Fizika putovanja kroz vrijeme

Koncept putovanja kroz vrijeme redovito nalazimo u science-fiction literaturi i filmovima, a pogotovo u svima nam dobro poznatim SF serijama poput Star Treka i Battlestar Galactice i moramo si priznati da nam je taj fenomen oduvijek bio i više nego primamljiv. Koliko smo samo pogrešaka i krivih poteza povukli u prošlosti i samim time determinirali vlastitu budućnost? Što bi bilo kad bih vam rekao da putovanje kroz vrijeme kao i teleportacija i nevidljivost više nisu u domeni fizike nemogućeg kamo ih je svrstao znameniti teoretski fizičar današnjice dr. Michio Kaku već je riječ o znanstvenim konceptima čija fizikalna podloga postoji i samim time oni postaju ostvarivi, barem u teoriji? Budući da se bavimo problematikom putovanja kroz vrijeme, samo ćemo napomenuti, bez dubljeg ulaženja u fiziku koja se krije iza toga, eksperiment kojim je kvantna teleportacija ušla u domenu mogućeg, a to je prijenos informacije odnosno fotona na udaljenosti od 25 km gdje je on praktički nestao na jednom i opet se stvorio na drugom kraju. Isto tako, fenomen nevidljivosti (cloaking) pokazan je u mikrovalnom području elektromagnetskog spektra gdje objekt obložen metamaterijalima, koje karakterizira negativan indeks loma, mikrovalovi doslovno zaobilaze bez ikakve promjene u fazi, loma i interferencije čime vanjskom promatraču taj objekt postaje nevidljiv. Taj zaključak o mogućnosti nepravocrtnog gibanja odnosno savijanja svjetlosti i ponašanja kao da objekta nema za dr. Michia Kaku znači da prvi i temeljni zakon geometrijske optike o pravocrtnom gibanju svjetlosti ne vrijedi i da je potrebno svaki udžbenik fizike na svijetu ponovno tiskati. No, zanemarimo ovu digresiju i vratimo se fenomenu putovanja kroz vrijeme. Osvrnut ćemo se na dotični fenomen iz perspektive Stephena Hawkinga, Alberta Einsteina i naposljetku, fizičara s jedinstvenom i konkretnom vizijom kako izgraditi stroj za putovanje kroz vrijeme, dr. Ronalda Malleta. Krenimo redom.

FILOZOFSKI ASPEKT PUTOVANJA KROZ VRIJEME
IZ KOLICA STEPHENA HAWKINGA

Kako bismo uopće mogli govoriti o putovanju kroz vrijeme, potrebno je definirati vrijeme. U fizici, 1 sekunda definira se kao trajanje od 9 192 631 770 perioda zračenja koje odgovara prijelazu između dviju hiperfinih razina osnovnog stanja atoma cezija-133 na temperaturi od 0 K. Pomoću sekunde mi izražavamo vrijeme kako bismo odijelili događaje i time ih jedinstveno odredili i razlikovali. Newton je definirao vrijeme kao strijelu koja jednom ispaljena kontinuirano zadržava smjer i time vremenu dao odlike apsolutnog (primijetimo da Newton vrijeme i prostor definira kao apsolutne, a brzinu svjetlosti kao relativnu, dok Einstein daje potpuno drugo radikalno gledište prema kojem je brzina svjetlosti apsolutna, a vrijeme i prostor relativni). Dakle, prema Newtonu jedna sekunda na Zemlji jednaka je jednoj sekundi na Marsu i svi satovi u Svemiru otkucavaju istim tempom, istom brzinom. No, Einstein se ne slaže kao ni naš koncept putovanja kroz vrijeme jer ne može biti temeljen na newtonski definiranom vremenu kao apsolutnoj i konstantnoj dimenziji. Zašto? Ukoliko je vrijeme apsolutno, kako objasniti činjenicu da iz kojeg god sustava promatrali, kojom god se relativnom brzinom gibali u odnosu na svjetlost, uvijek mjerimo brzinu svjetlosti kao konstantu s iznosom c = 3×108 m/s? Odgovor leži u promjenjivosti parametara koji omogućavaju da brzina svjetlosti ostane konstanta, a to su vrijeme i udaljenost.
Što kaže dr. Stephen Hawking o protoku vremena i mogućem putovanju kroz vrijeme? Prema dr. Hawkingu, fizikalni zakoni koji upravljaju svemirom nepromjenjivi su uslijed CP simetrije (C se odnosi na promjenu čestice u antičesticu, P predstavlja zrcalnu simetriju). Drugim riječima, život bi bio potpuno isti za stanovnike koji su naša zrcalna slika i žive na planetu od antimaterije (antiZemlji). No, valja biti oprezan ako nam netko pruži lijevu ruku (zrcalna simetrija) jer je moguće da je načinjen od antimaterije i oboje bismo nestali u bljesku energije uslijed anihilacije. Pouka: budite skeptični prema ljudima koji vam pružaju lijevu ruku. No, u fizici se uz slova C i P pojavljuje i T odnosno CPT (charge-parity-time reversal) simetrija gdje se T odnosi na izokretanje protoka vremena. Iako su fizikalni zakoni nepromjenjivi uslijed CP simetrije, što je sa CPT simetrijom? Je li svejedno putuje li vrijeme unaprijed, dakle prema budućnosti ili unatrag prema prošlosti? Ne. Postoje zakoni koji to zabranjuju. Jedan od njih je 2. zakon termodinamike prema kojem se entropija svemira povećava odnosno sustavi teže da iz uređenog stanja prijeđu u neuređeno stanje. Zašto je to tako? Zato jer je jednostavno više neuređenih nego uređenih stanja. Uzmite za primjer slagalicu. Samo je jedan poredak komadića slagalice koji čini sliku (uređeno stanje) dok je broj onih koji ne tvore sliku daleko veći. Ta svojstva poput entropije daje vremenu smjer odnosno čine strijelu vremena prema kojoj razlikujemo prošlost od budućnosti. Hawking razlikuje tri strijele vremena: termodinamičku (entropija raste s vremenom), psihološku (smjer vremena u kojem se sjećamo prošlosti, ali ne i budućnosti) te kozmološku (smjer u kojem se Svemir širi umjesto da se skuplja). To nas dovodi do zanimljivog pitanja: okreće li se strijela vremena unatrag odnosno što bi se dogodilo kad bi se Svemir prestao širiti i počeo skupljati? Bi li to impliciralo okretanje termodinamičke strijele vremena čime bi se s vremenom nered smanjivao? Razmislite što bi to značilo. Šalice koje su nam pale na pod i razbile se, same skaču na stol i postaju cijele. Propast burza i kladionica jer bismo se jednostavno mogli obogatiti na temelju poznavanja sutrašnjeg rezultata jer sutra postaje jučer. No, ima li fizikalnog smisla razmišljati o tome da bi se nered smanjivao u slučaju rekolapsa Svemira? Ukoliko vjerujemo da bi se u fazi kontrakcije Svemir vraćao u početno uređeno, homogeno i ravnomjerno stanje, logično bi bilo očekivati da bi ljudi živjeli svoje živote unatrag, odnosno umrli bi prije nego što se rode i postajali bi sve mlađi (i ljepši) s vremenom. Vjerujem da je to svima vrlo primamljiva koncepcija, no primijetimo da bi to bila krasna simetrija Svemira u ekspandirajućoj i kontrahirajućoj fazi. No, nažalost, netočna. Hawking je pogriješio vjerujući da se smjer termodinamičke i psihološke strijele okreće okretanjem kozmološke strijele vremena misleći da to implicira uvjet bezgraničnosti koji, naprotiv, implicira rast entropije i u kontrahirajućoj fazi Svemira. Griješiti je ljudski.

FIZIKA PUTOVANJA KROZ VRIJEME – EINSTEIN

Okrenimo se sada malo Albertu Einsteinu i njegovim jednadžbama polja unutar opće teorije relativnosti OTR. Pojednostavljeno gledano, Einsteinova jednadžba koja je dr. Malletu poslužila kao polazište i temelj na kojoj gradi svoju teoriju putovanja kroz vrijeme glasi:
Da biste si bolje dočarali koncept zakrivljenosti prostor-vremena, zamislite trampolin u čijem se centru nalazi masivna kugla. Kugla predstavlja masu, a guma trampolina prostor. Svima je jasno da će se guma rastegnuti te stvoriti jamu na mjestu gdje je smještena kugla. U ovoj analogiji kugla je bilo koja zvijezda ili planet odnosno objekt u Svemiru što implicira da je zakrivljenje prostora, a samim time i vremena, koje je kompleksnije vezano uz prostor i u što nećemo dublje ulaziti, veće u blizini objekta pa su tu efekti najvidljiviji i najmjerljiviji što je vidljivo na slici 1. Prije nego li prijeđemo na čisto fizikalni pristup teoriji koju je razvio dr. Mallet, spomenimo velikog matematičara Kurta Goedela koji je pronašao rješenje kompleksinh Einsteinovih jednadžbi koje je dopuštalo putovanje kroz vrijeme! Sam Einstein je bio iznenađen tim rješenjem. Naime, Goedelovo rješenje je impliciralo vrtloge u prostor-vremenu u kojima se vrijeme može uvijati i stvoriti vremensku petlju. Prema Goedelu, u rotirajućem svemiru, svatko tko bi se kretao u smjeru rotacije zbog ispunjenosti Svemira rotirajućim vremenskim „fluidom“, naposljetku bi se našao u početnoj točki, ali u prošlosti! No, takvo što danas ne opažamo. Zašto? Zato jer Svemir ne rotira već ekspandira; u suprotnom, da rotira, putovanje kroz vrijeme bilo bi moguće i ljudi bi ga već dobro poznavali i koristili. Za razumijevanje putovanja kroz vrijeme potrebno je ujediniti teoriju gravitacije i kvantnu teoriju u „Teoriju svega“, no pokušaji ostvarivanja ujedinjujuće teorije pružili su fizičarima uvid u jedan paradoksalni problem. Problem je u tome da putujući kroz vrijeme i mijenjajući prošlost mi stvaramo paralelni svemir. Putujući u prošlost, npr. u vrijeme kad smo podigli kredit za neku investiciju koja se pokazala pogrešnom i ne možemo si to oprostiti, mi zapravo mijenjajući prošlost stvaramo paralelni svemir s budućnošću koja je odvojena od svemira iz kojeg smo otputovali. Drugim riječima, vi mijenjajući prošlost ne utječete na budućnost vremena iz kojeg ste došli (na paradokse putovanja kroz vrijeme osvrnut ćemo se kasnije), već se rijeka vremena grana u dvije odvojene grane čineći time dva neovisna vremenska kontinuiteta. Koliko god to apstraktno zvučalo, moramo se s tim pomiriti jer samo putovanje kroz vrijeme je apstraktno. No, kako bismo putovanje kroz vrijeme preveli iz teorije u stvarnost, moramo naći načina za prevladavanjem osnovnih prepreka. Prvi preduvjet jest ogromna količina energije usporediva s energijom zvijezde ili egzotična materija ili pak pronalazak izvora negativne energije. Kad govorimo o putovanju kroz vrijeme, obično mislimo na putovanje u prošlost jer problem putovanja u budućnost nije problem. Barem ne fizikalno gledajući. U skladu sa specijalnom teorijom relativnosti, putovanje u budućnost događa se na svakodnevnoj bazi jer je brzina parametar koji determinira brzinu protoka vremena. Ta činjenica slijedi iz jednadžbe specijalne teorije relativnosti (STR), a koja se odnosi na dilataciju vremena: prema kojoj veća brzina v znači sporiji protok vremena u sustavu promatrača. Najkonkretnije rješenje problematike putovanja u prošlost koje je probudilo entuzijazam u znanstvenim krugovima ponudio je dr. Ronald Mallet. Pa pogledajmo što to revolucionarno on kaže.

Slike 1. i 2. Zakrivljenje prostor-vremena kao posljedica mase čija gravitacija utječe na distorziju medija u koji je uronjena

FIZIKA PUTOVANJA KROZ VRIJEME – MALLET

„If gravity affects time and light can create gravity, than light can affect time“, riječi su dr. Ronalda Malleta, fizičara i profesora na Sveučilištu u Connecticutu koji smatra da je pronašao ključ i odgovor na misterij putovanja kroz vrijeme. Bazirajući svoju teoriju na Einsteinovim jednadžbama polja u okviru opće teorije relativnosti (OTR), Mallet je osmislio eksperiment kojim će promatrati ponašanje subatomskih čestica, prvenstveno neutrona, u gravitacijskom polju generiranom cirkulirajućim laserskim zrakama. Jednadžba na kojoj temelji svoju teoriju jednostavna je: . Poznato je da jaku zakrivljenost prostor-vremena uzrokuje velika masa, a s obzirom da je Einstein ukazao na ekvivalenciju mase i energije, zdrava logika nam nalaže da energija također zakrivljuje prostor-vrijeme. Malletov eksperiment koristi cirkulirajuće zrake laserske svjetlosti u svrhu zakrivljenja prostor-vremena umjesto masivnih objekata. Kako bi odredio postoji li vremenska petlja stvorena cirkulirajućim laserskim zrakama uz određenu konfiguraciju zrcala od kojih se laserska svjetlost reflektira, a koja dovodi do Lense-Thirringovog efekta (na koji ćemo se kasnije osvrnuti), Mallet želi provjeriti hoće li čestice s ekstremno kratkim srednjim vremenom života (kratko vrijeme poluraspada) u blizini cirkulirajućih lasera koji uzrokuju zakrivljenje prostor-vremena nestati kasnije nego što li je to predviđeno odnosno živjeti duže nego što određuje njihovo srednje vrijeme života. Naime, slobodni neutroni koji bivaju izbačeni iz jezgre nuklearnom fuzijom odnosno fisijom vrlo su nestabilni za razliku od onih koji su vezani u jezgri i imaju srednje vrijeme života manje od 15 minuta, točnije t=(885.7±0.7) sekundi. Ukoliko bi se pokazalo da se neutron u blizini cirkulirajućih laserskih zraka raspao nakon više od 15 minuta, to bi značilo da je ušao u vremensku petlju odnosno u budućnost. „Zamislite da imate šalicu kave i žlicu“, kaže Mallet. „Kava predstavlja prazan prostor (svemir), a žlica cirkulirajuću lasersku zraku. Kada promiješate kavu žlicom, kava odnosno prazan prostor postaje zakrivljen. Bacite sada kockicu šećera u kavu. Ukoliko je prostor zakrivljen, moći ćemo to detektirati na temelju ponašanja subatomske čestice (šećera). Prema Einsteinu, kad god utječemo na prostor istovremeno utječemo i na vrijeme. Zakrivljenjem prostora zakrivljujemo vrijeme, što znači da teoretski možemo putovati kroz vrijeme kao što putujemo kroz prostor.“ U svojem radu „Weak gravitational field of the electromagnetic radiation in a ring laser“ dr. Mallet objašnjava kako se stvara gravitacijsko polje cirkulirajućeg toka laserskog zračenja u posebnoj geometrijskoj konfiguraciji zrcala koja čine laserski prsten, a čije postojanje potvrđuju linearizirane Einsteinove jednadžbe polja u okviru OTR. Stvaranjem gravitacijskog polja unutar laserskog prstena dolazi do tzv. Lense-Thirringovog efekta prema kojem rotirajuće polje zakrivljuje, „vuče“ prostor-vrijeme oko sebe što se manifestira kao precesija subatomske čestice, u ovom slučaju neutrona, koji se ubaci u prsten. Mallet je došao do jednadžbe precesije neutrona: , gdje je duljina okvira konfiguracije laserskog prstena, a gustoća elektormagnetske energije. Rješavanjem kompleksnih Einsteinovih jednadžbi u svom radu „The gravitational field of circulating light beam“, Mallet je dokazao pojavu zatvorenih vremenskih krivulja (CTC) koje se javljaju u takvom laserskom prstenu što znači da se prostor, a samim time i vrijeme, savija i tvori petlju koja omogućuje putovanje iz sadašnjosti u budućnost, iz budućnosti u prošlost i ponovno u sadašnjost. No, kad govorimo o putovanju kroz vrijeme postoje temeljna ograničenja. Slijedi jedno od osnovnih ograničenja. Putovanje u proizvoljno daleku prošlost nije moguće. Bar ne zasad. Mallet upozorava da je stroj za putovanje kroz vrijeme taj koji stvara efekt zatvorenih vremenskih krivulja, što znači da stroj određuje vremenski interval u kojem putujemo. Zasigurno se pitate kako je onda moguće putovati kroz vrijeme s obzirom na ove konstatacije? Jednostavno. Ako sad uključimo stroj i ostavimo ga u funkciji sljedećih godina, putovanje kroz vrijeme bit će ograničeno u smjeru prošlosti i to upravo s ovih godina dok putovanje u budućnost nema gornje granice. Kako bi dr. Mallet prenio svoju teoriju s papira u konkretno djelo, potrebna mu je svota od četvrt milijuna američkih dolara, stoga je svaka donacija dobrodošla. Želite li se uvrstiti na popis onih koji će omogućiti ostvarenje putovanja kroz vrijeme, pošaljite svoju donaciju na „University of Connecticut Foundation, Inc.“ s referencom na “Space-time Twisting by Light Project”. Evo što dr. Mallet kaže o dobrovoljnim donacijama:
„Contributions can be made to any amount and are tax-deductible. You will be listed as a contributor and updated about the progress of the project. Any contribution you make will be gratefully acknowledged by the Foundation and myself.„
Ronald L. Mallett

Space warp travel trough universe

Slike 3. i 4. Umjetničke impresije putovanja kroz vrtlog prostor-vremena

PARADOKSI PUTOVANJA KROZ VRIJEME

Logično je da se pri putovanju kroz vrijeme nameću paradoksi koji naizgled onemogućavaju takav fizikalni koncept, no kvantna teorija ima rješenje i za njih. Navest ćemo samo neke od takvih paradoksa. Počnimo s najjednostavnijim i zasigurno najpoznatijim paradoksom putovanja kroz vrijeme. Pogledajmo paradoks čovjeka bez prošlosti. Zamislite izumitelja koji u svojoj garaži pokušava patentirati stroj za putovanje kroz vrijeme. Niotkud stvori se neki stari čovjek i odaje izumitelju tajnu kako napraviti vremenski stroj. Zahvaljujući tim saznanjima, izumitelj se obogati na burzi i kladionicama jer zna budućnost. Tad, kao stari čovjek odluči otputovati u prošlost i odati tajnu o gradnji vremenskog stroja mladom sebi. Pitanje: Odakle je uopće došla ideja o vremenskom stroju? Ovakvi paradoksi i nisu više paradoksi zahvaljujući kvantnoj fizici koja govori o postojanju istog objekta u više kvantnih stanja. Time putovanjem u prošlost mi putujemo u paralelni svemir te utjecajem na prošlost ne determiniramo budućnost u svemiru iz kojeg smo doputovali. Iako sve iznesene činjenice jesu činjenice, one su još uvijek prikovane na listu papira, dakle samo su teorija. Nekad su razlike između teorije i realizacije u praksi nepremostive, no to isto se govorilo za razgovor ljudi na daljinu, a mobiteli su danas evo, nikad dostupniji i nikad manji. Postavlja se pitanje kad znanost prelazi i/ili zalazi u znanstvenu fantastiku i gdje postaviti granicu. Jedno je sigurno: ta granica je labavija i tanja nego ikad, a putovanje kroz vrijeme, teleportacija i nevidljivost približavaju se toj granici s namjerom da je prijeđu.