Fantastyka naukowa, zarówno filmowa jak i książkowa, od dawna zna sposoby błyskawicznego pokonywania niezmierzonych głębi Wszechświata. Czy jednak istnieje rzeczywista szansa na to, aby podróże kosmiczne mogły odbywać się w czasie będącym do przyjęcia dla nas, Ziemian? O wędrówkach międzygwiezdnych i podróżach w czasie Teoretycznie - tak ... Gdyby statek kosmiczny mógł przemieszczać się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, podróż do środka naszej Galaktyki i z powrotem trwałaby ponad 80 tysięcy ziemskich lat. Ziemskich - bo dla załogi statku trwałaby ona zaledwie kilka lat. Na szczęście, z ogólnej teorii względności Einsteina wynika możliwość obejścia tej trudności. Wystarczy zakrzywić czasoprzestrzeń, aby stworzyć skróconą drogę do miejsca, które chce się odwiedzić. Można założyć, że mimo problemów z ogromną energią (ujemną!) niezbędną do tego celu i ryzykiem podróży wstecz w czasie, nadejdzie moment, że stanie się to wykonalne.   Szczególna teoria względności W 1905 roku Albert Einstein sformułował teorię, która - wychodząc z prostego założenia (tłumaczącego niezrozumiałe dotąd wyniki pomiarów prędkości światła), że prędkość światła jest zawsze taka sama, niezależnie od wzajemnego położenia i względnego ruchu różnych obserwatorów - określiła zależność przestrzeni, czasu i materii (dla prędkości bliskoświetlnych i kosmicznych odległości): Zdarzenia, które dla danego obserwatora zachodzą w tym samym czasie i w dwóch różnych miejscach, nie muszą być równoczesne dla innego obserwatora, poruszającego się względem tego pierwszego. Pojęcia "teraz" , "przed" i "po" mają inne znaczenia dla każdego z obserwatorów. Zegary na statkach kosmicznych, poruszających się względem mojego statku (mnie), chodzą wolniej niż "mój" zegar. Innymi słowy - czas zwalnia dla obiektów będących w ruchu. Linijki znajdujące się na statkach kosmicznych, które poruszają się względem obserwatora, wydają się być krótsze, niż identyczna linijka w jego układzie odniesienia. Obiekty ulegają skróceniu podczas ruchu. Wszystkie obiekty mające masę stają się tym cięższe, im szybciej się poruszają. Gdy ich prędkość zbliża się do prędkości światła, ich masa zbliża się do nieskończoności. A więc - tylko obiekty pozbawione masy, takie jak światło, mogą poruszać się z prędkością światła. Ogólna teoria względności W roku 1918 Einstein sformułował zasadę, że obserwacje przeprowadzone w układzie poruszającym się ruchem przyspieszonym są nie do odróżnienia od obserwacji wykonanych w obecności pola grawitacyjnego. Zasada ta legła u podstaw ogólnej teorii względności. Główne założenie ogólnej teorii względności Einsteina brzmi: zakrzywienie czasoprzestrzeni jest określone przez rozkład zawartej w niej materii i energii. Istnieje ścisły matematyczny związek między zakrzywieniem z jednej strony, a materią i energią z drugiej:             ZAKRZYWIENIE = MATERIA i ENERGIA Istnieje tu jednak sprzężenie zwrotne: zakrzywienie czasoprzestrzeni jest określone przez rozkład materii i energii we Wszechświecie, z kolei rozkład ten jest uzależniony od zakrzywienia czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń - związek między czasem i przestrzenią. Analizując szczególną teorię względności Einsteina niemiecki fizyk i matematyk Herman Minkowski zdał sobie sprawę z tego, że przestrzeń i czas, chociaż są względne dla obserwatorów poruszających się względem siebie, tworzą jedną czterowymiarową całość: trzy wymiary przestrzenne i jeden czasowy. Genialność tego spostrzeżenia polega na możliwości wyjaśnienia pozornych paradoksów zawartych w teorii względności. Sposób w jaki widzimy przestrzeń to trójwymiarowy obraz obiektów w rzeczywistości czterowymiarowych (przestrzeń i czas są połączone). Na chwilę zapomnijmy, że patrzenie na obiekty pod innym kątem nie zmienia ich rzeczywistych wymiarów, nawet jeśli zmienia je pozornie, oraz zamknijmy jedno oko aby utracić możliwość dotrzegania głębi. Teraz wymiary przedmiotów będziemy określać zależnie od kąta patrzenia na przedmiot. Każdy z obserwatorów w takiej sytuacji określi np. długość długopisu jako dwuwymiarowy rzut rzeczywistej, trójwymiarowej długości długopisu na własną, dwuwymiarową, płaszczyznę widzenia. A więc, według Minkowskiego, "odległość przestrzenna mierzona przez dwóch poruszających się względem siebie obserwatorów jest projekcją ukrytej czterowymiarowej odległości na trójwymiarową przestrzeń, którą mogą postrzegać; i podobnie, że czasowa "odległość" między dwoma zdarzeniami jest rzutem odległości w czterowymiarowej czasoprzestrzeni na wymiar czasowy każdego z obserwatorów". W zakrzywionej przestrzeni linia prosta nie musi być najkrótszą drogą między dwoma punktami. Jeżeli w przestrzeni, którą widzimy(!) jako dwuwymiarową określimy dwa punkty X i Y, to nakrótszą drogą pomiędzy nimi jest łączący je odcinek prostej. Jeśli jednak tę samą przestrzeń zobaczymy w trzech wymiarach, okaże się że nie jest to prawdą, bowiem przestrzeń pomiędzy punktami X i Y jest zakrzywiona. Podobny paradoks stwierdzi mrówka, która przewędrowała od bieguna do równika Ziemi po południku 0, po czym doszła do przecięcia równika przez południk 10 i po tym południku wróciła na biegun. Z jej perspektywy wytyczony w ten sposób trójkąt ma u podstawy dwa kąty proste. Musi wyciągnąć więc wniosek, że dwuwymiarowa przestrzeń, w której żyje jest zakrzywiona. W obu przypadkach tylko obserwacja przestrzeni dwuwywmiarowej umieszczonej (zanurzonej) w przestrzeni o trzech wymiarach pozwala dostrzec zakrzywienie. Załóżmy, że w świecie dwuwymiarowej wstęgi papieru żyją dwuwymiarowe "płaszczaki". Zagięcie wstęgi byłoby dla nich granicą nie do przebycia (konieczność przejścia przez trzeci wymiar). Gdybyśmy jednak zakrzywili wstęgę krzywizną o nieskończenie wielkim promieniu, cały czas poruszając się w płaskim świecie "płaszczaki" mogłyby przejść z jednego końca wstęgi do drugiego (mrówka na kuli ziemskiej). My jednak (jako "trójwymiarowi") obserwując wstęgę widzielibyśmy, że istnieje krótsza droga - tunel - pomiędzy początkowym X a końcowym punktem Y ich wędrówki. Łatwo jest jednak dojść do wniosku, że o ile tak zakrzywiona wstęga może istnieć bez otaczającej ją trójwymiarowej przestrzeni, o tyle utworzenie tunelu wymaga aby ta otaczająca przestrzeń istniała. Gdy odniesiemy powyższy przykład do czasoprzestrzeni Wszechświata, możemy sobie wyobrazić nieskończenie zaawansowaną cywilizację, zdolną do zakrzywiania czasoprzestrzeni i poszukiwania miejsca utworzenia tunelu między punktami dotąd bardzo odległymi od siebie. Niestety musi się to odbywać metodą prób i błędów. Dopóki bowiem nie połączymy tych punktów, nie wiemy gdzie znajduje się ten drugi. Cywilizacja ta musiałaby przedtem rozwiązać dwa problemy. Jednym problemem jest znalezienie i wykorzystanie ogromnych ilości energii koniecznych do zakrzywienia przestrzeni. Drugim zaś to, że każdy rodzaj znanej (nam) materii lub energii zapada się pod wpływem własnego przyciągania grawitacyjnego, co spowodowałoby natychmiastowe zniszczenie tunelu. Rozwiązaniem problemu utrzymania otwartego tunelu mogłaby być materia o "ujemnej energii", rozpraszająca się pod wpływem grawitacji. Czarne zwyrodnienie wszechświata Czarna dziura (kollapsar) jest to zwyrodniała materia pozostała po śmierci gwiazdy o masie większej od około 3 mas Słońca. Z obserwacji galaktyk przy użyciu teleskopu Hubble'a wynika, że większość galaktyk posiada w swoich centrach czarne dziury. Choć nie udowodniono istnienia żadnej z nich, zwiększająca się prędkość porusznia się gwiazd w pobliżu środka galaktyk wskazuje na istnienie tam ogromnej, skupionej masy o niewielkich rozmiarach. Masa czarnej dziury jest ogromna. Pole grawitacyjne w jej pobliżu osiąga natężenie wciągające wszystko dokoła, tak duże, że nawet światło nie jest w stanie jego opuścić. Każda czarna dziura skrywa w swoim wnętrzu czasoprzestrzenną osobliwość, do której w nieunikniony sposób musi dotrzeć wszystko, co spada na czarną dziurę. W takiej osobliwości - nieskończenie zakrzywionym "wierzchołku" czasoprzestrzeni - znane nam prawa fizyki przestają obowiązywać. Czarna dziura jest obiektem niewidocznym. Nie znaczy to jednak, że wyklucza się możliwość obserwacji czarnej dziury. Czarne dziury powinny być otoczone dyskiem akrecyjnym, będącym silnym źródłem promieniowania, ponadto prawdopodobnie emitują cząstki na skutek efektu Hawkinga. W 1974 roku Stephen Hawking dokonał odkrycia, że czarne dziury nie są zupełnie czarne. Mogą emitować promieniowanie o pewnej charakterystycznej energii. Źródłem promieniowania czarnej dziury nie jest zwykła materia: promieniuje pusta przestrzeń, która w pobliżu czarnej dziury może zachowywać się nietypowo. Wiemy dziś, że pusta przestrzeń Wszechświata nie jest całkiem pusta. Jest ona raczej wrzącym kotłem kwantowych zaburzeń. Co jakiś czas wyłaniają się z niej i znikają pary cząstek elementarnych, które istnieją przez okres tak krótki, że nie możemy ich zaobserwować. Ich istnienie można doświadczalnie potwierdzić obserwując zjawiska, które wywołują. W normalnych warunkach para cząstek znika z powrotem w próżni w czasie tak krótkim, że nie można zaobserwować złamania zasady zachowania energii (spowodowanego powstaniem czegoś z niczego). W zakrzywionej przestrzeni w pobliżu czarnej dziury zdarza się, że jedna z cząstek wpada do dziury a druga ucieka, dzięki czemu można ją zaobserwować. Wpadająca do czarnej dziury cząstka traci w tym momencie więcej energii, niż było potrzebne do jej powstania z nicości. Dostarcza więc ona do czarnej dziury "ujemnej energii" i w ten sposób energia czarnej dziury się obniża. Zasada zachowania energii zostaje zachowana, bo ta ujemna energia równoważy energię cząstki, która uciekła. W ten sposób czarna dziura emituje promieniowanie. Z opisanym procesem, jak przypuszczają uczeni, wiąże się wiele innych zjawisk. Dla nas istotna jest odpowiedź na pytanie czy zmiany kwantowe w pustej przestrzeni koło czarnych dziur (ujemna energia materii) mogą utrzymać otwarty tunel czasoprzestrzenny. Jak dotąd nie ma odpowiedzi na to pytanie. Nadświetlną naprzód! Niezależnie od możliwości tworzenia lub wykorzystania istniejących tuneli czasoprzestrzennych, uczeni spróbowali odpowiedzieć na pytanie czy zjawisko zakrzywiania czasoprzestrzeni można wykorzystać do podróży kosmicznych w inny sposób. Ogólna teoria względności mówi, że nic _lokalnie_ nie może poruszać się z prędkością większą od świetlnej. Czyli nic nie może biec prędzej niż światło wobec lokalnych mierników odległości. Jeżeli czasoprzestrzeń jest zakrzywiona - mierniki lokalne nie muszą być identyczne z globalnymi. Umieśćmy zegary na kilku równoodległych obiektach we Wszechświecie. Będą one pozostawały w spoczynku w stosunku do swego lokalnego otoczenia, a więc wszystkie będą pokazywały ten sam czas. Ogólna teoria względności dopuszcza rozszerzanie się czasoprzestrzeni. A więc obiekty te mogłyby oddalać się wzajemnie od siebie z ogromnymi prędkościami a mimo tego pozostawać w spoczynku wobec swego lokalnego otoczenia (np. punkty na nadmuchiwanym baloniku). Stąd fizyk Miguel Alcubierre z Uniwersytetu Walijskiego wysnuł wniosek, że aby podróżować z prędkościami wielokrotnie ponadświetlnymi trzeba czasoprzestrzeń przed statkiem kurczyć a za nim rozszerzać. Jeśli przestrzeń za statkiem nagle znacznie się rozszerzy, punkt startu, który niedawno opuścił, znajduje się teraz w odległości wielu lat świetlnych. I analogicznie, jeśli przestrzeń skurczy się przed statkiem, punkt docelowy, który znajdował się uprzednio w odległości kilku lat świetlnych, jest teraz bardzo blisko i można do niego dotrzeć w ciągu kilku minut, używając zwykłego napędu rakietowego. Co więcej, przez cały czas podróży statek ten poruszałby się względem swego lokalnego otoczenia z prędkościami mniejszymi od prędkości światła, dzięki czemu zegary na jego pokładzie byłyby zsynchronizowane z zegarami znajdującymi się w punkcie startu i w punkcie docelowym. Czyli - jak to jest naprawdę? Czy podróże kosmiczne pewnego dnia staną się możliwe, czy też na zawsze będziemy skazani na fantastykę i ograniczeni w najlepszym razie do Układu Słonecznego? Mimo teoretycznych możliwości uczeni są sceptyczni. Uczestnicy podróży przez tunel mieliby do czynienia z ujemną energią, a więc jak w czarnej dziurze zostaliby rozerwani w czasie krótszym niż mgnienie oka. W przypadku napędu czasoprzestrzennego, z ujemną energią mieli by też do czynienia obserwatorzy pozostający w spoczynku. Do tego między statkiem a punktami startu oraz docelowym wystąpiłyby ogromne pływy energetyczne (grawitacyjne). A ostatecznym problemem byłoby znalezienie i okiełznanie niewyobrażalnie wielkich ilości energii i materii o ujemnej energii, koniecznych do zakrzywiania czasoprzestrzeni na skalę kosmiczną. Opracowanie na podstawie Lawrence M. Krauss "Fizyka podróży międzygwiezdnych. Wyprawa w swiat StarTrek").

Strona główna | Index tekstów | Przesłanie do Obcych | Jak powstały galaktyki

Warunki powstania życia | Powstanie Księżyca | Misja Pioniera X | I Ty poszukaj Obcych | Samotność we Wszechświecie Horoskop druidów