Kaip sukurti laiko mašiną? UFO Page. Lithuanian

Kelionės laike – populiari mokslinės fantastikos tema. Ji išpopuliarėjo dar 1895 m. su H. Velso „Laiko mašina“. Tačiau ar tai realu? Neseniai tema patemo ir į teorinės fizikos dienotvarkę. Vieningo lauko teorijoje yra svarbu gerai suvokti ryšį tarp priežasties ir pasekmės. Ir pasirodžius, kad kelionės laike įmanomos, tai turėtų didelį poveikį vieningo lauko teorijų prigimčiai.
Papildomai skaitykite Kelionės laike

Specialiojoje reliatyvumo teorijoje A. Einšteinas pasiūlė, kad laiko intervalo tarp dviejų įvykių matavimas priklauso nuo stebėtojo judėjimo. Tada du stebėtojai, judantys skirtingai, suvoks skirtingą laiko tarpą. Šis efektas geriausiai iliustruojamas „dvynių paradoksu“. Tarkim Selė ir Semas yra dvyniai. Selė artimu šviesai greičiu nuskrenda iki kokios nors žvaigždės, apsisuka ir grįžta. Selei atrodys, kad kelionė truko tik metus, tačiau grįžusi išvys, kad iš tikro keliavo kelias dešimtis metų. Dvynių amžius jau skiriasi, nors abu gimė tą pačią dieną. Iš esmės, Selė persikėlė keliomis dešimtimis metų į ateitį.

Laiko sulėtėjimo efektas pastebimas dviems stebėtojams judant vienas kito atžvilgiu. Kasdieniniame gyvenime nepastebime laiko sutankėjimų, nes mūsų judėjimo greitis yra nedidelis. Tačiau atominiai laikrodžiai gali užfiksuoti kelių nanosekundžių skirtumus susidarančius skrendant lėktuvais. Tad kelionė į ateitį (kad ir labai nežymiai) yra įrodytas faktas.

Laiko sutankėjimai labiau pastebimi neįprastomis sąlygomis. Subatominės dalelytės gali būti pagreitinamos iki artimo šviesai greičio. Kai kurios jų, kaip miuonai, turi vidinius laikrodžius, nes turi apibrėžtą skilimo pusperiodį. Ir iš tikro, greitai skriejantys miuonai skyla lėčiau, patvirtindami A. Einšteino teoriją. Kai kurie kosminiai spinduliai irgi patiria laiko sutankėjimą. Jie juda taip greitai, kad iš jų taško, jos galaktiką perskrodžia per kelias minutes, nors iš Žemės žiūrint atrodo, kad jie turi skrieti dešimtis tūkstančių metų.

Greitis tėra vienas būtų iššokti į priekį laike. Kitas – gravitacija. Bendrojoje reliatyvumo teorijoje, A. Einšteinas teigia, kad gravitacija lėtina laiką. Laikrodžiai tiksi truputį greičiau kalnuose, nei jų papėdėje, nes čia jie arčiau Žemės centro, nes čia gravitacinis poveikis didesnis. Tą skirtumą galima išmatuoti labai tiksliais laikrodžiais – ir į tą skirtumą atsižvelgia GPS sistemos, kad lėktuvai, laivai ir balistinės raketos nenuklystų į šalį kelis kilometrus.

Neutroninės žvaigždės paviršiuje gravitacija tokia stipri, kad laikas gali sulėtėti net 30%. Iš jos visi įvykiai Visatoje atrodo vykstą pagreitintai. Dar labiau pakeisti laiko tėkmę gali „juodosios skylės". Jei pavyktų ją palikti, pamatytume, kad atsidūrėme toli ateityje.

Taigi, aptarėme kelionę laiku į priekį. O kaip su kelione atgal? Čia reikalai sudėtingesni. 1948 m. Kurtas Godelis surado sprendimą Einšteino gravitacijos lauko lygtims, aprašančiomis besisukančią Visatą. Joje astronautas gali keliauti patekdamas į savo praeitį. Taip atsitinka dėl gravitacijos poveikio šviesai. Visatos sukimasis gali tempti šviesą aplinkui, sudarant galimybę materialiam objektui keliauti erdvės kilpa, kuri kartu yra ir uždara laiko kilpa. Iš tikro, K. Godelio sprendimas patenkina tik matematinį smalsumą, nes nepastebima jokių požymių, kad Visata, kaip visuma, suktųsi.

A. Einšteinas aiškiai abejojo dėl kelionių laike. Tačiau K. Giodelis 1949 m. surado sprendinį Einšteino lygtims, kuris leido kelionę laike (žr. Giodelio metrika). Juk jei Visata sukasi, o jūs panorsite ją apeiti, grįšite anksčiau, nei ją palikote. Einšteinui nepatiko, kad besisukanti Visata leidžia keliauti laiku, tačiau savo memuaruose jis paminėjo, kad jo tai neramina, nes Visata ne sukasi, o plečiasi. Tačiau mokslininkai atrado dar daugybę kitokių Einšteino lygties sprendinių, leidžiančių keliones laiku.

Tačiau buvo surastos ir kitos galimybės kelionėms į praeitį. Pvz., 1974 m., Frankas Tipleris^*) paskaičiavo, kad masyvus ilgas cilindras, besisukantis aplink savo ašį artimu šviesai greičiu, gali leisti astronautams aplankyti savo praeitį – ir vėl todėl, kad šviesa išsilenkia į kilpą. 1991 m. J. Richard Gott'as^**) spėjo, kad kosminės stygos (struktūros, kurios, kaip laiko kosmologai, susiformavo netrukus po Didžiojo sprogimo) gali sukelti panašų efektą. Tačiau 9 dešimtm. viduryje buvo išvystytas tikėtiniausias scenarijus, paremtas sliekangių koncepcija.

Anot bendrosios reliatyvumo teorijos, erdvėlaikis gali taip išsikreivinti, kad sudarys uždaras laiko kilpas (closed timelike curve, CTC), tarsi kirmgraužas. Judant palei tas kreives galima keliauti tiek į praeitį, tiek į ateitį, vėliau grįžtant į pradinį laiką. Buvo apmąstomos įvairios sąlygos, leisiančios susidaryti laiko kilpai, tačiau kaskart kelionė laiku pasirodydavo neįmanoma. S. Hokingas iškėlė chronologijos apsaugojimo prielaidą, pagal kurią bandymas sukurti uždarą laiko kilpą sukeltų juodosios skylės susidarymą.
Tačiau 2017 m. „Classical and Quantum Gravity“ žurnale grupė JAV ir Kanados mokslininkų paskelbė straipsnį, kuriame pasiūlė matematinį laiko mašinos TARDIS modelį. Jis savo principu primena šviesos greitį leidžiančią viršyti Alcubierre pavarą. Tačiau ši laiko mašina privalo judėti uždara kreive, kad viduje esantys žmonės jaustų nuolatinį pagreitį. Tada išoriniai stebėtojai matys dvi viduje esančių keliautojų versijas: vienoje laikas tekės normaliai, o kitoje – atgal į praeitį. Va, tik lieka neaišku, kaip tai padaryti techniškai.
Pastaba: Apie TARDIS laiko mašiną pasakojama britų fantastiniame seriale „Daktaras Kas“, kuriame nežemietis keliauja į įvairias planetas ir laikus.

Mokslinėje fantastikoje, sliekangėmis kartais vadinti žvaigždžių vartai – dviejų nutolusių erdvės taškų sujungimai – per kuriuos gali iškart atsidurti kitoje galaktikos pusėje. Sliekangės dera su bendrąja reliatyvumo teorija, nes gravitacija iškreipia ne tik laiką, bet ir erdvę. Šią teoriją galima pailiustruoti keliu kalnų serpantinais ir keliu tuneliu.

Sliekangę naudojo Karlas Saganas 1985 m. romane „Kontaktas“. Susidomėję Kip S. Thorne su bendradarbiais Kalifornijos technologijos institute patikrino, ar sliekangių koncepcija neprieštarauja fizikai. Jie padarė prielaidą, kad sliekangę turi būti panaši į „juodąją skylę“, tačiau, skirtingai nuo šios, turi turėti įėjimą ir išėjimą.

Kad per sliekangę būtų galima keliauti ji turi turėti tai, ką Thorne pavadino egzotiškąja materija, - kažką, kas sukurti pakankamą antigravitacinę jėgą, generuojamą neigiamos energijos. Žinoma, kad neigiamos energijos būsenos gali egzistuoti kai kuriose kvantinėse sistemose, tad vadinamoji „egzotiškoji materija“ nėra negalima šiuolaikinėje fizikos teorijoje, nors ir neaišku, ar ji gali stabilizuoti sliekangę. Tačiau, jei pavyktų sukurti stabilią sliekangę, ją būtų nesunku paversti laiko mašina. Praėjęs per ją astronautas ne tik atsidurtų kažkur toli erdvėje, bet ir kitame laike (ateityje ar praeityje).

Tam vieną jos angų reiktų nukreipti į nepaprastai arti esančią neutroninę žvaigždę, kurios gravitacinis laukas sulėtintų laiką šalia sliekangės angos. Tad laiko skirtumas tarp sliekangės angų palaipsniui kauptųsi. Jei abi angos būtų fiksuotos erdvėje, tas skirtumas galėtų likti vienodu. Astronautas, perėjęs viena kryptimi, patektų į ateitį, o kita – į praeitį. Praėjęs sliekangę ir skriedamas dideliu greičiu į pradinį tašką, astronautas galėtų netgi sutikti save prieš išskrendant (laiko kilpa). Tėra vienas apribojimas – negalima persikelti į laiką, buvusį iki pirmos sliekangės sukūrimo.

Tik klausimas, o kaip sukurti tą pirmąją sliekangę? Tačiau gali būti, kad jos egzistuoja natūraliai – kaip Didžiojo sprogimo reliktai. Iš kitos pusės, sliekangės gali atsirasti mikrolygyje, vadinamajame Planko atstume, kuris yra apie 10²⁰ kartų mažesnis už atomo branduolį.

MIT doktorantas C. Mallary žurnale „Classical and Quantum Gravity“ 2018 m. pabaigoje paskelbė straipsnį, kad laiko mašiną persikėlimui į praeitį galima sukurti panaudojant du singuliarumus. Jame nurodoma, kad kai kuriais atvejais laiko kilpos gali susidaryti ir be egzotinės materijos su neigiama mase. Tam reikia lygiagrečiai patalpinti du superilgus strypus, kurių centre yra nuogi singuliarumai (taškai, su begaliniu tankiu, temperatūra ir slėgiu). Pagal šiuolaikinę fizikos sampratą, singuliarumai randasi juodųjų skylių centruose, tačiau šiuo atveju jie yra nuogi, tad nėra uždengti įvykių horizontu ir gali būti stebimi. Vienas iš strypų greitai juda į priekį, o kitas lieka vietoje. Tada tarp strypų susidaro uždara laiko kreivė. Vis tik fizikai nesitiki, kad tokie neįprasti objektai gali gamtoje egzistuoti natūraliai.

Taip pat reikia neužmiršti, kad laiko mašinos sukūrimas sukeltų daugybę priežasties-pasekmės paradoksų. Tarkim žudikas nukeliauja į praeitį ir nužudo savo motiną, jai esant dar maža mergaite. Tada žudikas niekada negims, tačiau kaip negimęs jis gali nužudyti savo motiną? Tokio tipo paradoksai kyla, kai keliautojas bando keisti praeitį, kad, akivaizdu, yra neįmanoma. Tačiau niekas netrukdo jam būti praeities dalimi. Iš kitos pusės, tarkim, kad nukeliaujam į ateitį ir sužinome apie naują mokslinį išradimą, apie kurį atskleidžiame grįžę. Tada klausimas – kas kada būtų šio išradimo autorius? Keliautojas? Bet jis apie jį tik sužinojo. Ar išradėjas iš ateities? Bet išradimas jau buvo žinomas anksčiau, nes keliautojas jį atskleidė.

Tokios keistenybės privertė kai kuriuos mokslininkus atsisakyti kelionių į praeitį koncepcijos. Stephen W. Hawking'as pasiūlė "chronologijos apsaugos prielaidą", kuri turėtų uždrausti priežasties-pasekmės kilpas. Kadangi reliatyvumo teorija leidžia priežasties-pasekmės kilpas, tad turėtų būti kažkoks kitas veiksnys, draudžiantis keliauti į praeitį. Vienas iš pasiūlymų buvo, kad išeitis yra kvantiniai procesai. Elementariosios dalelės, patekusios į laiko kilpas, patektų į savo praeitį ir taip susidarytų energija, suardysianti sliekangę.

Mus supantis pasaulis pilnas nežinios, o anot rytiečių patarlės, supamas dulkių. Pro jų sluoksnį mokslas ne viską įstengia įžiūrėti – ir kartais sunku atskirti arklį nuo asilo. Kadaise susirašinėjo Einšteinas su Čaplinu: „Brangusis misteri Čarli, aš laikau jus dideliu meistru: jūsų menas suprantamas visiems“. Į tai menininkas atsakė: „Gerbiamas misteri Albertai, jūs labai didis žmogus nepaisant to, kad jūsų teorijos niekas nesupranta“.

Fizikai kalba, kad laiko mašiną jau turime. Tai iš kosmoso atkeliaujantys didelių energijų neutrinai. Fantastinis jų skvarbumas (yra neutrinų, galinčių skverbtis per Visatos materiją 10 mlrd. metų ir to visai nejausti), kas sukelia sunkumus juos registruojant. O juk šios dalelės nesensta – ir kažkaip išlaiko įvykių, kai gimė galaktikos ir žvaigždės, pėdsakus. Reikia tik gebėti jas „pagauti“ ir išmatuoti jų parametrus, nustatyti charakteristikas...

^*) Frankas Tipleris (Frank Jennings Tipler, g. 1947 m.) – žydų kilmės amerikiečių matematikas, teorinės fizikos ir kosmologijos mokslininkas. Skelbiasi „Omega Point“ (tam tikras laikas tolimoje ateityje; paremtas Pjero Šardeno religinėmis idėjomis), kurį laiko mechanizmu mirusiųjų prikėlimui kuriant alternatyvias visatas (prasidedančias nuo Didžiojo sprogimo akimirkos). “Omega taškas” tapatinamas su Dievu, nes anot Tiplerio, jis turi visus dievų požymius. Tai buvo minčių, pasirodžiusių jo 1994 m. knygoje „Nemirtingumo fizika“, išvystymas.
Žinomas ir savo teorijomis apie Tiplerio cilindro laiko mašiną. Tai hipotetinis objektas, gaunamas iš tikslaus Einšteino lygčių sprendinio, 1924 m. paskaičiuoto K. Lancošo. 1974 m. F. Tipleris aptiko, kad tame sprendinyje gali susikurti uždalos laiko tipo kilpos. Vėliau S. Hokingas pademonstravo, kad kelionė laike Tiplerio cilindro dėka įmanomos tik cilindrui esant begalinio ilgio. Tačiau Tiplerio cilindras neretas svečias mokslinės fantastikos kūriniuose, tarp jų ir „Avatare“.

^**) Džonas Ričardas Gotas (John Richard Gott III, g. 1947 m.) – amerikiečių fizikas teoretikas, pagrindinį dėmesį sutelkęs kosmologijai ir bendrajai reliatyvumo teorijai. Išgarsėjo savo straipsniais apie keliones laike ir teorema apie pasaulio pabaigą (Doomsday argument). Buvo Prinstono un-to profesoriumi; už mokymo išskirtinumą yra gavęs prezidento apdovanojimą. Pasisakė už mokslo populiarinimą. Laiko kelionėms pasiūlė „laiko veidrodį“, paremtą laiko sulėtėjimo principu. Tokį įtaisą reikia patalpinti prie juodosios skylės, esančios maždaug už 100 švm. Jis veiktų kaip šviesos surinkėjas ir energizuotų spindulius, deformuotus ir iškreiptus gravitacinio poveikio. Tada jis atskleistų praeities įvykius pagal Žemėje kilusius fotonus. Savo knygoje „Kelionė laiku Einšteino Visatoje“ (2002) jis laiko, kad kelionės laiku visai įmanomos, tačiau praeities keisti negalima. O pasaulio pabaigos argumente (tikimybiniame spėjime apie žmonių rasės būsimą egzistavimą, remiantis tik iki šiol gyvenusiais žmonėmis) pagrindas yra Koperniko principas, pagal kurį esame paprastais Visatos stebėtojais, esančiais įprastose sąlygose – t.y. esame kažkokio proceso viduryje ir vargiai jo pradžioje ar pabaigoje. Ji sgali būti išreikštas matematiškai ir leidžia įvertinti tikimybę to, kad stebėtojas randasi neįprastose sąlygose. Pagal Dž. Goto formulę tikimybė žmonijai žūti 21-me a. yra 15-30%, priklausomai nuo tada gyvenančių žmonių kiekio.