Lawrence M. Krauss - Fizyka podróży międzygwiezdnych (rtf).rtf

LAWRENCE M. KRAUSS

FIZYKA PODRÓŻY MIĘDZYGWIEZDNYCH

( Przełożyli: Ewa L. Łokas; Bogumił Bieniok)

PRZEDMOWA

Było ml bardzo miło, że Data zdecydował się zaprosić Newtona, Einsteina i mnie na partyjkę pokera na pokładzie kosmicznego statku Enterprise. Miałem okazję zdobyć przewagę nad dwoma wielkimi ludźmi grawitacji, zwłaszcza nad Einsteinem, który nie wierzył w przypadek, czyli w to, że Bóg gra w kości. Niestety, nie udało mi się zabrać ze sobą wygranej, ponieważ musieliśmy porzucić grę z powodu alarmu. Kontaktowałem się później ze studiem Paramount, aby zamienić żetony na gotówkę, ale jego przedstawiciele nie znali kursu wymiany.

Fantastyka naukowa, do której należy Star Trek, służy nie tylko dobrej zabawie, ale także poważniejszym celom, takim jak rozszerzanie ludzkiej wyobraźni. Być może nie potrafimy dotrzeć tam, gdzie nie stanęła dotąd ludzka stopa, ale możemy spróbować dokonać tego przynajmniej w wyobraźni. Możemy przewidywać reakcje ludzkości na przyszły postęp w nauce i spekulować na temat charakteru tego postępu. Wymiana myśli między fantastyką naukową a nauką zachodzi w obie strony. Fantastyka dostarcza pomysłów, które naukowcy włączają do swoich teorii, ale czasami to właśnie nauka stwarza pojęcia, które nie przyszłyby do głowy żadnemu autorowi science fiction. Przykładem są czarne dziury, do których rozgłosu walnie przyczyniła się trafna nazwa nadana im przez Johna Archibalda Wheelera. O „zamarzniętych gwiazdach” lub „obiektach całkowicie zapadniętych grawitacyjnie”, jak początkowo nazywano czarne dziury, nie napisano by zapewne nawet połowy tego, co mieliśmy okazję przeczytać.

Zarówno Stor Trek, jak i inne utwory fantastycznonaukowe, poświęcają szczególnie dużo uwagi podróżom z prędkościami ponadświetlnymi. Rzeczywiście, trudno wyobrazić sobie bez nich fabułę Star Trek. Gdyby Enterprise mógł przemieszczać się jedynie z prędkościami choćby niewiele mniejszymi od prędkości światła, podróż do środka Galaktyki i z powrotem trwałaby dla załogi tylko kilka lat, ale na Ziemi upłynęłoby w tym czasie 80 tysięcy lat. Nie byłoby mowy o ponownym spotkaniu z rodziną!

Na szczęście ogólna teoria względności Einsteina stwarza możliwość obejścia tej trudności: można zakrzywić czasoprzestrzeń i stworzyć drogę na skróty między miejscami, które chce się odwiedzić. Mimo pojawiających się wtedy problemów z ujemną energią, takie zakrzywianie czasoprzestrzeni może być dla nas w przyszłości wykonalne. Jak dotąd nie prowadzono w tej dziedzinie zbyt wielu poważnych badań, po części, jak sądzę, dlatego, że za bardzo przypomina to fantastykę naukową. Jedną z konsekwencji szybkich podróży międzygwiezdnych byłaby możliwość podróży wstecz w czasie. Można sobie jednak wyobrazić krzyk, jaki podniosłaby opinia publiczna w obronie pieniędzy podatników, gdyby ogłoszono, że rządowe agendy wspierają finansowo badania nad podróżami w czasie. Naukowcy pracujący w tej dziedzinie muszą zatem ukrywać swoje prawdziwe zainteresowania, używając technicznych terminów, takich jak „zamknięte krzywe czasowe”, które oznaczają po prostu podróże w czasie. Jednakże dzisiejsza fantastyka naukowa staje się często naukowym faktem jutra. Fizyka leżąca u podstaw Star Trek jest niewątpliwie warta zbadania. Ograniczenie poszukiwań do spraw czysto ziemskich byłoby równoznaczne z narzucaniem ograniczeń ludzkiemu duchowi.

STEPHEN HAWKING

WSTĘP

Dlaczego zajmując się fizyką podróży międzygwiezdnych, zagłębimy się w świat Star Trek? Dzieło Gene'a Rodden-berry'ego jest przecież fantastyką i nie przedstawia faktów naukowych. Wiele cudów techniki w tym serialu odwołuje się więc z konieczności do pojęć, które mogą być niewłaściwie zdefiniowane lub w inny sposób pozostają w sprzeczności z naszą obecną wiedzą o Wszechświecie. Nie chciałem napisać książki poświęconej tylko wyliczeniu kwestii, w których twórcy Star Trek nie mieli racji.

Nie mogłem jednak uwolnić się od myśli o tej książce. Przyznam się, że tak naprawdę oczarował mnie transporter. Myślenie o tym, jakim wyzwaniom należałoby sprostać tworząc taką fantastyczną technologię, zmusza do rozważenia szerokiego wachlarza tematów: od komputerów i przekazu informacji po zagadnienia fizyki cząstek elementarnych, mechaniki kwantowej, fizyki jądrowej, budowy teleskopów, zawiłości biologii, a nawet problem istnienia ludzkiej duszy! Do tego doszły jeszcze takie pojęcia, jak zakrzywiona czasoprzestrzeń i podróże w czasie, i tak temat ten wciągnął mnie bez reszty.

Wkrótce zdałem sobie sprawę, że to, co było dla mnie tak fascynujące, bliskie jest temu, co niezmiennie pociąga dzisiejszych wielbicieli Star Trek, prawie trzydzieści lat po wyemitowaniu pierwszego odcinka serialu. Tym czymś, jak to ujął Q, wszechmocny żartowniś ze Star Trek, jest „badanie nieznanych możliwości istnienia”. Q zapewne zgodziłby się ze mną, że samo wyobrażanie sobie tych możliwości to już dobra zabawa.

W przedmowie do tej książki Stephen Hawking stwierdza, że fantastyka naukowa pomaga rozwijać ludzką wyobraźnię. Rzeczywiście, badanie nieskończonych możliwości, jakie niesie przyszłość - łącznie ze światem, w którym, przezwyciężywszy napięcia międzynarodowe i uprzedzenia rasowe, ludzkość wyrusza, by w pokoju badać Wszechświat -jest częścią nie słabnącego powodzenia Stor Trek. Ponieważ wydaje mi się to istotną cechą cudu współczesnej fizyki, na tych właśnie możliwościach postanowiłem się skoncentrować w niniejszej książce.

Jak wynika z przeprowadzonych przeze mnie pewnego dnia nieformalnych badań w trakcie spaceru po miasteczku uniwersyteckim, liczba ludzi w Stanach Zjednoczonych, którzy nie znają wyrażenia „prześlij mnie, Scotty”, jest w zasadzie porównywalna z liczbą ludzi, którzy nigdy nie słyszeli o ketchupie. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że wystawa na temat statku Enterprise, zorganizowana przez Smithsonian Institution w Waszyngtonie, cieszyła się największym powodzeniem w całej historii tamtejszego Muzeum Lotnictwa i Lotów Kosmicznych -większym nawet, niż pokazywany tam prawdziwy statek kosmiczny - staje się oczywiste, iż Star Trek jest dla wielu ludzi symbolem zaciekawienia Wszechświatem. Czy istnieje lepszy kontekst, w którym można by przedstawić jedne z najciekawszych teorii fizyki dnia dzisiejszego i wskazać, w jakim kierunku podąży fizyka jutra? Mam nadzieję, że ta podróż będzie dla czytelników tej książki równie fascynująca, jak dla mnie.

Szerokiej drogi!

CZĘŚĆ I

KOSMICZNY POKER

W części tej fizyka amortyzatorów bezwładności

i wiązek holowniczych przeciera szlak dla podróży w czasie,

napędu czasoprzestrzennego, deflektorów,

tuneli czasoprzestrzennych i innych osobliwości czasoprzestrzeni.

ROZDZIAŁ  I

OTWARCIE NEWTONA

Gdziekolwiek pójdziesz, tam będziesz.

Z tablicy na statku Exctlsior.

Star Trek VI: Nieznany kraj

(prawdopodobnie zapożyczenie z Przygód Buckaroo Banzai)

Znajdujesz się za sterem statku kosmicznego Defiant (NCC-1764), krążącego właśnie po orbicie wokół planety Iconia, w pobliżu strefy neutralnej. Masz spotkać się na drugim końcu tego układu słonecznego ze statkiem będącym składem części zamiennych, by zdobyć części potrzebne do zreperowania głównych cewek zasilających transporter. Nie musisz rozwijać prędkości czasoprzestrzennych; ustawiasz tylko na pełną moc silnik pulsacyjny, aby spokojnie podróżować z prędkością równą połowie prędkości światła. Powinno to wystarczyć do osiągnięcia celu w ciągu kilku godzin; w tym czasie będziesz mógł zaktualizować dziennik pokładowy. W miarę oddalania się od orbity zaczynasz jednak odczuwać silny ucisk w klatce piersiowej. Ręce ci ciążą i przyklejasz się do fotela. Twoje usta zamierają w grymasie, masz wrażenie, że za chwilę oczy wyskoczą ci z orbit, a płynąca w twoim ciele krew nie chce dochodzić do głowy. Powoli tracisz świadomość... i w ciągu kilku minut umierasz.

Co się stało? Nie są to pierwsze oznaki międzyfazowego znoszenia przestrzennego, które później obejmie cały statek, ani atak ukrytego dotąd statku romulańskiego. Padłeś ofiarą czegoś znacznie potężniejszego. Pomysłowi twórcy serialu Star Trek, od których jesteś uzależniony, nie wynaleźli jeszcze amortyzatorów bezwładności; urządzenia te dopiero później zostaną wprowadzone do serialu. Zostałeś pokonany przez coś tak zwykłego, jak prawa ruchu Izaaka Newtona, o których uczymy się w szkole, lecz zazwyczaj szybko zapominamy.

Już słyszę głosy trekkerów:[1] „Ale beznadzieja! Nie częstuj mnie Newtonem. Opowiedz mi o czymś naprawdę interesującym, na przykład jak działa napęd czasoprzestrzenny lub co to za błysk pojawia się przy osiąganiu prędkości czasoprzestrzennych (czy przypomina uderzenie dźwiękowe przy przekraczaniu prędkości dźwięku?), albo co to takiego ten kryształ dwulitu?” W tej chwili mogę jedynie powiedzieć, że dojdziemy i do tego. Podróżowanie po świecie Stor Trek wiąże się z najbardziej niezwykłymi pojęciami w fizyce. Zetkniemy się z wieloma różnymi problemami, zanim będziemy mogli zadać najbardziej fundamentalne pytanie związane ze Star Trek: czy coś z tego może zdarzyć się naprawdę, a jeśli tak, to w jaki sposób?

Zanim udamy się tam, gdzie nikt jeszcze nie dotarł - zanim nawet wyjdziemy z Kwatery Głównej Gwiezdnej Floty - musimy stawić czoło tym samym zagadnieniom, z którymi ponad trzysta lat temu zmagali się Galileusz i Newton. W przeciwnym razie nigdy nie uda nam się rozstrzygnąć kosmicznego pytania, tkwiącego u źródeł wizji Gene'a Roddenberry'ego, twórcy Star Trek: co, na podstawie współczesnej nauki, możemy powiedzieć na temat przyszłości naszej cywilizacji? Pytanie to leży u podstaw tej książki.

Każdy, kto kiedykolwiek znajdował się w samolocie lub szybkim samochodzie, zna uczucie wgniatania w fotel, gdy pojazd rusza z dużym przyspieszeniem. Zjawisko to jeszcze silniej daje się odczuć na pokładzie statku kosmicznego. Reakcje syntezy w silniku pulsacyjnym wytwarzają olbrzymie ciśnienia, które wypychają z dużymi prędkościami gazy i promieniowanie ze statku. To właśnie siła reakcji wywierana na silniki przez uciekający gaz i promieniowanie powoduje „odrzut” w przód. Ponieważ statek jest połączony z silnikami, również zostaje „odrzucony”. Także osoba siedząca przy sterach jest popychana do przodu za sprawą siły wywieranej przez fotel na ciało, które z kolei działa taką samą siłą na fotel.

I tu właśnie tkwi sedno sprawy. Młotek uderzający z dużą prędkością w Twoją czaszkę działa z siłą, która może okazać się śmiertelna. Na podobnej zasadzie może Cię zabić fotel, na którym siedzisz, jeśli siła, którą zadziała on na Twoje ciało, będzie zbyt wielka. Piloci samolotów odrzutowych i statków kosmicznych nazywają siły, jakim poddawane są ich ciała w trakcie dużych przyspieszeń (w samolocie lub podczas wystrzeliwania statku kosmicznego) siłami G. Mogę je opisać posługując się przykładem swoich bolących pleców. Kiedy pracuję na komputerze, zawsze czuję nacisk krzesła na pośladki - presję, z którą nauczyłem się żyć (choć, mógłbym dodać, moje pośladki reagują na to w bardzo niehigieniczny sposób). Siła działająca na moje pośladki ma swoje źródło w grawitacji, która, gdyby nic jej nie przeciwdziałało, spowodowałaby mój ruch w kierunku Ziemi. Powstrzymuje mnie przed tym - czyli przed upadkiem na podłogę - Ziemia, wywierając skierowaną przeciwnie siłę na żelbetonową konstrukcję mojego domu, która działa siłą skierowaną ku górze na drewnianą podłogę mojego gabinetu na pierwszym piętrze; z kolei podłoga działa na krzesło, wywierające siłę na tę część mojego ciała, która znajduje się z nim w kontakcie... Gdyby Ziemia miała dwa razy większą masę, ale taką samą średnicę, nacisk wywierany na moje pośladki byłby dwa razy większy. Siły skierowane ku górze musiałyby być dwukrotnie większe, aby zrównoważyć siłę grawitacji.

Te same czynniki należy wziąć pod uwagę w przypadku podróży kosmicznych. Jeśli siedzisz w fotelu kapitana i wydajesz polecenie przyspieszenia statku, musisz wziąć pod uwagę siłę, z jaką będzie na Ciebie oddziaływał fotel. Gdy zwiększysz przyspieszenie dwukrotnie, działająca na Ciebie siła również wzrośnie dwa razy. Im większe przyspieszenie, tym większa siła. Jedyny problem polega na tym, że żaden materiał - a już na pewno nie Twoje ciało - nie wytrzyma działania siły potrzebnej do przyspieszenia statku do prędkości pulsacyjnych.

Ten sam problem pojawia się wielokrotnie w serialu Stor Trek, nawet wówczas, gdy akcja filmu dzieje się na Ziemi. Na początku Star Trek V: Ostateczna granica James Kirk, bawiący na wakacjach w Parku Narodowym Yosemite, wspina się bez asekuracji. Nagle potyka się i spada. Spock, który ma na sobie buty rakietowe, pędzi na ratunek i chwyta kapitana, gdy ten znajduje się już metr czy dwa nad ziemią. Niestety, jest to jeden z tych przypadków, kiedy rozwiązanie może być tak samo fatalne w skutkach, jak sam problem. To właśnie proces hamowania na dystansie kilku centymetrów może być śmiercionośny, niezależnie od tego, czy spada się na Ziemię czy w objęcia Spocka Vulcana.

Zanim jeszcze pojawią się siły reakcji, które rozerwą lub połamią Twoje ciało, na scenę wkroczą inne poważne fizjologiczne problemy. Co najważniejsze, Twoje serce nie będzie już mogło pompować krwi wystarczająco silnie, aby docierała ona do głowy. Dlatego właśnie piloci wojskowi czasami tracą świadomość w trakcie wykonywania manewrów wymagających dużych przyspieszeń. Aby temu zapobiec, wynaleziono nawet specjalne skafandry wymuszające przepływ krwi z nóg pilotów. Te zaburzenia fizjologiczne są jednym z czynników, które należy wziąć pod uwagę przy określaniu, jak wielkie może być przyspieszenie współczesnego statku kosmicznego. Dlatego też NASA nigdy nie wystrzeliła na orbitę ludzi z wielkiej armaty, jak proponował Juliusz Verne w powieści Podróż na Księżyc.

Jeśli chcę przyspieszyć rakietę od stanu spoczynku do, powiedzmy, 150 tyś. Km/s, czyli do połowy prędkości światła, muszę to robić stopniowo - tak, by moje ciało nie uległo rozerwaniu. Abym uniknął wgniatania w fotel z siłą większą niż 3G, moje przyspieszenie nie może przekroczyć trzykrotnej wartości przyspieszenia, z jakim przedmioty spadają na ziemię. W tym tempie osiągnięcie połowy prędkości światła zajęłoby około 5 milionów sekund, czyli blisko 2,5 miesiąca! Nie byłoby to ekscytujące wydarzenie.

Wkrótce po wyprodukowaniu pierwszego statku kosmicznego klasy konstytucyjnej - Enterprise (NCC-1701) - autorzy Star Trek musieli odpowiedzieć na krytykę dotyczącą tego, że olbrzymie przyspieszenia na pokładzie statku kosmicznego powinny zmieniać jego załogę w marmoladę[2]. Aby rozwiązać ten problem, wynaleźli „amortyzatory bezwładności”, rodzaj kosmicznych pochłaniaczy uderzenia, bardzo przemyślne urządzenie, zaprojektowane w celu rozwiązania tego dokuczliwego problemu.

Amortyzatory bezwładności najłatwiej zauważyć, gdy ich nie ma. Na przykład statek Enterprise ledwie uniknął zniszczenia po utracie kontroli nad swoimi amortyzatorami bezwładności, kiedy elektroniczne formy życia, znane jako Nanici, zaczęły, w ramach swojego procesu ewolucyjnego, chrupać pamięć centralnego komputera statku. Łatwo zauważyć, że prawie każdą katastrofę Enterprise (która zdarza się zwykle w najmniej odpowiedniej chwili) poprzedza awaria amortyzatorów bezwładności. Skutki podobnej utraty kontroli na romulan-skim statku Wdrbird umożliwiły nam przekonanie się, że krew Romulan jest zielona.

Niestety, podobnie jak w przypadku większości technologii we wszechświecie Stor Trek, o wiele łatwiej jest opisać problem, który rozwiązują amortyzatory bezwładności, niż dokładnie wyjaśnić, jak mogłyby one działać. Pierwsze Prawo Fizyki Star Trek musi więc brzmieć: im bardziej podstawowy jest problem, który chce się rozwiązać, tym bardziej niezwykłe musi być rozwiązanie. Przyczyną, dla której doszliśmy tak daleko i dla której możemy w ogóle spodziewać się przyszłości takiej, jaką pokazano w Star Trek, jest specyfika fizyki, która rozwija się odwołując się do własnych podstaw. Przyszłość będzie więc musiała poradzić sobie nie tylko z danym problemem w fizyce, ale także z każdym fragmentem wiedzy fizycznej, który wiąże się z tym właśnie problemem. Postęp w fizyce dokonuje się nie dzięki rewolucjom, które znoszą wszystko, co było przedtem, ale drogą ewolucji, która wykorzystuje to, co najlepsze w dotychczasowym rozumieniu świata. Prawa Newtona będą tak samo prawdziwe za milion lat jak obecnie, bez względu na to, jak dalece rozszerzymy granice nauki. Upuszczona piłka zawsze spadnie na ziemię. Jeśli będę siedział przy biurku i pisał przez całą wieczność, moje pośladki zawsze będą tak samo cierpiały.

Czego by nie powiedzieć, nie byłoby w porządku, gdybyśmy zostawili amortyzatory bezwładności bez jakiegokolwiek dokładniejszego opisu ich działania. Jak już wcześniej stwierdziłem, muszą one tworzyć wewnątrz statku kosmicznego sztuczny świat, w którym znika siła reakcji na siłę przyspieszającą. Przedmioty znajdujące się wewnątrz statku zostają „oszukane”; mają zachowywać się tak, jak gdyby nie było przyspieszenia. Opisywałem już, w jaki sposób przyspieszenie imituje grawitację. Związek ten, który stał się podstawą ogólnej teorii względności Einsteina, jest o wiele głębszy, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Amortyzatory bezwładności mogą więc działać tylko na jednej zasadzie: muszą wytwarzać wewnątrz statku sztuczne pole grawitacyjne, które znosi siły reakcji.

Nawet, jeśli przyjmiemy tę możliwość, pozostają jeszcze inne praktyczne sprawy, jak choćby to, że włączenie się amortyzatorów bezwładności po pojawieniu się nieoczekiwanego impulsu wymaga czasu. Kiedy na przykład Enterprise został uwięziony w pętli przyczynowej przez Bozemana, gdy ten ostatni wynurzał się z zakrzywienia czasowego, załoga została rozrzucona po całym obszarze mostka (zanim jeszcze nastąpiła awaria napędu czasoprzestrzennego i amortyzatorów). W opisie technicznym Enterprise wyczytałem, że czas reakcji amortyzatorów bezwładności wynosi około 60 milisekund[3]. Wydaje się on krótki, ale takie opóźnienie podczas zaprogramowanych okresów przyspieszania wystarczyłoby, żeby Cię zabić. Aby się o tym przekonać, pomyśl, ile czasu potrzebuje spadający z wysoka młotek, by rozbić ci głowę, lub ziemia, by zabić człowieka spadającego ze stromego urwiska w Parku Narodowym Yosemite? Wystarczy pamiętać, że zderzenie z prędkością 20 km/h jest równoważne kolizji biegacza z murem z cegieł! Lepiej więc, żeby amortyzatory bezwładności miały krótki czas reakcji. Kilku znajomych trekkerów zauważyło, że kiedy statek zostaje uderzony, nikogo z załogi nie odrzuca na odległość większą niż parę metrów.

Zanim opuścimy znany świat fizyki klasycznej, chciałbym wspomnieć o innym cudzie technologii, który, aby działać, musi brać pod uwagę prawa Newtona, a mianowicie o wiązce holowniczej na Enterprise. Odegrała ona pewną rolę w czasie ratowania kolonii Genomów na Moabie IV, odchylając zbliżający się fragment jądra gwiazdy, a także w podobnej próbie, (choć zakończonej niepowodzeniem) uratowania Bre'ela IV przez skierowanie planetoidalnego księżyca z powrotem na orbitę. Na pierwszy rzut oka wiązka holownicza wygląda prosto - mniej więcej tak jak niewidzialna lina lub wędka - nawet jeśli wywierana przez nią siła jest niezwykła. Podobnie jak mocna lina, wiązka holownicza świetnie sobie radzi z wciąganiem wahadłowca, holowaniem innego pojazdu lub zapobieganiem ucieczce wrogiego statku kosmicznego. Jedyny problem polega na tym, że kiedy ciągniemy coś na linie, musimy się uczepić Ziemi lub innego ciężkiego przedmiotu. Każdy, kto kiedykolwiek jeździł na łyżwach, wie, co się dzieje, gdy znajdujemy się na lodzie i próbujemy odepchnąć kogoś od siebie. Udaje nam się rozdzielić, ale bez punktu zaczepienia stajemy się bezradną ofiarą własnej bezwładności.

Ta właśnie zasada skłoniła kapitana Jeana-Luca Picarda w odcinku pod tytułem Bitwa do wydania polecenia porucznikowi Rikerowi, aby wyłączył wiązkę holowniczą; Picard zauważył, że holowany statek będzie przemieszczał się obok nich dzięki swojemu własnemu pędowi - własnej bezwładności. Na tej samej zasadzie, gdyby Enterprise spróbował użyć wiązki holowniczej do oddalenia od siebie Stargazera, powstała siła popchnęłaby Enterprise do tyłu tak samo, jak Stargazera do przodu.

To zjawisko ma duży wpływ na sposób, w jaki obecnie pracuje się w przestrzeni kosmicznej. Załóżmy na przykład, że jesteś astronautą, który ma dokręcić śrubę w Kosmicznym Teleskopie Hubble'a. Jeśli zabierzesz ze sobą w tym celu śrubokręt elektryczny, po dotarciu na miejsce może Cię czekać niemiła niespodzianka. To, że uda Ci się dokręcić śrubę, jest tak samo prawdopodobne jak to, że Ty sam zaczniesz się wtedy obracać.

Dzieje się tak dlatego, że teleskop Hubble'a jest o wiele cięższy od Ciebie. Kiedy śrubokręt działa pewną silą na śrubę, silą reakcji, jaką odczuwasz, obróci raczej Ciebie niż śrubę, zwłaszcza Jeśli śruba trzyma się dość mocno. Jeśli jednak - podobnie jak zabójcy Kanclerza Gorkona - jesteś szczęśliwym posiadaczem butów grawitacyjnych, które utrzymują Cię pewnie na każdym podłożu, możesz się przemieszczać tak samo skutecznie jak na Ziemi.

Można też zobaczyć, co się stanie, gdy Enterprise spróbuje przyciągnąć do siebie inny statek kosmiczny. O ile Enterprise nie jest znacznie cięższy od tego statku, po włączeniu się wiązki holowniczej to on będzie się przysuwał do drugiego obiektu, a nie odwrotnie. W przestrzeni kosmicznej to rozróżnienie nie ma wielkiego znaczenia. Bez znajdującego się w pobliżu układu odniesienia skąd możemy wiedzieć, kto kogo ciągnie? Jeżeli znajdujesz się jednak na planecie tak pechowej, jak Moab IV, na drodze zagubionej gwiazdy, to nie jest bez znaczenia., czy Enterprise odsuwa na bok gwiazdę, czy gwiazda statek.

Jeden z moich znajomych trekkerów utrzymuje, że sposób obejścia tego problemu został już pośrednio zasugerowany przynajmniej w jednym odcinku: gdyby Enterprise użył swoich silników pulsacyjnych, kiedy włączona jest wiązka holownicza, działając w przeciwnym kierunku siłą swoich silników mógłby skompensować wywieraną nart siłę, gdy jest ciągnięty lub na coś pchany. Jak twierdzi ów trekker, powiedziano gdzieś, że aby wiązka holownicza mogła działać, musi być uruchomiony napęd pulsacyjny. Nigdy jednak nie zauważyłem, by Kirk lub Picard wydawali polecenie włączenia silników pulsacyjnych w trakcie używania wiązki holowniczej. Poza tym nie sądzę, aby społeczeństwo, które potrafi zaprojektować i zbudować amortyzatory bezwładności, potrzebowało takich siłowych rozwiązań. Pamiętając o tym, że Geordi LaForge musiał zakrzywić czasoprzestrzeń, aby spróbować cofnąć księżyc Bre'ela IV, sądzę, że ostrożna - choć na razie nieosiągalna - manipulacja przestrzenią i czasem równie skutecznie pomogłaby wykonać to zadanie. Aby lepiej to zrozumieć, musimy użyć amortyzatorów bezwładności i przeskoczyć jak najszybciej do współczesnego świata zakrzywionej przestrzeni i czasu.

ROZDZIAŁ 2

EINSTEIN PODNOSI STAWKĘ

Pewna młoda dama imieniem Aurora

Gdy nie pędziła szybciej od światła, była chora.

Kiedy razu pewnego w podróż wyjechała,

Na relatywny sposób się zdecydowała

i powróciła poprzedniego wieczora.

ANONIM

„Czas, ostateczna granica” - tak lub podobnie powinien zaczynać się każdy odcinek serialu Star Trek. Trzydzieści lat temu, w klasycznym odcinku Jutro będzie wczoraj, Enterprise rozpoczął podróże w czasie. (Właściwie już pod koniec wcześniejszego odcinka Nagi czas statek zostaje przerzucony w czasie o trzy dni wstecz - jest to jednak podróż tylko w jedną stronę). W wyniku bliskiego spotkania z „czarną gwiazdą” (termin „czarna dziura” nie funkcjonował jeszcze wtedy w kulturze masowej) statek przenosi się na Ziemię XX wieku. Dziś pojęcia tak niezwykłe, jak „tunele czasoprzestrzenne” i „osobliwości kwantowe”, pojawiają się regularnie w odcinkach najnowszej serii Star Trek: Voyager. Dzięki Albertowi Einsteinowi i tym, którzy poszli jego śladem, tkanina czasoprzestrzeni utkana jest z dramatów.

Chociaż każdy z nas jest podróżnikiem w czasie, przekonanie, iż jesteśmy skazani na podróż tylko w jednym kierunku -w przyszłość - podnosi historię ludzkości do rangi tragedii. Czego byśmy nie dali za możliwość podróży w przeszłość, ponownego przeżycia chwil chwały, naprawienia błędów, spotkania historycznych bohaterów, a może nawet uniknięcia katastrof lub po prostu powtórnego przeżycia młodości, korzystając z nabytej z wiekiem mądrości? Podróże w czasie przychodzą nam na myśl za każdym razem, gdy spoglądamy w gwiazdy, ale wydaje się, że jesteśmy na stałe uwięzieni w teraźniejszości. Pytanie, które inspiruje nie tylko twórczość dramatyczną, ale i zadziwiająco dużą część badań we współczesnej fizyce teoretycznej, można sformułować następująco: Jesteśmy czy nie Jesteśmy więźniami w kosmicznym pociągu czasu, który nie może zmieniać toru?

Początki nowoczesnego gatunku literackiego, który nazywamy fantastyką naukową, są ściśle związane z motywem podróży w czasie. Wczesny utwór Marka Twaina Jankes na dworze króla Artura jest bardziej beletrystyką niż fantastyką naukową, mimo że treść książki obraca się wokół przygód wynikających z przeniesienia nieszczęsnego Amerykanina do średniowiecznej Anglii. (Być może Twain nie zastanawiał się szczególnie nad naukowymi aspektami podróży w czasie, gdyż obiecał Picardowi na pokładzie Enterprise, że nie opisze swojego spojrzenia w przyszłość, kiedy już powróci do dziewiętnastego stulecia, przeskakując przez szczelinę czasową na Devidii II, w odcinku Strzałka czasu). Dopiero niezwykłe dzieło H. G. Wellsa Wehikuł czasu stworzyło paradygmat, na którym oparł się Stor Trek, Wells był absolwentem Imperiał College of Science and Technology w Londynie i rozmowy jego bohaterów, podobnie jak wypowiedzi załogi Enterprise, przesiąknięte są językiem naukowym.

Te odcinki serialu Star Trek, które opowiadają o podróżach w czasie, są niewątpliwie najbardziej twórcze i zmuszają do myślenia. W pierwszych dwóch seriach doliczyłem się ponad dwudziestu dwóch odcinków zajmujących się tym tematem. Podobnie jest w trzech pełnometrażowych filmach Star Trek oraz w odcinkach z serii Voyager i Stacja kosmiczna, które wyemitowano do chwili obecnej. Jeśli chodzi o Stor Trek, prawdopodobnie najbardziej fascynującym aspektem podróży w czasie jest niechęć do łamania Najwyższego Zakazu. Załogi Gwiezdnej Flory przestrzegane są przed ingerencją w normalny historyczny rozwój obcych cywilizacji, które odwiedzają. Cofnięcie się w czasie umożliwia jednak całkowitą likwidację teraźniejszości. Może nawet całkowicie zniweczyć historię!

Zarówno w literaturze fantastycznonaukowej, jak i w fizyce, pojawia się ten sam słynny paradoks: co się stanie, jeśli cofniesz się w czasie i zabijesz swoją matkę przed własnymi narodzinami? Niewątpliwie przestaniesz wtedy istnieć. Ale jeśli przestaniesz istnieć, nie będziesz mógł wrócić i zabić swojej matki. Skoro zaś nie zabiłeś swojej matki, nie przestałeś istnieć. Innymi słowy, jeśli istniejesz, to nie możesz istnieć, a jeśli nie istniejesz, to musisz istnieć.

Są jeszcze inne, mniej oczywiste, ale równie dramatyczne i zdumiewające pytania, które piętrzą się, gdy zaczynamy myśleć o podróżach w czasie. Na przykład w zakończeniu Strzałki czasu Picard pomysłowo wysyła wiadomość z XIX do XXIV wieku - wprowadza kod binarny do głowy Daty, wiedząc, że zostanie ona odnaleziona i połączona z jego ciałem prawie pięć wieków później. Patrzymy, jak wpisuje wiadomość, a następnie widzimy LaForge'a, który w XXIV stuleciu przytwierdza Dacie głowę. Widzowi te wydarzenia wydają się jednoczesne, ale takie nie są; po tym, jak Picard wprowadza wiadomość do głowy Daty, leży ona jeszcze przez pół tysiąclecia. Ale jeśli badam głowę Daty w XXIV wieku, a Picard nie odbył jeszcze podróży w przeszłość, aby zmienić przyszłość, czy mógłbym taką wiadomość odczytać? Można by się spodziewać, że jeśli Picard nie odbył jeszcze podróży, nie mogła ona mieć wpływu na głowę Daty. Jednak działania zmieniające oprogramowanie Daty zostały podjęte w XIX wieku, bez względu na to, kiedy Picard wyruszył w podróż w czasie, aby je wykonać. A więc to już się stało, nawet jeśli Picard jeszcze nie wyruszył! W ten sposób przyczyna w XIX wieku (wprowadzanie kodu przez Picarda) może wywołać efekt w dwudziestym czwartym stuleciu (zmiana obwodów elektrycznych Daty), zanim przyczyna w XXIV wieku (wyprawa Picarda) wywoła skutek w dziewiętnastym stuleciu (przybycie Picarda do jaskini, gdzie znajduje się głowa Daty), który pozwoli, aby początkowa przyczyna (wprowadzenie kodu przez Picarda) w ogóle miała miejsce.

Jeśli powyższe rozumowanie jest niejasne, to co powiedzieć o największym ze wszystkich paradoksów czasowych, który pojawia się w ostatnim odcinku serii Stor Trek: Następne pokolenie.

Picard zapoczątkowuje w nim łańcuch wydarzeń, które cofną się w czasie i unicestwią nie tylko jego przodków, ale i całe życie na Ziemi. Dokładniej, „podprzestrzenne zakrzywienie czasu” związane z „antyczasem” narasta wstecz w czasie, pochłaniając w końcu zbudowaną z aminokwasów protoplazmę na młodej Ziemi, zanim jeszcze powstaną pierwsze proteiny - cegiełki, z których zbudowane są żywe organizmy. Jest to jaskrawy przykład skutku powodującego przyczynę. Zakrzywienie czasu powstaje w przyszłości. Gdyby w odległej przeszłości podprzestrzenne zakrzywienie czasu zniszczyło pierwsze żywe organizmy na Ziemi, życie nigdy nie mogłoby się rozwinąć i zbudować cywilizacji zdolnej do wytwarzania takich zakrzywień w przyszłości!

Popularnym wśród wielu fizyków typowym rozwiązaniem takich paradoksów jest przyjęcie a priori, że w racjonalnym wszechświecie, podobnym do tego, w którym żyjemy, takie wydarzenia są niemożliwe. Problem polega na tym, że równania ogólnej teorii względności Einsteina nie tylko nie wykluczają takich możliwości, lecz wręcz je przewidują.

W ciągu trzydziestu lat badań nad równaniami ogólnej teorii względności znaleziono rozwiązanie, w którym wyraźnie pojawia się możliwość podróży w czasie. Jego autorem jest słynny matematyk Kurt Godel, który pracował razem z Einsteinem w Institute for Advanced Study w Princeton. Mówiąc językiem Star Trek, rozwiązanie to pozwala na stworzenie „czasowej pętli przyczynowej”, analogicznej do tej, w jaką został złapany Enterprise po ataku Bozemana. Bardziej sucha terminologia współczesnej fizyki określa to zjawisko jako „zamkniętą krzywą czasową”. Jakkolwiek je nazwiemy, wynika z niego możliwość podróżowania w czasie w obie strony i powracania do punktu wyjścia zarówno w przestrzeni, jak i w czasie! Rozwiązanie Godła dotyczy wszechświata, który, w przeciwieństwie do znanego nam, nie rozszerza się, ale jednostajnie obraca. Okazuje się, że w takim wszechświecie w zasadzie można cofnąć się w czasie, zataczając jedynie duże koło w przestrzeni. Choć ten hipotetyczny wszechświat dramatycznie różni się od naszego, sam fakt, że takie rozwiązanie w ogóle istnieje, wskazuje jasno, że ogólna teoria względności dopuszcza podróże w czasie.

Istnieje pewna maksyma o Wszechświecie, którą zawsze przekazuję moim studentom: To, co nie jest jawnie zakazane, na pewno się zdarzy, lub, jak powiedział Data w odcinku Wszechświaty równolegle, mając na myśli prawa mechaniki kwantowej: „wszystkie zjawiska, które mogą zajść, zachodzą”. Sądzę, że w tym duchu należy podchodzić do praw fizyki rządzących światem Star Trek. Powinniśmy rozróżniać nie miedzy tym, co praktyczne, a tym, co niepraktyczne, lecz między tym, co możliwe, a tym, co niemożliwe.

Fakt ten oczywiście nie pozostał nie zauważony przez samego Einsteina, który napisał: „Problem [rozwiązania] Kurta Godła [dopuszczającego podróże w czasie] niepokoił mnie już podczas tworzenia ogólnej teorii względności i nie udało mi się go wyjaśnić. [...] Interesujące będzie rozważenie, czy rozwiązań tych nie należy wykluczyć ze względów fizycznych”.

Od tej pory wyzwaniem dla fizyków stało się określenie konsekwencji istnienia takich „fizycznych powodów”, które wykluczałyby możliwość podróży w czasie, przewidywanych przez równania ogólnej teorii względności. Aby przedyskutować te problemy, będziemy musieli wyjść poza klasyczny świat teorii względności i wkroczyć w mroczny obszar, gdzie mechanika kwantowa decyduje o naturze przestrzeni i czasu. Po drodze, podobnie jak Enterprise, napotkamy czarne dziury i tunele czasoprzestrzenne. Najpierw jednak musimy przenieść się w czasie do drugiej połowy XIX wieku.

Mariaż przestrzeni i czasu, który ogłosił nadejście ery nowoczesności, rozpoczął się wraz z połączeniem zjawisk elektryczności i magnetyzmu w 1864 roku. To niezwykłe osiągnięcie intelektualne, u podstaw którego legł wspólny wysiłek takich wielkich fizyków, jak Andre-Marie Ampere, Charles-Augustin de Coulomb i Michael Faraday, zostało uwieńczone przez błyskotliwego fizyka brytyjskiego Jamesa Gierka Maxwella. Odkrył on nie tylko, że prawa elektryczności i magnetyzmu są ze sobą ściśle związane, ale że wynika z nich istnienie fal elektromagnetycznych, które powinny poruszać się w przestrzeni z określoną prędkością, wynikającą ze znanych własności elektryczności i magnetyzmu. Prędkość ta okazała się równa prędkości światła, którą zmierzono już wcześniej.

Od czasów Newtona spierano się o to, czy światło jest falą - to znaczy przemieszczającym się w pewnym ośrodku zaburzeniem - czy też cząstką, która podróżuje niezależnie od obecności ośrodka. Odkrycie fal elektromagnetycznych i tego, że poruszają się one z prędkością światła, zakończyło tę debatę: światło okazało się falą elektromagnetyczną.

Każda fala jest po pr...