Tydzień temu pochyliliśmy się nad zagadnieniem względności czasu; nad tym, czym jest i co dla nas oznacza. Dzisiaj przyszedł czas na dopełnienie tematu czasu na przykładzie jednego z bardziej kultowych paradoksów, czyli paradoksu dziadka. Przekonamy się, czy podróże w czasie w ogóle są możliwe, a jeśli tak, to jakim podlegają ograniczeniom.
Wyobraź sobie, że cofasz się w czasie i zabijasz własnego dziadka ze strony matki, zanim poznał on babcię i zanim urodziła się Twoja matka. Oczywiście tym samym Ty też nie przyjdziesz na świat… nikt więc nie odbędzie podróży w przeszłość, Twój dziadek przeżyje i spotka babcię, urodzi się Twoja matka, potem Ty, zatem będziesz w stanie cofnąć się w czasie, by zabić swojego dziadka, i tak dalej, i tak dalej.
Paradoks Jim Al-Khalili
Inna wersja paradoksu, wersja nieco mniej drastyczna, bo niewymagająca zabijania dziadka (po co ktoś chciały to robić!), operuje na planach budowy wehikułu czasu. Załóżmy, że pewien naukowiec znajduje na półce plany wehikułu czasu i buduje go w ciągu miesiąca. Następnie cofa się w przeszłość o miesiąc i zostawia plany dla swojej młodszej wersji, która znajduje na półce plany budowy wehikułu czasu… i tak dalej, i tak dalej. W obu przypadkach paradoksu istotną rolę odgrywa przyczynowość – skutek nie może występować przed przyczyną. A skoro przyczynowość musi zostać zachowana, to może da się cofnąć w czasie tak, by przyjąć tylko rolę obserwatora i poruszać się po innym świecie niczym duch? No cóż, dzieła science-fiction pod najróżniejszymi postaciami chętnie czerpały inspirację z tematu podróży w czasie; jest ciekawy, oddziałuje na wyobraźnię, a przy tym wydaje się dość logiczny. Zacznijmy jednak od początku.
Szybciej niż światło?
Rozważmy prostą sytuację – naciskam włącznik światła i światło się zapala; jest przyczyna przed skutkiem. Jeśli obok mnie, z prędkością bliską prędkości światła, przebiegłby jakiś obserwator, to on najpierw zauważyłby zapalenie się światła, a potem moje dotknięcie przełącznika. W takim wypadku, czysto teoretycznie, mógłby mnie powstrzymać przed dotknięciem włącznika, ale wtedy światło byłoby zapalone pomimo jego faktycznego włączenia.
Dlaczego o tym piszę? W poprzednim odcinku omawialiśmy między innymi szczególną teorię względności, w myśl której poruszanie się z prędkościami relatywistycznymi rozciąga lub skraca czas; jest on wartością względną. Pochylaliśmy się jednak tylko nad sytuacjami, w których obiekt porusza się niemal tak szybko, jak światło, ale nigdy szybciej od niego; prędkość światła jest bowiem nieprzekraczalna, ale… powyższy przykład nie powstał z niczego. Teoretycznie teoria względności dopuszcza odwrócenie czasu – w sytuacji, kiedy coś poruszałoby się szybciej niż światło, zaczęłoby cofać się w czasie.
W latach 60. ubiegłego wieku na poważnie rozważano istnienie tak zwanych tachionów, czyli hipotetycznych cząstek, które miałyby się poruszać szybciej,niż światło. Co ciekawe, matematyczny opis teorii względności dopuszcza ich istnienie, a skoro potencjalnie mogą istnieć i poruszają się z prędkościami nadświetlnymi, to ich ruch odbywa się w kierunku odwrotnym do upływu czasu. Hipotetycznie, gdybyście wysłali zakodowaną w tachionach informację o trzęsieniu ziemi, które miało miejsce, ludzie z przeszłości mogliby tę informację odczytać i zapobiec katastrofie. Jednakże aktualnie mało kto traktuje tachiony jako coś realnego, właśnie ze względu na przyczynowość. Choć matematycznie teoria względności dopuszcza prędkość szybszą od prędkości światła, jednocześnie wyklucza ją ze względu na odwrócenie przyczyn i skutków.
Wszechświat jako pudełko
Wiemy już, że „oszukanie” upływu czasu poprzez przekroczenie prędkości światła pozostaje raczej poza zasięgiem, ale to jeszcze nie znaczy, że wszystko stracone. Jedną z koncepcji (poniekąd narzuconą nam przez teorię względności) jest tak zwana blokowa koncepcja budowy Wszechświata. Poruszamy się w świecie trójwymiarowym, natomiast mamy również świadomość upływu czasu, czyli czwartego wymiaru. Teoretycznie więc każdą „chwilę” (czymkolwiek by ona nie była) możemy zobrazować za pomocą trójwymiarowego układu współrzędnych; każda kolejna chwila to ten sam układ, ale z drobnymi zmianami, a więc całość jest przestrzenią czterowymiarową. Sytuację możemy uprościć i założyć, że poruszamy się w dwóch wymiarach, a trzecim jest czas; w takim przypadku nasza „rzeczywistość” jest jakąś płaszczyzną, a kolejne (a także poprzednie) takie płaszczyzny obrazują przyszłość oraz przeszłość. Są po prostu niczym pojedyncza klatka filmu; filmu, który możemy przewijać w przód lub w tył.
Koncepcja takiej blokowej budowy pozwala nam bezpośrednio połączyć przyczynę oraz skutek. Jeśli na dwuwymiarowej osi współrzędnych zaznaczymy punkty A oraz B, to jesteśmy w stanie obliczyć bądź zmierzyć odległość między nimi. Podobnie jest w przypadku przestrzeni trójwymiarowej. Sprawę komplikuje jednak teoria względności, w myśl której wynik pomiaru odległości między A i B może być różny w zależności od prędkości obserwatorów. A skoro może być różny, to który jest prawdziwy? Einstein odkrył, że wprowadzenie czwartego wymiaru, czyli czasu, rozwiązuje ten problem. Efektem takiego wnioskowania jest właśnie czasoprzestrzeń oraz wynikająca z niej blokowa koncepcja budowy Wszechświata.
Płynie z tego jeden, prosty wniosek. Wiemy, że koncepcja jest prawdziwa, bo, jak pisałem poprzednim razem, działający system GPS jest najlepszym dowodem na prawdziwość teorii względności. Dodatkowo potrafimy poruszać się w przestrzeni – przemieszczamy się w górę, w dół, na boki, do przodu i do tyłu. Dlaczego więc mielibyśmy nie móc poruszać się także w czasie? W zasadzie to robimy to cały czas, niemniej dzieje się to niezależnie od naszej woli. Przynajmniej na razie. Niewykluczone, że w przyszłości jakiś genialny umysł odkryje sposób na manipulowanie także czwartym wymiarem rzeczywistości.
Przeszłość jest tylko jedna
Powróćmy teraz do początku i przykładu z planami wehikułu czasu. Dla przypomnienia – naukowiec odkrywa plany, buduje wehikuł i podrzuca te same plany swojej młodszej wersji. Wszystko fajnie, tylko niezwykle istotna jest jedna rzecz – skąd te plany się u niego wzięły? W przedstawionej sytuacji pojawia się nieskończona pętla, a same plany po prostu nie miały jak zostać utworzone. Nie mogły również pojawić się znikąd. Absolutnie zaburzona jest tutaj przyczynowość, a do tego nie możemy dopuścić. Płynie z tego prosty wniosek – paradoks obrazuje sytuację, która po prostu nie ma prawa zaistnieć. Co prawda może wystąpić sytuacja, w której naukowiec odkrywa jakieś kartki papieru, niszczy je bez zaglądania do nich, a następnie sam tworzy wspomniany wehikuł czasu i swoje własne plany zawozi do przeszłości, gdzie dzieje się to samo. Takie sytuacje fizycy określają mianem „spójnych” – nie dochodzi do paradoksu tylko w konkretnym przypadku, ale dla nas takie wytłumaczenie jest niewystarczające.
Przez cały czas celowo nie wspominałem o jednej, arcyważnej kwestii. Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że energia w izolowanym układzie jest stała. Koniec, kropka. Może zmieniać swoją formę, ale nie może jej ubyć lub przybyć. Jeśli cały Wszechświat potraktujemy jako jeden układ, to sama ta zasada nie dopuszcza do podróży w czasie. Obiekt nie może po prostu zniknąć z Wszechświata, nie może się w nim również po prostu pojawić. Pierwsza zasada termodynamiki uniemożliwia również istnienie perpetuum mobile, ale to tylko taka dygresja. Jest absolutnie nieprzekraczalna, więc tak naprawdę temat możemy już sobie odpuścić. Chociaż…
Teoria multiwersów
Bam! Nauka uczy nas, że nie można się zbyt łatwo poddawać, a czasami nawet najbardziej szalone teorie mogą okazać się prawdziwe. Że niby grawitacja może wpływać na upływ czasu? Wolne żarty. A jednak! Dla mnie również jest to trudne do pojęcia, bo kłóci się z „chłopskim rozumem” i „logiką”, ale przecież ten nieszczęsny, przytaczany przy każdej okazji, system GPS, działa. Po prostu działa. Szalona teoria, bez której obecnie nie wyobrażamy sobie przemysłu kosmicznego.
Istnieje jeden sposób na to, by podróże w czasie nie powodowały paradoksów oraz nie łamały podstawowych praw fizyki. Multiwersa albo, jak kto woli, wieloświaty lub wielowszechświaty. Teoria, która po części wynika z mechaniki kwantowej, a po części jest fantastyczną próbą wytłumaczenia czasoprzestrzeni. W materiale o kocie Schrodingera wspomniałem o czymś takim, jak superpozycja; zasada mówi nam, że dana cząstka znajduje się we wszystkich stanach jednocześnie, aż do momentu obserwacji – wtedy zmuszona jest wybrać jeden ze stanów. A co się dzieje z pozostałymi? A gdyby utworzyć drugą wersję Wszechświata, w której wybrany zostałby inny stan? A gdyby utworzyć takich wersji tyle, ile możliwych stanów miała do wybrania dana cząstka?
Teoria wielu wszechświatów poniekąd łączy się z koncepcją blokowej budowy Wszechświata; multiwersum, czyli zbiór tych wszystkich Wszechświatów, to po prostu wiele takich bloków umieszczonych na wspólnej linii czasu. Bardziej rozbudowana koncepcja zwana kwantowym multiwszechświatem (te nazwy są naprawdę okropne!) mówi wręcz o wzajemnym przenikaniu się tej nieskończonej ilości blokowych wszechświatów. W odróżnieniu od pojedynczego świata blokowego, w którym przeszłość i przyszłość jest jedna i niezmienna, koncepcja multiwersów pozwoliłaby na dowolne podróżowanie do różnych wersji przeszłości i przyszłości.
Dlaczego w ogóle naukowcy pochylają się nad pomysłem, który tak trudno poddać weryfikacji? Jak wspomniałem, multiwersum pozwala uniknąć tych wszystkich pułapek paradoksów i praw fizyki. Pierwsza zasada termodynamiki zostaje zachowana, ponieważ układem izolowanym jest całe multiwersum; przemieszczanie się pomiędzy wszechświatami jest więc możliwe, bo suma energii pozostaje niezmienna. Nie występują również paradoksy – możesz udać się do innego wszechświata i zabić swojego dziadka, a mimo to nadal będziesz żył, ponieważ sam pochodzisz z innego wszechświata; takiego, w którym Twój dziadek żyje. Przykłady można mnożyć w nieskończoność.
Jest tylko jedna, „drobna” wada. Ze względu na nieskończoną liczbę wszechświatów, prawdopodobnie nigdy nie będziesz w stanie powrócić do tego, z którego wyruszyłeś. Do kontrolowania celu podróży wymagana byłaby kontrola środka transportu, na przykład tunelu czasoprzestrzennego. Jest to jednak temat na inną okazję, bo co za dużo, to niezdrowo. Do następnego!
źródło: Paradoks Jim Al-Khalili
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.
