Podróżowanie w czasie

Ten artykuł od 2018-01 wymaga zweryfikowania podanych informacji. Należy podać wiarygodne źródła, najlepiej w formie przypisów bibliograficznych. Część lub nawet wszystkie informacje w artykule mogą być nieprawdziwe. Jako pozbawione źródeł mogą zostać zakwestionowane i usunięte. Dokładniejsze informacje o tym, co należy poprawić, być może znajdują się w dyskusji tego artykułu. Po wyeliminowaniu niedoskonałości należy usunąć szablon {{Dopracować}} z tego artykułu.

Podróżowanie w czasie – przemieszczanie się w przód (odbiegające od „naturalnego” tempa upływu czasu) lub przemieszczanie się w tył w czasie, w sposób podobny do przemieszczania się w przestrzeni.

Współczesne teorie fizyczne dopuszczają możliwość takiej podróży w przód w czasie, zmniejszając szybkość upływu czasu. Uzyskanie znaczącej zmiany upływu czasu dla ciała o masie człowieka przekracza jednak obecne możliwości techniczne. Istnieje rozbieżność w stosunku do podróży wstecz w czasie. Nigdy nie zaobserwowano eksperymentalnie przeniesienia energii, materii lub informacji wstecz w czasie, co jest niezbędnym warunkiem pełnego podróżowania w czasie.

W kręgach naukowych trwają dyskusje na ten temat, choć unika się nienaukowego określenia podróży i przeniesienia w czasie na rzecz takich określeń, jak zamknięte krzywe czasopodobne. Podróże w czasie są często tematem literatury popularnonaukowej i fantastycznonaukowej.

Źródła koncepcji

Czas jako wartość stała

Najstarszym zapewne przykładem podróżującego w czasie miał być Epimenides z Krety, bohater licznych legend. Według jednej z nich miał w dzieciństwie zasnąć w jaskini i obudzić się po 57 latach^[1].

Augustyn z Hippony zastanawiał się w XI księdze Wyznań nad nieuchwytnością czasu i faktem, że przeszłość i przyszłość nie istnieją w teraźniejszości. Według Augustyna nie da się rzeczywiście zmierzyć czasu pomiędzy dwoma zdarzeniami, gdyż pierwsze zdarzenie przeminęło i już nie jest do dyspozycji pomiaru. Czas wydaje się jednak być nieodłączny z ruchem materii i na podstawie tego – np. wskazówki zegara, dokonujemy jego subiektywnego pomiaru. Oznacza to, że czas nie jest czymś absolutnym i obowiązującym zawsze i wszędzie na tych samych zasadach.

W naukach ścisłych przez wieki utrzymywał się obraz czasu jako pewnego rodzaju eteru, który jest niezależny od materii i przestrzeni i jednakowy w całym Wszechświecie. Dopiero teoria względności Alberta Einsteina zerwała z taką koncepcją czasu. Okazało się, że tempo upływu czasu jest zależne od materii i energii, a sam czas nieodłącznie związany jest z przestrzenią tworząc tzw. czasoprzestrzeń.

Konsekwencje relatywistyki

Pierwsze przewidywania pozwalające na podróże w przyszłość wynikały bezpośrednio z teorii względności. Również na jej podstawie bazują pierwsze hipotezy o cofnięciu się w czasie, w związku z przekroczeniem prędkości światła w próżni oraz w modelu kosmologicznym Gödla z 1949 roku. Także przedstawiony w 1988 roku przez Kipa Thorne’a model wehikułu czasu, bazujący na tunelach czasoprzestrzennych, stał się nowym impulsem w badaniach naukowych.

Obraz podróży w czasie ukazywany przez media był często oparty na rezultatach takich nowych hipotez naukowych. I odwrotnie, zauważa się też wpływ literatury i filmu na pracę naukową, gdyż inspirują one fizyków do zajmowania się tematyką podróży w czasie.

Wskazuje się również istnienie paradoksów związanych z podróżami w czasie.

Podróże w przyszłość

Teoria względności

Według teorii względności dla obiektów poruszających się szybciej lub w silniejszym polu grawitacyjnym następuje dylatacja czasu – czas płynie wolniej względem innych obiektów i rejonów wszechświata. Różnica jest tym większa, im bardziej obiekt zbliża się do prędkości maksymalnej – prędkości światła w próżni – lub im bliżej znajduje się środka masy masywnego ciała. Dla ciał posiadających masę spoczynkową osiągnięcie prędkości światła w próżni jest niemożliwe, mogą się one tylko do niej zbliżyć.

Dla obiektu poruszającego się z prędkością światła w próżni dylatacja czasu staje się nieskończenie wielka i czas nie istnieje – kurczy się do zera. Cząstki nieposiadające masy spoczynkowej, np. fotony, poruszają się z prędkością światła w próżni i nie „odczuwają” czasu. Dylatacja umożliwia względne przyspieszenie – dzięki czemu staje się możliwa podróż w przyszłość – oraz względne spowolnienie biegu czasu.

Różnica w upływie czasu na statku i na Ziemi

Dylatacja

Dylatacja związana z ruchem

Dylatacja związana z prędkością ciał (dylatacja kinetyczna) jest opisana przez szczególną teorię względności. Im obiekt porusza się szybciej, tym wolniej płynie jego czas względem układu odniesienia, w którym się porusza. Wielkość dylatacji wyraża wzór:

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}},}$

gdzie:

c – prędkość światła w próżni,

v – prędkość obiektu.

Tak więc pilot lecącego odrzutowca starzeje się wolniej niż jego koledzy pozostali na lądzie. Jak jednak łatwo wyliczyć za pomocą wzoru, różnice te nawet przy największych spotykanych na co dzień prędkościach są tak minimalne, że da się je zauważyć tylko przy pomocy specjalnych urządzeń pomiarowych – stanowią tysięczne lub nawet tylko milionowe części sekundy.

Dylatacja związana z grawitacją

Dylatacja związana z oddziaływaniem sił grawitacyjnych (dylatacja grawitacyjna) jest opisana przez ogólną teorię względności. Im bliżej ciała o bardzo dużej masie tym wolniej płynie czas względem dalej położonych i spoczywających względem ciała regionów. Tak więc czas płynie wolniej na powierzchni Ziemi, niż na wysokim szczycie, gdyż na powierzchni Ziemi potencjał grawitacyjny ma mniejszą wartość. Również dla dylatacji grawitacyjnej różnice w upływie czasu mierzone na naszej planecie są minimalne i nie przekraczają miliardowych części sekundy. Wzór na obliczenie grawitacyjnej dylatacji to w najprostszym przypadku dla ciał spoczywających:

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {2Gm}{c^{2}r}}}}},}$

gdzie:

c – prędkość światła w próżni,

G – stała grawitacji,

m – masa ciała,

r – odległość od środka ciała.

Podróż szybkim statkiem kosmicznym

Dokonując podróży szybkim statkiem kosmicznym mogącym osiągnąć prędkości bliskie prędkości światła w próżni z dużym przyspieszeniem, możliwa byłaby podróż w dowolnie daleką przyszłość we względnie krótkim czasie. Gdyby jednak nałożyć ograniczenie, że przyspieszenie nie może przekraczać wartości szkodliwych dla ludzkiego organizmu, czas takiej podróży odpowiednio się wydłuży, gdyż potrzebne będą dłuższe okresy, aby zbliżyć się do prędkości maksymalnej.

By osiągnąć prędkość bliską prędkości światła w próżni z przyspieszeniem 10 m/s² (naturalne przyspieszenie grawitacyjne Ziemi), potrzeba by było około jednego roku. W tym czasie na Ziemi mogłoby jednak minąć nawet kilka stuleci. Teoretycznie wyobrażalna jest więc podróż w przyszłość poprzez lot szybkim statkiem kosmicznym i zatoczenie kręgu w kosmosie, np. dookoła bliskiej gwiazdy, by powrócić na Ziemię, na której minęło znacznie więcej czasu (zobacz: paradoks bliźniąt).

Gwiazdy neutronowe i czarne dziury

Na gwiazdach neutronowych, których gęstość jest szczególnie wielka (10¹² kg/cm³), siła grawitacji jest tak ogromna, że grawitacyjna dylatacja czasu prowadzi do ciekawych efektów na powierzchni takiej gwiazdy. Różnice w tempie upływu czasu stają się zauważalne na odległościach rzędu kilku metrów.

Choć życie na powierzchni takiej gwiazdy jest niemożliwe, to hipotetycznie można sobie wyobrazić, że gdyby istniały na nich wieżowce, czas płynąłby kilka razy szybciej na najwyższym piętrze niż na parterze. Gdyby więc hipotetyczny mieszkaniec gwiazdy neutronowej miał do rozwiązania czasochłonny problem, to mógłby wjechać windą do biura na 50 piętrze i przepracować tam 8 godzin. Po zjechaniu na parter stwierdziłby, że na powierzchni minęła dopiero 1 godzina. Nie jest to jednak podróż wstecz w czasie, a jedynie zmiana tempa jego upływu. Z 50. piętra obserwowałby swoich kolegów na dole wolnych jak na zwolnionym filmie, a oni jego odwrotnie, jak w mocno przyspieszonym. Jeszcze bardziej ekstremalną odmianę tego zjawiska postuluje się w związku z czarnymi dziurami. Na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury czas skurczyłby się do zera.

Efekty grawitacyjne dopuszczają teoretyczną podróż w przyszłość poprzez lot statkiem kosmicznym w pobliżu czarnej dziury albo poprzez pobyt w pustym środku bardzo masywnego obiektu – np. kilkumetrowej studni o masie kilkuset planet. Praktyczna realizacja wydaje się tu być jeszcze trudniejsza niż w przypadku dynamicznej dylatacji.

Eksperymentalnie potwierdzona dylatacja czasu

Zjawisko dylatacji czasu można zmierzyć na Ziemi porównując czas pod powierzchnią Ziemi, na wysokości morza oraz na szczytach wysokich gór. Również mierzenie czasu w samolotach potwierdza różnice. Jeszcze wyraźniejsze wyniki uzyskuje się w satelitach na orbitach okołoziemskich.

W 1959 roku w ramach eksperymentu Pounda-Rebki-Snidera zaobserwowano grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni (zobacz też przesunięcie ku czerwieni) światła wyemitowanego ze źródła znajdującego się niżej ku podłożu, gdzie siła grawitacji jest większa. Ulepszona wersja eksperymentu w 1964 roku potwierdziła przewidywania ogólnej teorii względności z dokładnością do 1%.

Dylatacja związana z prędkością obiektów została zaobserwowana w wielu eksperymentach m.in. podczas obserwacji mionów oraz przy mierzeniu upływu czasu w lecących odrzutowcach i na pokładzie stacji kosmicznej Mir. Wpływ dylatacji ma duże znaczenie w technologii satelitarnej i musiał zostać uwzględniony m.in. w systemach nawigacji satelitarnej, np. w amerykańskim systemie GPS.

Percepcja czasu

Poprzez tzw. hibernację możliwe byłoby wysłanie żywych organizmów, również ludzi, w stanie bardzo długiego snu, z drastycznie spowolnionymi lub wstrzymanymi procesami życiowymi, podczas którego organizm się nie starzeje, na podróż do odległych gwiazd i planet. W chwili dotarcia osoby zostałyby „rozbudzone” i mimo że ich odczucie podpowiadałoby im, że minęło tylko kilka godzin, w rzeczywistości znaleźliby się kilka stuleci w przyszłości. Percepcja jest jedynie subiektywnie odczutą podróżą w przyszłość i dlatego nie klasyfikuje się jako rzeczywisty sposób podróżowania w czasie z punktu widzenia fizyki.

Podróże w przeszłość

Podróżowanie w przeszłość, czyli cofnięcie czasu, jest tematem sporów i badań w fizyce. Choć nie udało się udowodnić, że takie podróże są niemożliwe, to niektórzy naukowcy uważają, że nawet gdyby były możliwe, nie udałoby się nam zorganizować takiej podróży w praktyce ze względu np. na nieosiągalną dla cywilizacji ludzkiej ilość energii potrzebnej do takiej podróży. Szczególne modele wszechświata w ogólnej teorii względności dopuszczają podróże wstecz w czasie, jednak obserwacje astronomiczne wskazują na to, że Wszechświat nie spełnia takich warunków. Obecnie istnieje kilka hipotez odnośnie do możliwości cofnięcia się w czasie, które bazują na:

• ruchu z prędkością nadświetlną,
• efektach związanych z czarnymi dziurami,
• tunelach czasoprzestrzennych,
• napędzie Alcubierre’a,
• zakrzywionej czasoprzestrzeni.

Podróże w przeszłość mogłyby wiązać się z powstaniem paradoksu dziadka i wehikułu czasu.

Literatura i film

Zobacz też

• paradoks bliźniąt
• paradoks dziadka
• tachionowy antytelefon

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Sabine Hossenfelder, Do we travel through time at the speed of light?, YouTube, 29 sierpnia 2020 [dostęp 2021-03-14] (Czy podróżujemy przez czas z prędkością światła?).
• JoelJ. Hunter JoelJ., Time Travel, Internet Encyclopedia of Philosophy, ISSN 2161-0002 [dostęp 2018-06-27]  (ang.).

Artykuły na Stanford Encyclopedia of Philosophy (ang.) [dostęp 2018-08-07]:

• Nicholas J.J.N.J.J. Smith Nicholas J.J.N.J.J., Time Travel, 23 marca 2018 . (Podróżowanie w czasie)
• FrankF. Arntzenius FrankF., TimT. Maudlin TimT., Time Travel and Modern Physics, 23 grudnia 2009 . (Podróżowanie w czasie a współczesna fizyka)