WRÓĆ DO STRONY
GŁÓWNEJ
Nauka

Czy grawitacja kwantowa pozwala na podróże w czasie?

Najlepszy sposób na podróż w czasie? Wystarczy znaleźć tunel czasoprzestrzenny, wskoczyć do niego i pojawić się po drugiej stronie, w zupełnie innym miejscu. Według ogólnej teorii względności, takie rozwiązanie faktycznie mogłoby zadziałać. Jeżeli jednak chodzi o nasze zrozumienie wszechświata, wizji zaproponowanej przez Einsteina nie należy traktować jako ostatniego słowa.

Podczas gdy ogólna teoria względności świetnie sprawdza się w przewidywaniu, w jaki sposób obiekty makroskopowe poruszają się i wchodzą w interakcje, nie rozwiązuje wszystkich tajemnic wszechświata. Nie bierze w ogóle pod uwagę dziwnego świata mechaniki kwantowej. Zgodnie z ogólną teorią względności, duże obiekty – jak gwiazdy, planety i galaktyki – oddziałują w sposób ciągły. Sama grawitacja jest siłą ciągłą. Ale nie w mechanice kwantowej. W tym egzotycznym świecie, przestrzeń, materia, energia czy najmniejsze interakcje mogą zostać podzielone na kwanty. Oznacza to, że w przestrzeni występują ziarnistości, swoiste „piksele” rzeczywistości.

Jak zrozumieć Einsteina?

Aby zrozumieć, w jaki sposób ogólną teorię względności można połączyć z mechaniką kwantową, fizycy próbowali opracować teorię grawitacji kwantowej. Gdyby ten plan się powiódł, teoria wyjaśniałaby zarówno ruch gromad galaktyk, jak i atomów oraz kwarków. Istnieje kilka modeli grawitacji kwantowej, które opisują ruch dużych i małych obiektów. Czy któryś z nich umożliwia podróż w czasie?

Ogólna teoria względności nie tłumaczy wszystkiego

Ale czym tak naprawdę dla fizyka jest osławiona „podróż w czasie”? Wyobraź sobie podróż lotniczą. Startujesz w Warszawie i okrążasz świat tylko po to, by wylądować ponownie w Warszawie. Wracasz dokładnie do tego samego miejsca, które opuściłeś. Podobnie można traktować podróż w czasoprzestrzeni – tyle, że zamiast wracać do tego samego miejsca, wracasz do tego samego czasu. Taka koncepcja nazywa się zamkniętą krzywą czasopodobną (ZKC) i jest jednym ze sposobów podróżowania w czasie.

Ogólna teoria względności dopuszcza istnienie zamkniętych krzywych czasopodobnych. Mogą one potencjalnie tworzyć się w czarnych dziurach (czasoprzestrzeń Kerra-Newmana) lub w tunelach czasoprzestrzennych (most Einsteina-Rosena). Nigdy ich nie obserwowaliśmy, ale matematycznie ich istnienie jest dozwolone. Co ciekawe, naukowcy nie wiedzą, czego szukać, bo nie mają pojęcia, jak obserwacje zamkniętych krzywych czasopodobnych miałyby wyglądać. Być może istnieją jednak efekty, które mogą wywodzić się właśnie z nich.

Co o podróżach w czasie mówią różne teorie dotyczące grawitacji kwantowej?

Różne teorie, różne możliwości

Pętlowa grawitacja kwantowa (PGK) to teoria czasoprzestrzeni, która zakłada, że grawitacja składa się z „cząstek” zwanych kwantami. Kwanty są podstawą samej przestrzeni i czasu. To, co postrzegamy jako przestrzeń, jest w rzeczywistości sekwencją kwantów, zaś to, co widzimy jako czas – ewoluuje. Carlo Rovelli porównał to do t-shirtu (to czasoprzestrzeń) z kwantami spełniającymi rolę nici. Wystarczy poluzować nici, a t-shirt się rozpadnie.

Pętlowa grawitacja kwantowa zachowuje wiele ważnych cech ogólnej teorii względności, biorąc pod uwagę kwantyzację zarówno przestrzeni, jak i czasu w skali Plancka w tradycji mechaniki kwantowej. Zamknięte krzywe czasopodobne wymagają odcinków czasoprzestrzeni, w których czas się zapętla. Według pętlowej grawitacji kwantowej czasoprzestrzeń jest hiperboliczna, więc nie ma w niej miejsc, w których mogłoby to się wydarzyć. Wygląda zatem na to, że pętlowa grawitacja kwantowa nie umożliwia podróży w czasie.

Inną ciekawą teorią zapoczątkowaną przez Rafaela Sorkina jest teoria zbiorów przyczynowych (ang. casual sets). Zakłada ona, że cała przestrzeń, czas i materia składają się z dyskretnych momentów i zdarzeń, które powodują siebie nawzajem. Budzik, który zadzwonił rano sprawił, że zjadłeś śniadanie. Bez śniadania nie umyłbyś zębów, itd. Można powiedzieć, że życie jest całością wszystkich działań, które kiedykolwiek podjęliśmy. Każde z tych działań składa się z „zestawu ciebie”. W tej teorii nawet przestrzeń i czas mają swoje momenty, w których jedno działanie występuje po drugim. Zdarzenia, które nie są ze sobą powiązane, jak mycie zębów przez sąsiada, nie wpływają na twoje działania i nie są częścią „zestawu ciebie”. Ale wszystkie składowe obecne w tym zestawie są konieczne do zdefiniowania każdego człowieka.

Gdybyśmy mieli odbyć podróż w czasie zgodną z teorią zbiorów przyczynowych, potrzebowalibyśmy pętli wydarzeń. Innymi słowy, zdarzenie A powoduje zdarzenie B, które wywołuje zdarzenie C. Gdyby założyć, że A powoduje B, a B powoduje A (tak byłoby w zamkniętej pętli czasopodobnej), A i B musiałyby być tym samym zdarzeniem. Dlatego zgodnie z tą teorią, podróż w czasie nie jest możliwa.

Z kolei półklasyczna teoria grawitacji mówi, że materia podlega prawom mechaniki kwantowej, ale grawitację i czasoprzestrzeń opisuje się klasycznie. Na ten moment nie wiadomo, czy teoria ta pozwalałaby na podróże w czasie. Wiele po prostu zależy od rzeczy, których wciąż nie wiemy. Możliwości skoku w czasie sprowadzałyby się tu do warunków energetycznych.

Dochodzimy w końcu do ostatniej z możliwości opisu kwantowej grawitacji, czyli teorii strun. Zakłada ona, że podstawowym budulcem materii nie są cząstki w postaci punktu, ale struny o wielkości 10^-31 m. Daną cząstkę obserwujemy w zależności od tego, jak wibruje struna – podobnie jak trudno jednoznacznie określić pozycję struny podczas gry na skrzypcach. W teorii strun zamknięte krzywe czasopodobne są nie tylko dozwolone, ale mogą występować dosłownie wszędzie.

Czas na skok

Fot. NASA

Chociaż wydaje się, że teorie pętlowej grawitacji kwantowej i zbiorów przyczynowych wykluczają możliwość podróżowania w czasie, zjawiska te mogą być dozwolone w większych – kosmologicznych – skalach. Oznacza to, że wciąż idealnym wehikułem czasu – czy to fizyków, czy twórców science fiction – pozostaną osławione czarne dziury. Gdybyśmy tylko wiedzieli, co kryje się po drugiej stronie ich tunelu…