Czy podróże w czasie są możliwe?

W 2002 roku fizyk Antoine Suarez wyeliminował czas - eksperymentem, który jest powszechnie znany nie tylko fizykom. Idea doświadczenia jest dość prosta: kryształ oświetla się laserem, uzyskując wiązki par fotonów, które oddzielnie prowadzi się przewodem światłowodowym do dwóch luster. Są to specjalne, półprzezroczyste zwierciadła i przypadek decyduje o tym, czy pojedynczy foton przez nie przeleci, czy też zostanie odbity. Ale okazuje się, że dwa fotony, które jednocześnie "narodziły się"w laboratorium, w zagadkowy sposób pozostają ze sobą powiązane. Albo oba zostają odbite, albo oba przelatują przez zwierciadło. Cokolwiek uczynią, robią to absolutnie równocześnie. I w tym tkwi problem, ponieważ zwierciadła mogą być oddalone od siebie o wiele kilometrów. 

Skąd jeden foton wie, co robi drugi? Czy wymieniają się informacjami? Musiałyby one pokonać dzielący cząstki dystans, a to wymaga czasu. Foton musiałby czekać, aż drugi poinformuje go, co robi. Ale tak nie jest. Oba podejmują taką samą decyzję, zawsze w tym samym ułamku sekundy. Zdaniem Suareza, który pracuje w Centrum Filozofii Kwantowej w Zurychu, jest na to wyłącznie jedno wytłumaczenie: - W świecie kwantowym, w którym poruszają się fotony, nie ma czasu, nie ma "przedtem" i "potem".Czas po prostu nie istnieje.

W uniwersum kwantowym buzują najróżniejsze cząstki: kwarki, elektrony, fotony - z nich powstają atomy, elementy składowe naszego kosmosu i nas samych. To jeden ze sposobów opisu wszechświata, ale co to oznacza, że niema tam czasu? Czy w takim razie w ogóle on istnieje ?Oczywiście my ludzie odnotowujemy jego przemijanie. - Ale to, co uznajemy za upływ czasu, jest iluzją - mówi brytyjski fizyk Julian Barbour. - Aby stwierdzić, że czas upłynął, należy zawsze zaobserwować ruch lub zmianę.Czas miałby być jedynie sposobem, w jaki mózg interpretuje zmiany, a wszechświat - czymś w rodzaju filmu. 

Składa się on ze statycznych kadrów. Podobnie jak w kinie sekwencja obrazów wywołuje wrażenie ruchu, we wszechświecie powstaje wrażenie czasu. Nawet jeśli Suarezi Barbour mają rację - zjawisko czasu nadal pozostaje jedną z największych zagadek nauki. A wydawało się, że na wszystkie dotyczące go pytania już dawno udzielono odpowiedzi, i to dwukrotnie, ustami dwóch wielkich geniuszów: Izaaka Newtona oraz Alberta Einsteina. Dla Newtona czas był dowodem na wszechobecność Boga. Wychodził on z założenia, że czas jest identyczny w całym kosmosie i wszędzie płynie tak samo szybko. Podobnie jak Arystoteles wierzył w istnienie czasu absolutnego, który jest kompletnie oddzielony i niezależny od przestrzeni. Zatem według teorii Newtona podróż w czasie jest niemożliwa. W końcu nic, co podejmujemy w przestrzeni, nie może na niego wpływać.

Fizycy zdali sobie w pewnym momencie sprawę, że czas nie jest taką prostą koncepcją. Wyjaśnienie Newtona zawierało błędy. Jeden z nich nie dawał spokoju Einsteinowi. Wyobraźmy sobie w dwóch oddalonych od siebie punktach doskonałe zegary. Oba powinny wskazywać dokładnie ten sam czas. Co to w ogóle znaczy? Jak może my to stwierdzić? Problem Einsteina: gdy staniemy obok jednego zegara i będziemy obserwować drugi, dostatecznie oddalony np. przez teleskop, może nam się wydawać, że są zsynchronizowane. A to nieprawda - światło potrzebuje trochę czasu, by przenieść informacje z oddalonego zegara do oka.

Dla genialnego fizyka stało się jasne, że czas i przestrzeń są ze sobą powiązane. Zasugerował, że żyjemy w czasoprzestrzeni, która jest czymś w rodzaju trudnego do wyobrażenia sobie, czterowymiarowego dywanu utkanego z trzech wymiarów przestrzeni i jednego wymiaru czasu. Czterowymiarowość przestrzeni możemy dostrzec, gdy umawiamy się np. na spotkanie, mówiąc: - Bądź o godzinie 14:00 na trzecim piętrze budynku na rogu ulicy Einstein ai alei Newtona. Aby spotkanie mogło się odbyć, zawsze niezbędne są cztery wymiary: długość i szerokość geograficzna, wysokość nad poziomem morza i czas.

Odkrycie Einsteina otwiera fantastyczne możliwości: jeśli zmieniamy przestrzeń, możemy również ingerować w upływ czasu. Fizycy potwierdzili tę koncepcję doświadczalnie w 1971 roku, wykorzystując kilka bardzo dokładnych zegarów atomowych. Wszystkie pokazywały tę samą godzinę, ale potem umieszczono je na pokładach odrzutowców, w których odbyły loty dookoła świata: dwa na wschód i dwa na zachód. Zegary, które podróżowały na wschód, pokazały czas późniejszy o 59 nanosekund od pozostałego na ziemi urządzenia kontrolnego. Podróżujące na zachód wskazywały czas odpowiednio wcześniejszy.Ze względu na stosunkowo szybkie poruszanie się w przestrzeni czas mijał w każdej podróży nieznacznie inaczej.

Od opublikowania przełomowych prac Einsteina wiemy, że obiekty o dużej masie zniekształcają czasoprzestrzeń:na przykład gwiazda tworzy we wspomnianym "dywanie"charakterystyczne wgłębienie. Czas też nie pozostaje nietknięty. Widać to przede wszystkim w przypadku czarnych dziur. Są stosunkowo małe i niezwykle masywne,w wyniku czego generują głębokie wybrzuszenia w czasoprzestrzeni. Na ich powierzchni, zwanej horyzontem zdarzeń, można uznać, że czas wręcz się zatrzymuje - a przynajmniej tak wydaje się obserwatorowi. Kto chciałby zobaczyć z bezpiecznej odległości, jak statek kosmiczny wlatuje w czarną dziurę, miałby pecha. Dla patrzącego z zewnątrz pojazd potrzebowałby nieskończonej ilości czasu do przekroczenia horyzontu zdarzeń. Ale hipotetycznemu pilotowi wcale tak by się nie wydawało - z jego perspektywy statek mknąłby przez horyzont.

Z biegiem lat fizycy rozszerzyli model Einsteina. Aby zmienić właściwości cząstek elementarnych, musieli dodawać do swoich modeli teoretycznych kolejne wymiary przestrzeni - obecnie według różnych koncepcji jest ich od dziesięciu do jedenastu. Tylko w przypadku czasu do niedawna nie odważyli się tego zrobić, ale i to się zmieniło! Amerykański fizyk Itzhak Bars zaproponował nowy model wszechświata. Ma on sześć wymiarów: cztery dla przestrzeni (jeden z nich niewidocznie mały) i dwa dla czasu: normalny oraz hiper.

Używając przekształcenia matematycznego, Bars połączył wszystkie "nadprogramowe" wymiary przestrzeni w jeden. Działa to jednak wyłącznie wtedy, gdy w modelu uwzględni się jeszcze jeden wymiar czasu. - Czterowymiarowyświat, który postrzegamy naszymi zmysłami, jest jedynie cieniem sześciowymiarowej rzeczywistości- tak jak płaski, dwuwymiarowy cień na ścianie rzucany przez naszą trójwymiarową dłoń - mówi Bars. Dodatkowy wymiar temporalny umożliwia, przynajmniej w teorii, podróże w czasie. Jeśli czas nie jest jednowymiarowy jak linia, ale dwuwymiarowy jak kartka papieru, nagle robi się wystarczająco dużo przestrzeni na skierowanie pętli czasu w przeszłość. Sam Bars jest przy tym ostrożny, uważa bowiem, że drugi wymiar jest zbyt mały dla takiego zabiegu. Tym niemniej otworzył swoim pomysłem drogę do nowych poszukiwań.

- Dodatkowy wymiar czasu faktycznie istnieje i prowadzi do dających się zmierzyć zmian w świecie kwantowym- mówi z przekonaniem Bars. Może to okazać się bardzo ważne dla samej koncepcji czasu, ponieważ jest szansa, że uda się w ten sposób wyjaśnić rezultaty opisanego na początku artykułu eksperymentu Suareza. Wystarczy sobie wyobrazić, że fotony wykorzystują ów drugi wymiar do przesyłania informacji. Itzhak Bars użył swojej dwuczasowej fizyki do przewidywania właściwości pewnych mikroskopijnych cząstek - składowych modelu super symetrii (SUSY). Tych tak zwanych super partnerów (sparticles) nie widział jeszcze nigdy żaden naukowiec, ale wielu uważa, że muszą one istnieć. W ramach zakrojonych na szeroką skalę eksperymentów w genewskim Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider - LHC) w nadchodzących latach mają być prowadzone obserwacje superpartnerów. Jeżeli przewidywania Itzhaka Barsa się spełnią, istnienie dodatkowego wymiaru zostanie udowodnione, a fizyk zostanie ogłoszony nowym Einsteinem, który w końcu odkrył tajemnicę czasu i przestrzeni...

Artykuł pochodzi ze "Świata Wiedzy 10/2018" - sprawdź, co można znaleźć w nowym numerze