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.

Siūlomi keli hipotetiniai kelionių laiku būdai. Vienas jų – daugelio pasaulių teorija, pagal kurią mūsų visata skyla į lygiagrečias laiko linijas. Grįžimas į praeitį sukurtų naują laiko liniją, tad toliau minimas motinos nužudymas pradėtų naują tikrovės atšaką - ir joks paradoksas nekiltų.
Tačiau buvo surastos ir kitos galimybės kelionėms į praeitį. Pvz., 1974 m., Frankas Tipleris¹⁾ 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'as²⁾ 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 kilpas³⁾ (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.

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. Panašus variantas ir su kelione į praeitį. Tarkime, keliaujame į praeitį ir savo jaunesniajam „aš“ perduodate instrukciją, kaip keliauti į praeitį, Kaip tada paaiškinti, iš kur atsirado toji instrukcija?! Tai informacija be jokios kilmės - ir tai vadinamasis „batų raištelių“ (angl. bootstrap, kuris kilęs iš „to pull oneself up by one's bootstraps“ - pažodžiui, „ištraukti save už batų raištelių“, o vaizdžiau - „ištempti save iš balos už plaukų“) paradoksas.
O predestinacijos paradoksas, kai vyksti į praeitį, kad kažko išvengtum (pvz., avarijos), tačiau pats tai sukeli...

Kad ir kokios keistos atrodo tos idėjos, vis gi, nors ir daugiausia teoriškai, gali būti iš dalies patikrintos – ypač kvantiniame lygmenyje. Tokius eksperimentus, siekdamas ištirti uždaras laiko tipo kreives, atlieka Kater Murch’as⁴⁾. Tam jis pasitelkia neįprastas kvantinio susietumo savybes – reiškinį, kai dvi kvantinės dalelės, net ir būdamos atskirtos, išlaiko bendrą būseną.

Vieną jo eksperimentų, apie kurį paskelbė 2024 m., įkvėpė akimirka, kai jis danguje pamatė krintančią žvaigždę. Jis susimąstė: ar būtų įmanoma fotoaparatu užfiksuoti krintančią žvaigždę jau po to, kai šis įvykis baigėsi? Jo komanda susiejo du kubitus. Vienas iš jų veikė kaip jutiklis. Veikiamas magnetinio lauko, jutiklio spinas pakisdavo, taip užfiksuodamas lauko stiprį. Tačiau šio pokyčio dydis priklausė nuo to, kaip buvo orientuoti jutiklio spinas ir magnetinis laukas. Komanda įrodė, kad išmatavus antrąjį kubitą vėlesniu metu, galima pakeisti jutiklio orientaciją praeityje. Atrodė taip, tarsi informacija apie tai, kuria kryptimi turėtų būti nukreiptas jutiklis, būtų nukeliavusi atgal laiku į tą momentą, kai abu kubitai buvo susieti.

Nors eksperimento metu realiai nebuvo keliaujama laiku, jis pademonstravo „batų raištelių“ paradokso principus. Bet ar tai reiškia, kad galima siųsti informaciją atgal laiku? Ne, … tačiau tam tikromis aplinkybėmis galima pakeisti jutiklio orientaciją praeityje, paaiškina K. Murch’as. Laiko kilpa, 2012

Yra ir daugiau teorinių uždarų laiko kreivių keistybių. Viena iš jų – idėja, kad viena susieta kvantinė dalelė keliauja kreive, o kita lieka už jos ribų. Kas nutiktų, kai kreivėje esanti dalelė sutiktų jaunesnę savo versiją?

Vlatko Vedral’is⁵⁾ iš Oksforfo un-to teigia, kad šią problemą galima išspręsti, jei susietumas būtų nagrinėjamas ne tik erdvėje, bet ir laike. Tai vadinama laikiniu susietumu, kurį jis įrodė esant matematiškai įmanomą. Dalelė už kreivės ribų būtų susieta su abiem dalelės versijomis kreivės viduje. Tai, taipogi, leistų išspręsti S. Hokingo aptartą juodųjų skylių informacijos paradoksą.

Tuo tarpu Emily Adlam⁶⁾ iš Čapmano un-to Kalifornijoje nagrinėja kitą idėją – retropriežastingumą: kad ateities įvykis gali daryti įtaką praeities įvykiui. Bet kad to nebūtų maža, 2022 m. straipsnyje ji pasiūlė „visko vienu metu“ visatos modelį: visą visatą galima įsivaizduoti kaip vientisą, per laiką nusidriekusią struktūrą, kurios dalys dera tarpusavyje „tarsi sprendžiant sudoku“. Šios idėjos derinimas su retropriežastingumu galėtų padėti išspręsti „batų raištelio“ (bootstrap) paradoksą – kai žmogus grįžta į praeitį ir nelogiškai ją pakeičia. Paradokso tiesiog neliktų, nes praeitis ir ateitis vyktų vienu metu. Vis dėlto, ji pastebi, kad dabar Visatoje aiškiai stebimas priežastingumas neleidžia labai tikėtis, jog galėtume praktiškai panaudoti retropriežastingumą.

Į laiko tėkmę galima pažvelgti ir kitaip: uždaroje į laiką panašioje kreivėje entropija galėtų pradėti kisti priešinga kryptimi, kol pasiektų pradinį tašką kreivės pradžioje. Šį atvejį, kaip būdą išspręsti kai kuriuos paradoksus, 2024 m. nagrinėjo L. Gavassino⁷⁾, tai lygindamas su komedija „Švilpiko diena“ (1993): praėjus 24 val., tenka kažkaip viską pradėti iš naujo, nes grįžtama į pradžią. Tačiau užuot tai laikę paprasta 24 val. atkarpa, turėtume įsivaizduoti, kad pusiaukelėje įvyksta krypties pasikeitimas. Tarkim, egzistuoja žmogus, judantis nuo nulio iki 12, ir laiko atžvilgiu atvirkštinis to žmogaus atvaizdas, judantis nuo 24 atgal į 12: t.y. jie juda priešingomis kryptimis. Pasiekus 12 val. ribą, „pamatytumėte atgaline tvarka rodomą filmą“ apie vėlesnes 12 valandų. Galiausiai, praėjus 24 val., vėl atsidurtumėte pradžios taške. Anot Gavassino, praktiškai pati Visata neleistų egzistuoti uždaroms laiko tipo kreivėms; ir tai ne tik paverstų keliones laiku itin mažai tikėtinomis, bet ir užkirstų kelią bet kokiems paradoksams.

O galiausiai – ar laikas iš viso egzistuoja?! Bet tai jau kitas klausimas...

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...

¹⁾ 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“.

²⁾ 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. Jis gali 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.

³⁾ Uždara laiko kreivė (CTC) – į laiką panaši kreivė Lorenco daugdaroje, sugrįžtanti į pradinį tašką. Tokių linijų egzistavimas buvo pradėtas plačiai aptarinėti po K. Giodelio 1949-ais gauto tikslaus bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių sprendinio (Giodelio metrikos), nors tokio tipo sprendinys buvo gautas jau anksčiau - 1937 m. jį rado Vilemas van Stokumas. Panašių kreivių yra ir kituose sprendiniuose (Tilerio cilindras, praeinama kirmgrauža ir kt.). Teigiama, kad CTC gali užtikrinti keliones laiku, tačiau su tuo susijusiais paradoksais. Tačiau S. Hokingas 1992-ais iškėlė chronologijos apsaugojimo prielaidą, draudžiančią keliones laiku. O kiti tyrinėtojai pasiūlė chronologinės cenzūros modelį, pagal kurį kiekviena CTC duotame erdvėlaikyje privalo praeiti pro įvykių horizontą – ir tada stebėtojui, esančiam už šio horizonto, priežastingumo principas nėra pažeidžiamas.

⁴⁾ Keteras Marčas (Kater Murch, g. apie 1979 m.) - amerikiečių fizikas, Kalifornijos un-to profesorius, žinomas darbais kvantinės informacijos, atvirųjų kvantinių sistemų ir superlaidžių schemų srityse. Jo laboratorija tyrinėja kvantinės ir klasikinės mechanikos santykį, optimizuoja kvantinius daviklius ir net užsiima tamsiosios materijos paieškomis. Taip pat pradėjo užsiimti kvantine komercializacija, 2023 m. tapdamas „Gateway Quantum Technologies“ vienu steigėjų.

⁵⁾ Vlatko Vedralis (Vlatko Vedral, g. 1971 m.) - serbų kilmės britų fizikas, Oksfordo u-to profesorius (nuo 2009 m.) žinomas indėliu į kvantinės informatikos, kvantinės mechanikos, kvantinės kriptografijos ir kvantinio susietumo sritis. Užsiima ir mokslo populiarinimu. Yra kelių žurnalų, įskaitant „Nature“ recenzentas. Parašė kelis vadovėlius bei pora mokslinių knygų.

⁶⁾ Emily Adlam (g. 1990 m.) - fizikos filosofė iš Naujosios Zelandijos, Čapmano un-to docentė (nuo 2022 m.). Jos tyrinėjimų sritis randasi teorinės fizikos ir filosofijos sankirtoje ypač orientuojantis į kvantinės mechanikos pagrindus, laiko filosofiją, retropriežastingumą ir determinizmą. Daug rašo apie kvantinio matavimo problemas, teigdama, kad dabartiniai modeliai nesugeba jų tinkamai paaiškinti.

⁷⁾ Lorenzo Gavassino - italų fizikas teoretikas, Kembridžo DAMTP fakulteto tyrėjas, žinomas darbais reliatyvistinės skysčių dinamikos srityje sprendžiant paradoksus apie skysčių elgseną esant artimiems šviesai greičiams. Taip pat specializuojasi reliatyvistinės daugelio kūnų fizikos, bendrosios reliatyvumo teorijos ir reliatyvistinės hidrodinamikos srityse. Siekia suprasti aukštų energijų įvykius, tokius, kaip neutroninių žvaigždžių susijungimus. 2022 m. straipsnyje išsprendė formulavimo problemą susijusią su priežastingumu ir stabilumu klampiuose reliatyvistiniuose skysčiuose.