Kelionės laiku: mokslinis faktas ar mokslinė fantastika?

Ar manote, kad kelionėms laiku nėra vietos rimtoje mokslinėje pamokoje? Jim Al Khalili iš Sario Universiteto, Universiteto JK su tuo nesutinka. Jis pademonstravo, kaip kelionių laiku disciplina pateikia keletą idėjų, pagrįstų Einšteino reliatyvumo teorijomis.

Fizikai, norėdami sudominti žmones savo dalyku, paprastai kalba apie kosmologiją arba dalelių fiziką. Visada yra ką įspūdingo papasakoti apie visatą arba naujų dalelių paiešką Didžiajame hadrono daužytuve (daugiau informacijos apie DHD rasite Landua & Rau, 2008, ir Landua, 2008). Žinoma, daug sunkiai pasiekti, kad jaudinančiai skambėtų elektromagnetizmas arba termodinamika.

Taigi, ar perėjimas prie tokios temos kaip kelionės laiku yra perėjimas prie mokslinės fantastikos? Manau, kad ne. Iš tiesų, tikiu, kad tai puikus būdas susipažinti su kai kuriomis pagrindinėmis

Einšteino reliatyvumo teorijų idėjomis (taip, jų yra dvi). Galima pradėti nuo paprasto, bet jaudinančio klausimo: ar kelionės laiku iš tiesų įmanomos? Bet kas, matęs filmą „Terminatorius“ ar mėgstantis „Daktarą Kas“, gali pamanyti, kad nors kelionės laiku ir yra įdomus dalykas, tačiau realiame moksle jam nėra vietos. Tačiau fizikos dėsniai leidžia vykti kelionėms laiku ir ne vienu eksperimentu buvo įrodyta, kad tai įmanoma.

Žinoma, šį drąsų teiginį galiu pagrįsti tik kelionių į ateitį pasiekimais. Kelionė į praeitį daug sudėtingesnė ir tikriausiai neįmanoma. Tačiau nuostabu tai, kad tokios galimybės dar negalima atmesti. Šiame straipsnyje aš noriu paaiškinti skirtumą tarp dviejų kelionių laiku krypčių ir parodyti, kaip reliatyvumo teorija privertė fizikus atmesti sveiku protu grindžiamą supratimą apie pačią laiko prigimtį.

Izaokas Niutonas: sveiku protu pagrįstas požiūris?

Iki Izaokas Niutonas neužbaigė savo darbo apie judėjimo dėsnius 1687 m., laiko apibrėžimas buvo laikomas labiau filosofijos nei mokslo sritimi. Tačiau Niutonui aprašius, kaip daiktai juda veikiami jėgos, laikas tapo jo matematinio realybės aprašymo dalimi, kadangi jo reikia judesiui ir pasikeitimams pagrįsti. Niutonas laikė laiką absoliučiu ir nepaliaujamu; jis aprašė jį kaip egzistuojantį visiškai už erdvės ribų ir nepriklausomą nuo bet kokių erdvėje vykstančių pokyčių. Tai vis dar daugeliui mūsų būdingas požiūris: mes galvojame, kad laikas nuolat eina tarsi egzistuotų įsivaizduojamas kosminis laikrodis, skaičiuojantis sekundes, valandas ir metus, nepriklausomai nuo mūsų jausmų apie bėgantį laiką. Mes neturime įtakos jo tėkmei ir negalime priversti jo sulėtėti arba pagreitėti. Manome, kad žinome, kas yra laikas, tačiau iš tiesų to niekas nežino. Geriausi mūsų apibrėžimai yra gana kvaili, pvz., „laikas – tai gamtos naudojama stabdymo priemonė, kad viskas nevyktų vienu metu“ arba „laikas prabėga, kas sekundę praeinant sekundei“. Ką apskritai reiškia šie apibrėžimai?

Ar Niutonas buvo teisus? Ar tikrai egzistuoja absoliutus laikas? Albertas Einšteinas parodė, kad ne.

Albertas Einšteinas: revoliucionierius

1905 m., nagrinėdamas šviesos prigimtį, Einšteinas nustatė, kad laikas ir erdvė nėra nepriklausomi, o glaudžiai susiję. Jo idėjos gavo specialiosios reliatyvumo teorijos pavadinimą, kuri sukėlė revoliuciją fizikos pasaulyje. Ji parodė, kodėl ir kaip reikia pakeisti senąjį supratimą apie erdvę ir laiką naujomis ir nepažįstamomis sąvokomis. Iš esmės, reliatyvumo teorija suvienija laiką su trimis erdvės dimensijomis į kažką, vadinamą erdve-laiku. Iš čia ir kyla laiko kaip ketvirtosios dimensijos idėja.

1915 m., praėjus dešimčiai metų nuo Einšteino darbo apie specialų reliatyvumą, jis užbaigė savo sunkio jėgos teoriją, žinomą kaip bendroji reliatyvumo teorija. Ši teorija, dažnai vertinama kaip gražiausia kada nors beatrasta mokslinė teorija, aprašo, kaip gravitacinis medžiagos poveikis veikia erdvę-laiką. Dėl to buvo padaryta daug įdomių prognozių, kurios vėliau pasitvirtino, pvz., Visatos gimimas per didįjį sprogimą ar juodųjų skylių egzistavimas.

Tačiau grįžkime prie specialiosios reliatyvumo teorijos. Einšteinas parodė, kad keliaujant panašiu į šviesos greitį greičiu (įspūdingi trys šimtai tūkstančių kilometrų per sekundę), laikas eina lėčiau. Kuo arčiau šviesos greičio priartėja laikrodis, tuo lėčiau jis tiksės. Šiandien laiko sulėtinimo galimybė yra nuolat patvirtinama, pvz. dalelių akceleratoriuose (CERN gamykla Šveicarijojedw1). Daug fizikos studentų turi galimybę stebėti šį poveikį laboratorijoje, stebėdami tam tikrą dalelių, vadinamų miuonaisw2, tipą.
Panagrinėkime paprastą pavyzdį su skaičiais. Sprinteris nubėga 100 metrų tiksliai per dešimt sekundžių, ką įrodo patikimas ir labai tikslus teisėjų chronometras. Tačiau jeigu bėgikas būtų nešęsis labai tikslų laikmatį, dėl šiek tiek jam sulėtėjusio laiko, jo laikrodis rodytų 9,999999999995 sekundes. Žinoma, šis skaičius toks artimas dešimčiai sekundžių, kad mes niekada nepajustume skirtumo. Tačiau mokslininkai reguliariai turi matuoti laiką tokiu tikslumu. Skirtumas tarp bėgiko ir teisėjų laikrodžių rodomo laiko yra tik penkios pikosekundės; skirtumas toks nedidelis, nes sportininkas juda daug lėčiau nei šviesa.

Tai gana subtili tema. Jeigu žmonės ką nors ir žino apie reliatyvumo teoriją, tai tik tai, kad joje teigiama, kad visi judesiai yra reliatyvūs. Tad kodėl sprinterio laikrodis eina lėčiau, o kartu ir užregistruoja trumpesnį laiką? Jeigu visi judesiai yra reliatyvūs, galėtume ginčytis, kad iš tiesų takas juda reliatyviai sprinterio atžvilgiu. Todėl lėčiau turėtų eiti teisėjų laikrodžiai šalia tako. Tai tiesa, tačiau realiai situacija nėra tokia jau simetriška. Pirmiausia, sprinteris įgauna pagreitį, o vėliau lėtina greitį, o toks greičio pasikeitimas turi įtakos laikui, einančiam teisėjų atžvilgiu. Kitas būdas suprasti, kodėl sprinterio laikmatis rodo greitesnį laiką yra tas, kad iš esmės jam reikiamas nubėgti atstumas yra mažesnis nei 100 metrų. Tai kita reliatyvumo teorijos pasekmė: atstumai sutrumpėja, kai judama labai greitai.

Labai greitas judėjimas: keliavimas į ateitį

Kadangi viskas skamba gana keistai, galime pradėti nagrinėti, kaip viskas siejama su kelionėmis laiku. Lėtėjančio laiko mintis suteikia mums galimybes keliauti į ateitį. Jeigu keliautumėte aplink galaktiką raketa, judančia artimu šviesos greičiui greičiu ketverius metus, būtumėte šokiruoti, sugrįžę į Žemę. Jeigu borto kalendoriuje teigiama, kad išvykote 2005 m. sausio mėn., o grįžote 2009 m. sausio mėn., tada (priklausomai nuo tikslaus judėjimo greičio ir kelio per žvaigždes vingių) gali paaiškėti, kad Žemėje jau 2045 m. ir visi paseno 40 metų! O jie būtų šokiruoti, pamatę, kaip jaunai Jūs atrodote, atsižvelgiant į tai, kaip ilgai Jūs buvote išvykęs (jų nuomone).

Raketos viduje ketveri metai būtų prabėgę, Žemėje esantiems laikrodžiams skaičiuojant 40 metų. Tai reikštų, kad Jūs visais atžvilgiais patekote 36 metais į ateitį.

Skirtingi eksperimentai patikrino ir patvirtino tokius rezultatus daug kartų. Be to, jie labai tikslūs. 1971 m. J. C. Hafele ir Richard E. Keating į reaktyvinį lėktuvą įdėjo keturis labai tikslius atominius laikrodžius ir išleido lėktuvą skristi į rytus aplink Žemę. Lėktuvui grįžus, borto laikrodžiai buvo palyginti su atitinkamais atominiais laikrodžiais JAV jūrų observatorijoje: keliavę laikrodžiai maža sekundės dalele atsiliko nuo kontrolinių laikrodžių (Hafele & Keating, 1972a, 1972b)w3. Nors lėktuvo greitis palei žemę buvo iki tūkstančio kilometrų per valandą, šviesos greitis didesnis keliais milijonais kartų, taigi skirtumas tarp dviejų laikrodžių grupių yra nedidelis ir gana neįspūdingas. Tačiau toks skirtumas yra tikras, o laikrodžiai tokie tikslūs, kad mes neabejojame jų rodmenimis ar iš to sekančiomis išvadomis.

Kelionės į praeitį?

Atrodo, kad kelionės į praeitį daug sudėtingesnės. Daugeliui žmonių turėtų būti keista, kad kelionė į ateitį yra paprastesnė nei kelionė laiku atgal. Galite galvoti, kad vien mintis apie kelionę į ateitį yra juokinga. Gal praeities ir negalima pasiekti, tačiau kažkuria prasme ji egzistuoja – ji įvyko. Kita vertus, ateitis dar tik turi įvykti. Kaip galima apsilankyti laike, kuris dar neįvyko? Tačiau kelionei į ateitį dideliu greičiu nereikia, kad ateitis jau būtų ten ir mūsų lauktų. Tai tik reiškia, kad mes paliekame visų laiko rėmus ir įeiname ten, kur laikas eina lėčiau. Šioje būsenoje laikas išorėje tiksi greičiau, o ateitis atsiveria dideliu greičiu. Kai mes grįžtame į pradinius laiko rėmus, mes būname pasiekę ateitį greičiau už kitus.

Kita vertus, galima sugalvoti daug pavyzdžių, kaip viskas juokingai vyktų, jeigu taptų įmanomos kelionės į praeitį. Pavyzdžiui, kas, jeigu Jūs grįžtumėte laiku atgal, kad ir į praėjusius metus ir nužudytumėte jaunesnį save. Kas tada įvyktų? Ar Jūs paprasčiausiai išnyktumėte, jaunesniajam Jums nukritus ant žemės? Ir jeigu būtumėte numiręs pernai, kas Jus būtų nužudęs? Žinau, kad tai šiek tiek nesveika, bet tai gerai žinomas paradoksas. Pagalvokite apie tai. Atrodo, kad negalite nužudyti jaunesnio savęs, nes turite išgyventi pasikėsinimą nužudyti, kad taptumėte žudiku. Apie kelionę į praeitį reikia atsiminti tai, kad galima kištis į istoriją tiek, kad viskas galiausiai pasiektų esamą būklę. Jūs negalite pakeisti praeities.

Iš esmės galėtų būti du keliai į praeitį. Vienas – tai grįžimas per laiką, kurio metu Jūsų laikrodžio rodykles suktųsi atgal. Tam reiktų didesnio už šviesos greičio, o remiantis reliatyvumo teorija, tai yra neįmanoma, todėl aš kalbu ne apie tokią kelionę. Kitas kelias – tai keliavimas taip, kad Jums atrodytų kelionė pirmyn (laikrodis eina į priekį), tačiau judėdami iškreiptu keliu erdvėje-laike, patenkate į praeitį (tai lyg kilpos darymas linksmuosiuose kalneliuose). Ši kilpa fizikoje vadinama „uždaro laiko kreive“. Pastarąjį dešimtmetį su ja atliekami intensyvūs teoriniai tyrimai. Galbūt nustebsite, tačiau pusę amžiaus buvo žinoma, kad pagal Einšteino bendro reliatyvumo lygtis galima gauti tokias uždaro laiko kreives: Amerikos matematikas Kurt Gödel 1949 m. įrodė, kad toks kelionių į praeitį teorinis modelis buvo įmanomas.

Tai dėl ko visas šis sambrūzdis? Kelionės laiku į ateitį vyko, o kelionės į praeitį, nors ir sudėtingos, vis dar nėra atmetamos. Ko mes laukiame? Kodėl dar nesukūrėme laiko mašinos? Problema yra ta, jog be to, kad labai sunku sukurti uždaro laiko kreives erdvėje-laike, iš tiesų mes jų teoriškai nesuvokiame. Remiantis tuo, kaip viskas atrodo XXI amžiaus pradžioje, bendras reliatyvumas neleidžia mums visiškai atmesti galimybės keliauti laiku, tačiau daug fizikų tikisi geriau suvokti matematiką ir padaryti išvadą, kad laiko kilpos yra neįmanomos.

Šiuo metu negalime atmesti galimybės, kad kažkur Visatoje egzistuoja tikra laiko mašina. Teoriškai įmanoma, kad erdvė-laikas dėl stiprios gravitacijos lauko taip iškryptų, kad tam tikromis sąlygomis susidarytų laiko kilpa. Jeigu susidurtume su tokia kirmgrauža, ateities kelionių metu tai galėtų suteikti nuolatinį ryšį su praeitimi.

Šiuo metu geriausia yra atmesti laiko kilpų egzistavimą, paklausiant, kur yra visi keliautojai laiku iš ateities. Jeigu ateities kartoms pasiseks sukurti laiko mašiną, tada tikrai atsiras daug žmonių, norinčių apsilankyti XXI amžiuje, todėl šiandien mes galėtume tuos lankytojus pamatyti. Taigi palaikant debatus, žemiau pateikiu penkias galimas priežastis, kodėl neturėtume tikėtis išvysti keliautojų laiku:

    Kelionė laiku į praeitį draudžiama dar neatrastais fizikos dėsniais. Fizikai tikisi atrasti naują teoriją, peržengiančią bendrą reliatyvumą ir paaiškinančią, kodėl draudžiamos kelionės laiku. Tokiai teorijai mes jau turime du galimus kandidatus: supergrandinės teoriją ir membranų teoriją. Tačiau nei viena jų kol kas nėra gerai suprantama.
    Nėra tokių natūraliai egzistuojančių laiko mašinų kaip kirmgraužos, taigi vienintelis būdas nukeliauti į praeitį yra sukurti tokią mašiną. Tačiau atrodo, kad ji galėtų mus nukelti tik į savo įjungimo momentą (nes tai būtų anksčiausias laiko momentas, kurį galima pasiekti). Taigi mes negalime matyti jokių keliautojų laiku iš ateities, nes laiko mašinos nėra iki šiol išrastos.
    Egzistuoja tikros laiko mašinos ir žmonės naudoja jas, kad grįžtų į XXI amžių, tačiau (tai daugumos fizikų-teoretikų rimtai vertinama idėja), mūsų Visata yra tik viena iš daugybės lygiagrečių visatų. Taigi kelionė laiku perkelia keliautoją į lygiagretų pasaulį. Jų tiek daug, kad mūsų visata paprasčiausiai nepatenka į laimingųjų lankomų visatų skaičių. Jeigu Jūsų neįtikina šios priežastys, gal galėsiu sudominti dar pora kasdieniškų galimybių:
    Tai, kad tikimės savo tarpe išvysti keliautojus laiku, leidžia daryti prielaidą, kad jie norės apsilankyti mūsų amžiuje. Tačiau galbūt jie žino gražesnių ir saugesnių laikotarpių, tinkamų savo apsilankymams.
    Keliautojai laiku yra mūsų tarpe, tačiau jie lieka nepastebimi!

Jeigu mėgčiau lažintis, spėčiau, kad bus įrodyta, jog kelionės laiku į praeitį yra net teoriškai neįmanomos. Kita vertus, kelionei į ateitį tereikia pakankamai greitos raketos. Tačiau atsiminkite, kad pasiekus ateitį, kelio atgal nebus.

Išvertė Kauno regioninio inovacijų centro užsakymu.