Strona główna / Popularnonaukowe / Fizyka rzeczy niemożliwych. Fazery, pola siłowe, teleportacja i podróże w czasie

Aktualności

22.09.2020

Nie żyje Darek Milewski

Z ogromnym smutkiem zawiadamiamy, że 20 września 2020 r. zmarł Darek Milewski, autor książki „Mały wielki tydzień”, w której opisał – jednym, sprawnym palcem – jak żyje się ze stwardnieniem zanikowym bocznym ALS. Miał 57 lat. Rodzinie i bliskim składamy najszczersze wyrazy współczucia.

Wywiady

10.09.2020

W "Postscriptum” Małgorzata spotka nadawcę listu, ale nie zdradzę..."

Zapraszamy do przeczytania wywiadu z Anną Karpińską autorką książki "Postscriptum".

Posłuchaj i zobacz

07.09.2020

MOŻE PORA Z TYM SKOŃCZYĆ i posłuchać audiobooka?

Zapraszamy do wysłuchania fragmentu audiobooka "Może pora z tym skończyć" autorstwa Iaina Reida w znakomitej interpretacji Anny Szymańczyk.

Bestsellery

TOP 20

  1. Kobiety '44. Prawdziwe historie kobiet w powstańczej Warszawie Agnieszka Cubała
  2. Perska kobiecość Laila Shukri
  3. Pałac w Moczarowiskach Jacek Skowroński, Maria Ulatowska

Fotogaleria

więcej »

Fizyka rzeczy niemożliwych. Fazery, pola siłowe, teleportacja i podróże w czasie

Michio Kaku

Część II. NIEMOŻLIWOŚCI TYPU II

Rozdział 11. Szybciej od światła

Tunele czasoprzestrzenne i czarne dziury

Drugą możliwością na pokonanie bariery światła, obok rozciągania przestrzeni, jest jej rozdzieranie – wykorzystanie tuneli czasoprzestrzennych, przejść łączących dwa wszechświaty. Tunel czasoprzestrzenny po raz pierwszy pojawił się w literaturze za sprawą oksfordzkiego matematyka Charlesa Dodgsona, który pod pseudonimem Lewis Carroll napisał książkę Po drugiej stronie lustra. Magiczne lustro Alicji jest tunelem czasoprzestrzennym łączącym wiejskie okolice Oksfordu z Krainą Czarów. Przechodząc na jego drugą stronę, Alicja może w mgnieniu oka przenieść się z jednego wszechświata do drugiego. Matematycy nazywają to przestrzenią wielospójną.
W fizyce pojęcie tuneli czasoprzestrzennych pojawiło się w 1916 roku, rok po ogłoszeniu przez Einsteina wielkiej ogólnej teorii względności.
Fizykowi Karlowi Schwarzschildowi, odbywającemu wówczas służbę w armii Jego Cesarskiej Mości, udało się znaleźć dokładne rozwiązanie równania Einsteina dla przypadku pojedynczej punktowej gwiazdy. Pole grawitacyjne takiej gwiazdy daleko od niej jest bardzo podobne do pola grawitacyjnego zwyczajnej gwiazdy – Einstein wykorzystał nawet rozwiązanie Schwarzschilda do obliczenia zakrzywienia światła wokół gwiazdy. Rozwiązanie Schwarzschilda wywarło natychmiast bardzo głęboki wpływ na astronomię i nawet dzisiaj jest wciąż jednym z najbardziej znanych rozwiązań równań Einsteina. Całe pokolenia fizyków wykorzystywały pole grawitacyjne wokół punktowej gwiazdy jako przybliżenie pola wokół prawdziwej gwiazdy o ograniczonej, niezerowej średnicy.
Jeżeli jednak potraktujemy to punktowe rozwiązanie poważnie, zauważymy, że w jego środku czai się przerażający, nieskończenie mały obiekt, który szokuje i zadziwia fizyków już od niemal stu lat – czarna dziura. Rozwiązanie Schwarzschilda wyznaczające grawitację punktowej gwiazdy stało się czymś w rodzaju konia trojańskiego. Z zewnątrz wyglądało niczym dar niebios, wewnątrz jednak kłębiły się wszelkiego rodzaju demony i upiory. Jednak jeżeli akceptujemy ten pierwszy aspekt, trzeba się pogodzić i z drugim. Z rozwiązania Schwarzschilda wynika, że gdy będziemy się zbliżać do takiej punktowej gwiazdy, zaczną się dziać niezwykłe rzeczy. Gwiazdę otacza niewidzialna sfera (zwana horyzontem zdarzeń) stanowiąca granicę, po przekroczeniu której nie ma już powrotu. Wszystko może swobodnie tam wejść, ale nic się już stamtąd nie wydostanie, jak z pułapki na karaluchy. Jeżeli przejdzie się na drugą stronę horyzontu zdarzeń, nigdy się już stamtąd nie powróci. (Aby wydostać się z wnętrza horyzontu zdarzeń, trzeba by się poruszać z prędkością większą od światła, a to niemożliwe).
Gdybyśmy się zbliżali do horyzontu zdarzeń, nasze atomy byłyby rozciągane przez siły pływowe. Grawitacja działająca na nasze stopy byłaby znacznie większa od grawitacji działającej na głowę, uleglibyśmy więc „spaghettyzacji” i rozerwaniu na części. Tak samo atomy naszego ciała uległyby rozciągnięciu i rozerwaniu pod wpływem grawitacji.
Obserwator, który z oddali przyglądałby się, jak zbliżamy się do horyzontu zdarzeń, miałby wrażenie, że nasz czas ulega spowolnieniu. A w momencie, w którym dotarlibyśmy do horyzontu zdarzeń, obserwator stwierdziłby, że nasz czas się zatrzymał!
Co więcej, w chwili przekraczania horyzontu zdarzeń ujrzelibyśmy uwięzione światło, które krąży wokół czarnej dziury od miliardów lat. Mielibyśmy wrażenie, że oglądamy film pokazujący szczegółowo całą historię czarnej dziury, od samego jej początku.
A gdyby w końcu udało nam się przedostać do samej czarnej dziury, po jej drugiej stronie rozciągałby się inny wszechświat. Jest to most Einsteina–Rosena, po raz pierwszy opisany przez Einsteina w 1935 roku; obecnie nazywamy go tunelem czasoprzestrzennym.
Einstein i inni fizycy uważali, że gwiazda nigdy w sposób naturalny nie mogłaby się zmienić w tak przerażający obiekt. W 1939 roku Einstein opublikował nawet artykuł, w którym dowodził, że obracająca się masa gazu i pyłu nigdy nie zagęści się do postaci czarnej dziury. Chociaż więc w środku czarnej dziury czaił się tunel czasoprzestrzenny, Einstein był przekonany, że tak dziwny obiekt nie mógłby nigdy powstać w sposób naturalny. Astrofizyk
Arthur Eddington powiedział nawet kiedyś, że powinno istnieć „jakieś prawo przyrody zabraniające gwieździe zachowywać się tak absurdalnie”. Innymi słowy, czarna dziura rzeczywiście była pełnoprawnym rozwiązaniem równań Einsteina, nie był jednak znany żaden naturalny mechanizm prowadzący do powstania takiego obiektu.
Wszystko się zmieniło wraz z ukazaniem się jeszcze w tym samym roku artykułu J. Roberta Oppenheimera i jego studenta Hartlanda Snydera, w którym wykazali oni, że czarne dziury mogą jednak powstawać w wyniku naturalnych procesów. Uczeni założyli, że umierająca gwiazda, która zużyła całe swoje paliwo jądrowe, zapada się pod wpływem grawitacji i zostaje zgnieciona pod własnym ciężarem. Gdyby grawitacja zdołała ścisnąć gwiazdę do rozmiaru mniejszego od jej horyzontu zdarzeń, wtedy żaden znany nauce proces nie zdołałby powstrzymać grawitacji przed zgnieceniem jej do rozmiaru cząstki punktowej, do czarnej dziury. (To zjawisko grawitacyjnej implozji być może było dla Oppenheimera inspiracją kilka lat później, gdy konstruował bombę, którą następnie zrzucono na Nagasaki, a której działanie opierało się na implozji kuli plutonu).
Do kolejnego przełomu doszło w roku 1963, gdy matematyk z Nowej Zelandii Roy Kerr przeprowadził analizę najbardziej chyba realistycznego przykładu czarnej dziury. Kurczące się obiekty coraz szybciej wirują, podobnie jak łyżwiarze figurowi kręcą szybsze piruety, gdy przyciągają ręce blisko ciała. Dlatego czarne dziury powinny się obracać w fantastycznym tempie.
Kerr odkrył, że wirująca czarna dziura nie zapadnie się do gwiazdy o rozmiarze punktu, jak zakładał Schwarzschild, ale przekształci się w wirujący pierścień. Każdy nieszczęśnik, który uderzyłby w ten pierścień, zginąłby; ale ktoś, komu udałoby się wpaść do środka, nie straciłby życia, lecz przeleciałby na drugą stronę. Jednak nie dotarłby wcale na drugą stronę pierścienia, ale przeszedłszy przez most Einsteina–Rosena znalazłby się w innym wszechświecie. Można więc powiedzieć, że wirująca czarna dziura jest ramą magicznego lustra Alicji.
Gdyby taka osoba okrążyła wirujący pierścień i przeszła przezeń po raz drugi, wkroczyłaby do jeszcze innego wszechświata. Kolejne przejścia przez wirujący pierścień powodowałyby przedostawanie się podróżnika do kolejnych wszechświatów równoległych, co można by porównać z naciskaniem guzika „następne piętro” w windzie. W zasadzie mogłaby istnieć nieskończona liczba wszechświatów, jeden nad drugim. „Przejdź przez ten magiczny pierścień i – presto! – znajdujesz się w zupełnie innym wszechświecie, gdzie promień oraz masa są ujemne!” – pisał Kerr.
Tkwi w tym wszystkim jednak pewien istotny haczyk. Czarne dziury są przykładami „jednokierunkowych tuneli czasoprzestrzennych”; to znaczy przejście przez horyzont zdarzeń jest podróżą tylko w jedną stronę. Jeżeli przekroczymy horyzont zdarzeń i przejdziemy przez pierścień Kerra, droga powrotna przez pierścień i na zewnątrz poza horyzont nie będzie już możliwa.
Jednak w 1988 roku Kip Thorne wraz z kolegami z Cal Tech znalazł przykład dwukierunkowego tunelu czasoprzestrzennego, to znaczy takiego, przez który można swobodnie przechodzić tam i z powrotem. W przypadku jednego z rozwiązań, podróż przez tunel czasoprzestrzenny nie powinna nawet być gorsza od rejsu samolotem.
W normalnej sytuacji grawitacja zgniotłaby wlot do tunelu czasoprzestrzennego, zabijając astronautów próbujących przedostać się na drugą stronę. Jest to jeden z powodów, dla których nie można podróżować przez tunele czasoprzestrzenne szybciej od światła. Jednak można sobie wyobrazić, że siła odpychająca towarzysząca ujemnej energii lub ujemnej masie mogłaby spowodować, że wlot tunelu będzie otwarty wystarczająco długo, by astronauci mogli swobodnie przezeń przejść. Wynika stąd, że ujemna masa lub energia są kluczowe zarówno dla napędu Alcubierrego, jak i podróży przez tunele czasoprzestrzenne.
W czasie ostatnich kilku lat znaleziono zadziwiająco wiele rozwiązań równań Einsteina zezwalających na istnienie tuneli czasoprzestrzennych. Ale czy takie tunele rzeczywiście istnieją, czy też są tylko matematycznym wytworem? Z tunelami czasoprzestrzennymi wiąże się kilka poważnych problemów.
Po pierwsze, aby wytworzyć potężne zniekształcenia przestrzeni i czasu konieczne do odbycia podróży przez tunel czasoprzestrzenny, potrzebne byłyby olbrzymie ilości dodatniej i ujemnej materii, wielkości ogromnej gwiazdy lub czarnej dziury. Matthew Visser, fizyk z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, szacuje, że ilość ujemnej energii potrzebnej do otwarcia jednometrowego tunelu czasoprzestrzennego jest porównywalna z masą Jowisza, tyle tylko, że musiałaby ona być ujemna. Twierdzi, że „do wykonania tego zadania potrzebna jest mniej więcej minus jedna masa Jowisza. Nawet posługiwanie się dodatnią masą-energią Jowisza jest dosyć przerażające i daleko przewyższa nasze możliwości w dającej się przewidzieć przyszłości”.
Kip Thorne z California Institute of Technology przypuszcza, iż „w przyszłości okaże się, że prawa fizyki wprawdzie dopuszczają zgromadzenie w tunelu wielkości człowieka dostatecznej ilości egzotycznej materii, by tunel był stabilny, ale osiągnięcie tego będzie całkowicie niewyobrażalne dla ludzkiej cywilizacji”.
Po drugie, nie mamy pojęcia, jak bardzo stabilne byłyby takie tunele. Wytwarzane przez nie promieniowanie mogłoby zabić każdego, kto do nich wejdzie. Być może też takie tunele nie byłyby w ogóle stabilne i zamykałyby się, gdy tylko ktoś wszedłby do ich wnętrza.
Po trzecie, promienie światła wpadające do czarnej dziury ulegałyby przesunięciu ku błękitowi; to znaczy, w miarę zbliżania się do horyzontu zdarzeń, uzyskiwałyby coraz większą energię. W rzeczywistości na samym horyzoncie zdarzeń światło ma praktycznie nieskończone przesunięcie ku błękitowi, co oznacza, że promieniowanie takiej wpadającej energii mogłoby spowodować śmierć wszystkich, którzy znajdowaliby się w pojeździe kosmicznym.
Omówmy te problemy trochę bardziej szczegółowo. Jednym z nich jest zgromadzenie energii wystarczającej do rozerwania tkanki przestrzeni i czasu. Najprostszym sposobem, by to osiągnąć, jest zgniecenie jakiegoś obiektu do rozmiaru mniejszego od jego horyzontu zdarzeń. W przypadku Słońca oznacza to, że należałoby je zgnieść do średnicy około 3,2 kilometra, po czym zapadłoby się ono, tworząc czarną dziurę. (Grawitacja Słońca jest zbyt słaba, by w sposób naturalny osiągnęło ono średnicę 3,2 kilometra, więc nasze Słońce nigdy nie stanie się czarną dziurą. W zasadzie oznacza to, że wszystko, nawet my sami, może stać się czarną dziurą, jeżeli tylko zostanie odpowiednio mocno ściśnięte. W tym celu trzeba by zmieścić wszystkie cząsteczki naszego ciała w obszarze mniejszym od atomu – taki wyczyn całkowicie przekracza możliwości współczesnej nauki). (...)