Czy kiedyś będziemy podróżować przez tunele czasoprzestrzenne?

Wszechświat jest ogromny. Podróż z prędkością światła do najbliższej gwiazdy zajęłaby więcej niż 4 lata. Wyprawa na drugą stronę galaktyki trwałaby z kolei aż 100 000 lat, czyli tylko połowę mniej niż na Ziemi żyje gatunek Homo sapiens. Czy to oznacza, że podróże międzygwiezdne są dla nas sferą na zawsze zamkniętą?

Chyba każdy miłośnik science fiction zna klasyczny już zabieg mający na celu przedstawienie najszybszej drogi od punktu A do B. Jeżeli zaznaczymy je na kartce, to najkrótsza droga między nimi nie będzie prowadziła po linii prostej, a poprzez uwzględnienie dodatkowego wymiaru, zginając kartkę na pół i nakładając na siebie punkty. Właśnie w ten sposób podróż do odległego układu planetarnego odbywają bohaterowie najnowszego widowiska SF Christophera Nolana pt. "Interstellar".

Ale czym tak naprawdę są tunele czasoprzestrzenne? Dlaczego nie wsiądziemy na pokład statku kosmicznego i nie wskoczymy w jeden z nich?

Tunele czasoprzestrzenne (ang. wormhole), początkowo nazywane mostami Einsteina-Rosena, to skróty łączące co najmniej dwa obszary wszechświata. Nie zanotowano do tej pory żadnych obserwacyjnych wskazówek potwierdzających ich istnienie, choć ogólna teoria względności Alberta Einsteina dopuszcza występowanie mostów w niektórych modelach czasoprzestrzeni.

Tunele czasoprzestrzenne teoretycznie mają pozwalać na odbywanie podróży do odległych regionów wszechświata we względnie krótkim czasie, szybciej niż dotarłoby tam światło, ale - co jest bardzo istotne - bez konieczności przekraczania prędkości światła dla podróżującego. Ponieważ tunele czasoprzestrzenne mają łączyć ze sobą różne regiony czasoprzestrzeni, umożliwiłyby one także hipotetyczne podróże w czasie.

Co nauka mówi o możliwości odbycia takiej podróży?

W 1935 r. Albert Einstein i Nathan Rosen opisali model tuneli czasoprzestrzennych jako obiektów zapadających się tak szybko, że nawet światło nie jest w stanie się z nich wydostać. Do podróży kosmicznych całkowicie bezużyteczne. W 1980 r. Carl Sagan - wybitny astronom i popularyzator nauki - pracował nad powieścią "Kontakt", w której jego bohaterka podróżuje przez wszechświat. Sagan skonsultował się z fizykiem Kipem Thornem, aby dowiedzieć się, jak taka podróż mogłaby się odbyć.

Thorne wiedział, że tunel czasoprzestrzenny byłby najlepszym sposobem transportu międzygalaktycznego, szczególnie do powieści SF. Ale z teoretycznych obliczeń wynikało, że aby tunel nie zapadał się trzeba było założyć istnienie tzw. materii egzotycznej.

Materia egzotyczna to każdy rodzaj materii, który nie jest zgodny z modelem klasycznym lub nie składa się z barionów (rodzina silnie oddziałujących cząstek elementarnych, np. protony, neutrony). Materia egzotyczna miałaby cechy niespotykane wśród normalnej materii, np. ujemną energię czy masę. Ta druga powodowałaby odpychanie grawitacyjne ciał zbudowanych z materii egzotycznej w miejsce przyciągania materii zwykłej, dzięki czemu mogłaby przyspieszać znajdujące się obok ciała. Według fizyków materia egzotyczna tworzy ciemną energię, a wielu uważa również, że to dzięki niej tunele czasoprzestrzenne - o ile naprawdę istnieją - nie zapadają się.

Fizycy są przekonani, że w próżni niektóre niewielkie regiony czasoprzestrzeni mogą być wypełnione ujemną energią, otoczoną przez obszary dodatniej energii. Ich ilość byłaby prawdopodobnie niewystarczająca do utrzymania odpowiednio dużego tunelu czasoprzestrzennego przez dłuższy czas. Kwantowe implikacje zasady nieoznaczoności Heisenberga dyktują ile ujemnej energii może być skonsolidowane w jednym miejscu. Owszem, jest możliwe takie jej nagromadzenie, by utrzymać tunel czasoprzestrzenny otwarty, ale byłby on mikroskopijnej wielkości.

Tunel przydatny dla podróży międzygwiezdnych musiałby być odpowiednio duży i być otwarty wystarczająco długo, by wysłać kogoś na drugą stronę. Problemem jest, że dla podtrzymania takiego tunelu w stanie stabilnym potrzebne jest więcej ujemnej energii niż pozwalają prawa fizyki. A nawet gdybyśmy chcieli złamać zasady fizyki, potrzeba by ogromnych ilości energii. W dużym przybliżeniu, by stworzyć tunel czasoprzestrzenny o wielkości grejpfruta potrzeba by energii, którą Słońce produkuje przez 100 mln lat. Trudno stwierdzić, jak zaawansowana musiałaby być cywilizacja, by być w stanie manipulować takimi ilościami ujemnej energii.

Reasumując, obecne wyliczenia wskazują na to, że nawet, gdyby tunele czasoprzestrzenne istniały, byłyby one zbyt niestabilne, by cokolwiek (łącznie z energią) przez nie przesłać.

Ponieważ jednoznacznie nie udowodniono, że istnienie tuneli czasoprzestrzennych jest niemożliwe, naukowcy wciąż się nie poddają. Niektórzy fizycy sugerowali, że hipotetyczne tunele czasoprzestrzenne są zbudowane w inny sposób, ale praktycznie wszystkie z hipotez są oparte na fundamentach pozbawionych jakichkolwiek dowodów.

Według fizyka Kristana Jensena zjawisko splątania kwantowego wyjaśnia powiązanie obiektów takich jak elektrony, bez względu na to jak daleko od siebie są. W przeszłości Albert Einstein określił to jako "upiorne działanie na odległość". Dwóch fizyków - Juan Martin Maldacena i Leonard Susskind - wysnuło teorię, że tunele czasoprzestrzenne są tak naprawdę splątanymi czarnymi dziurami. Gdyby to twierdzenie okazało się prawdą, prawdopodobnie udałoby się połączyć mechanikę kwantową z ogólną teorią względności oraz lepiej zrozumieć je obie.

Istnienie pewnych układów mechaniczno-kwantowych w trzech wymiarach może być wyjaśnione przez obiekty, które zachowują się czterowymiarowo. Ogólna teoria względności opisuje wszechświat jako twór czterowymiarowy - trzecim wymiarem jest przestrzeń, a czwartym czas. Działania we wszechświecie mogą wyłaniać się w rzeczywistości z mniejszą liczbą wymiarów - to holografia.  Jensen odkrył, że gdy ktoś wyobraża sobie splątane pary we wszechświecie w czterech wymiarach, zachowują się one w taki sam sposób jak tunele czasoprzestrzenne z dodatkowym piątym wymiarem.

W najbliższym czasie podróże międzygwiezdne przez tunele czasoprzestrzenne wydają się niemożliwe, chyba, że - tak jak w filmie "Interstellar" - "ktoś" dla nas takowy otworzy. I sprawi, by zmieścił się w nim statek kosmiczny.