkościami mogą się różnić co do tego, czy zdarzenie A zaszło wcześniej niż B, czy odwrotnie. Załóżmy na przykład, że zdarzeniem A jest finał w biegu na sto metrów na igrzyskach olimpijskich w 2020 roku, natomiast zdarzeniem B jest rozpoczęcie 100 004 posiedzenia Kongresu Proximy Centauri. Przypuśćmy, że dla obserwatora na Ziemi zdarzenie B zaszło później niż A — powiedzmy, że B zaszło rok później, w 2021 roku według ziemskiego czasu. Ziemię od Proximy Centauri dzieli około czterech lat świetlnych, więc zdarzenia A i B spełniają powyższe kryterium – A zaszło wprawdzie wcześniej, lecz podróż od zdarzenia A do B musiałaby się odbywać szybciej od światła. Dla obserwatora na Proximie Centauri oddalającego się od Ziemi z prędkością bliską prędkości światła, kolejność zdarzeń byłaby odwrotna: zdarzenie B zaszłoby przed zdarzeniem A. Obserwator ten stwierdziłby, że można się dostać od zdarzenia B do A, jeżeli przekroczy się prędkość światła. W istocie, jeśli poruszałby się naprawdę szybko, mógłby dotrzeć z A na Proximę Centauri przed wyścigiem i obstawić wynik u bukmachera, mając pełną wiedzę o przebiegu zawodów!
Einstein przywołuje do porządku
Z przekraczaniem bariery prędkości światła wiąże się jednak pewien problem. Teoria Względności mówi, że moc potrzebna do rozpędzania rakiety jest tym większa, im prędkość rakiety jest bliższa prędkości światła. Mamy na to eksperymentalne dowody, wprawdzie nie ze statkami kosmicznymi, lecz z cząstkami elementarnymi rozpędzanymi w akceleratorach, w takich ośrodkach jak Fermilab w USA lub CERN w Europie. Potrafimy rozpędzać te cząstki do 99,99% prędkości światła, lecz żadna moc nie jest w stanie zmusić ich do poruszania się szybciej od światła. Podobnie będzie ze statkami kosmicznymi: niezależnie od mocy silników nie będą one w stanie przyspieszyć powyżej prędkości światła. A skoro podróże wstecz w czasie są możliwe tylko wtedy, gdy możliwe są podróże z prędkością większą od prędkości światła, to wydaje się, że jedne i drugie są wykluczone.
Wielki Zderzacz Hadronów, LHC (Large Hadron Collider) to największa maszyna na świecie o długości 27 km, położona na głębokości od 50 do 175 m pod ziemią. Jest akceleratorem cząstek (hadronów); znajduje się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN w pobliżu Genewy (na terenie Francji i Szwajcarii).
