Rozmowa z dr. hab. Jackiem Szczytko, fizykiem z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.
Przepraszam za spóźnienie, nie mogłam znaleźć miejsca, aby zaparkować samochód. Jeżdżąc w kółko, irytowałam się, że nie mogę rozciągnąć czasu, jak to czynią bohaterowie powieści SF.
Hermiona Granger z Harry’ego Pottera miała amulet, który jej na to pozwalał. My tego jeszcze nie potrafimy robić. Ale może lepiej, bo proszę sobie wyobrazić, do czego mogłoby to doprowadzić. Pracoholicy zapracowywaliby się na śmierć, wykonując w tym rozciągniętym czasie dziesięć razy więcej roboty niż normalnie. A czas biologiczny szedłby swoim trybem, więc starzeliby się w przyśpieszonym tempie. Ale w zasadzie moglibyśmy się przenosić w przyszłość dzięki dylatacji czasu albo wykorzystaniu grawitacji.
Czym jest czas, którego istnienie intuicyjnie odczuwamy?
To bardzo trudne pytanie, jak to mówił św. Augustyn o istocie czasu: kiedy nikt nie pyta, to wiem, a kiedy chcę wyjaśnić pytającemu, to nie wiem. Jak pani zauważyła, poczucie czasu jest wmontowane w nasze biologiczne postrzeganie świata. Tak jak orientacja w przestrzeni. I czas jest właściwością naszego Wszechświata, pozwala nam porządkować zdarzenia od przyczyny do skutku. No i możemy go zmierzyć – bo właśnie pomiar jest szalenie istotny. Jako że językiem przyrody jest matematyka, to – tym razem trawestując słowa ks. Michała Hellera, kosmologa, jeśli nie zadamy przyrodzie pytania w języku matematyki, to ona nam nie odpowie. Dzięki pomiarowi możemy nadawać czasowi znaczenie nie tylko intuicyjne, ale też wykorzystywać go w równaniach. A te są niczym zdania w języku smoków u Ursuli Le Guin, w którym ludzie nie mogą kłamać: rozwiązując je, od razu wiadomo, czy coś jest prawdą, czy fałszem. Kiedyś najważniejszy był czas subiektywny i lokalny, ten który odczuwamy, obserwujemy jego przemijanie. Problem z uniwersalnym czasem rozpoczął się wraz z rozwojem kolei. Trzeba było się umówić, w jaki sposób dopasować zegary w różnych miejscach na Ziemi, aby ustalić bezpieczny rozkład jazdy, by nie dochodziło do wypadków. To nie było trudne, gdyż wydawało się, że czas płynie jednostajnie w całym Wszechświecie. Ale w 1905 r. Albert Einstein zaczął kombinować, co by się stało, gdyby zacząć mierzyć czas wewnątrz układu, który się porusza bardzo, bardzo szybko. Napisał słynne równania szczególnej teorii względności, z których wyszło mu, że czas wewnątrz takiego pędzącego obiektu, np. statku kosmicznego, nie jest taki sam jak na zewnątrz. I jeszcze, że odległości, które mierzymy wewnątrz i na zewnątrz, też się zmieniają. Szok, ale często tak bywa, że pisząc jakieś zdanie w języku matematyki, otrzymujemy rozwiązanie sprzeczne z naszą intuicją. Potem można je sprawdzić doświadczalnie. Einstein wziął pod uwagę właśnie wynik doświadczenia: że prędkość światła jest wszędzie taka sama – zarówno gdyby latarkę skierować zgodnie z kierunkiem lotu, jak i pod prąd. Kolor światła się zmieni, będzie różny dla różnych obserwatorów, ale prędkość nie. I od ponad 100 lat już wiemy, że jeśli będziemy podróżować z prędkością bliską światła, czas się będzie wydłużał, a mierzone odległości skracały.
Uczymy się tego, ale i tak trudno pojąć, jak to działa.
To wyobraźmy sobie rowerzystę, który pedałuje z prędkością światła, słuchając głośno muzyki. Koła jego roweru zamienią się w elipsy, a muzyka będzie dochodziła do nas tak jak puszczona na superwolnych obrotach. A zdarzenia, które są dla nas równoczesne, dla niego będą następowały po sobie. Załóżmy, że we wszystkich kościołach biją dzwony. Dla nas biją w tej samej chwili. Ale on, pędząc jak światło, będzie dostrzegał, że biją po kolei: najpierw jeden dzwon, potem drugi, kolejny. „Jego czas” wyprzedzi „nasz czas”. Z tego wynika, że możemy się przenieść do przyszłości, jeśli będziemy się poruszać wystarczająco prędko. Pod jednym warunkiem: w tej podróży musimy wrócić w to samo miejsce, z którego ją zaczęliśmy, i porównać zegary. Bo gdybyśmy poruszali się tylko w jednym kierunku, to ponieważ ruch jest względny, dla obu obserwatorów, zarówno ze statku, jak i z Ziemi, czas płynąłby wolniej. Dopiero wracając, nadrabiamy stracony czas.
Jak można to udowodnić eksperymentalnie?
Są takie cząstki, miony, powstające w zderzeniach promieniowania kosmicznego z atomami naszej atmosfery. Są nietrwałe i rozpadają się po kilku mikrosekundach. Łatwo policzyć, że gdyby po prostu leciały z prędkością światła, to bez dylatacji czasu przeleciałyby niecały kilometr – a my je obserwujemy z odległości kilkudziesięciu kilometrów. Mikrosekunda w ich układzie odniesienia dla nas wydłuża się nawet 50-krotnie! Najbardziej w sposób praktyczny dylatację czasu wykorzystał rosyjski kosmonauta Siergiej Awdiejew, który przebywał na stacji kosmicznej 747 i pół dnia. Zyskał na czasie w porównaniu z Ziemianami całe 20 milisekund. A jeszcze dołóżmy do tego jedną informację: facet przebył 515 mln km.
Czas wariuje w pobliżu masywnych obiektów o dużej grawitacji, np. czarnych dziur. Można go poskromić i przenosić się ze stulecia w stulecie?
Wystarczyłoby podlecieć do takiej czarnej dziury, pobyć tam chwilę, a potem wrócić, żeby znaleźć się w przyszłości. Tak jak w filmie „Interstellar”. To przesunięcie czasu w pobliżu obiektów o dużej masie musiało zostać uwzględnione chociażby przy systemie GPS. GPS działa dzięki zegarom atomowym i precyzyjnemu pomiarowi czasu. Trzeba uwzględnić ruch satelitów wokół Ziemi – zegary satelitów „spóźniają się” kilka milisekund na dzień ze względu na dylatację czasu. Jednak większy efekt jest związany ze słabszą grawitacją na orbicie – zegary z kolei „przyspieszają” o prawie 45 milisekund dziennie. Gdyby zignorować ogólną teorię względności, to błędy nawigacji kumulowałyby się dziennie do 10 km!
My tak wciąż o przyszłości, ale marzymy i o tym, by wrócić w przeszłość i zobaczyć, jak naprawdę było.
Ludzie i tak są zanurzeni w przeszłości. Bo to, co wydaje się teraźniejszością, zdarzyło się już 80 milisekund temu. Prędkość impulsów nerwowych przemierzających nasz mózg to tylko 420 km na godzinę – niektóre auta jadą szybciej. U osób starszych, z powodu zmian zwyrodnieniowych, postrzeganie świata jest jeszcze wolniejsze. Stąd paradoksalne wrażenie, że dzień szybciej mija. Ale rozumiem, że pyta pani o podróż w przeszłość. Jedna z koncepcji tzw. strzałki czasu – czyli pytanie o to, dlaczego czas płynie w jednym kierunku, jest taka, że nasze ludzkie postrzeganie czasu nie pozwala dostrzec zjawisk biegnących w obie strony czasu. Ale z punktu widzenia praw fizyki, gdybyśmy zawrócili wszystkie prędkości w równaniu matematycznym, nadając im przeciwną wartość, to by się nic nie stało. Równanie opisujące ruch obiektów do tyłu byłoby nadal prawidłowe. Jednak praktyka mówi nam, że jeśli szklanka pełna wody spadnie na podłogę i się roztrzaska, to nie potrafimy sprawić, żeby wróciła do swojej poprzedniej postaci i znów się napełniła.
To z przyczyn biologicznych doświadczamy przepływu czasu tylko w jedną stronę.
Więc wracamy do sposobów postrzegania tego wymiaru. Ci, którzy mają do niego podejście deterministyczne, uważają, że czas nie płynie, tylko jest. I wszystko, co się wydarzyło i co ma się wydarzyć, z góry zostało zapisane. I wolna wola nie istnieje – nasza świadomość to taki projektor sekwencyjnie odczytujący taśmę czasu i przestrzeni – nasze wrażenie „teraz” jest zawieszone pomiędzy przeszłymi i przyszłymi zdarzeniami, które po prostu już tam są i były, i będą. I wtedy fakt, że różne zdarzenia w różnych układach mogą być jednoczesne bądź nie, traci znaczenie – po prostu każdy obserwator trochę inaczej odczytuje swój plasterek czasu. Jest także koncepcja entropijna, zgodnie z którą strzałka czasu ma charakter statystyczny – zgodnie z zasadą, że entropia we Wszechświecie ciągle rośnie. I dlatego nie możemy oczekiwać, że ta rozbita szklanka nagle wróci do poprzedniej postaci. Wydaje się, że to zjawisko nieodwracalne. Dziś nie wiemy, w jaki sposób się cofnąć w czasie.
A tunele czasoprzestrzenne?
OK, poteoretyzujmy sobie. Jest początek stycznia roku 2016. Otwieramy tunel czasoprzestrzenny. Musi mieć dwa końce – wejście i wyjście. Bierzemy jeden z nich i na chwilę przenosimy w pobliże czarnej dziury, co sprawia, że jeden koniec ma inny lokalny czas niż drugi. Zatem wchodząc do takiego tunelu, przenosimy się i w przestrzeni, i w czasie. Ale słabością tego rozwiązania jest to, że możemy się przenieść co najwyżej do momentu utworzenia tunelu. I zawsze wrócimy do stycznia 2016 r. w pobliże naszej czarnej dziury. Nie zobaczymy narodzin Chrystusa ani budowy piramid. Z punktu widzenia turystyki brzmi słabo.
Nie dla mnie. Nie wzięłabym tego kredytu frankowego.
Jasne, a gdyby pani wiedziała, ile będzie kosztował dolar, byłaby pani zabezpieczona razem z całą rodziną.
Tak, wiem, nie można zabić swojego dziadka. Ale jedna z teorii mówi, że nawet jeśli to zrobię, to wracając, znajdę się nie w tym starym świecie, ale podobnym, równoległym.
Jest i taka teoria, samospójności Novikowa, że możemy się przenieść w przeszłość, ale tylko w takiej ewentualności, że nie jesteśmy w stanie zrobić niczego, co by było ryzykowne dla teraźniejszości. Więc podróżując w czasie, robimy tylko to, co już zrobiliśmy. Wpadamy w pętlę czasową – i nic nie możemy zmienić. Proszę zauważyć, że sukces mechaniki klasycznej pod koniec XIX w. doprowadził do kryzysu światopoglądowego, bo w mechanice klasycznej jesteśmy owszem, skomplikowanymi, ale tylko równaniami. Bóg, Wielki Zegarmistrz, na początku świata tak nakręcił atomy, żebyśmy zawsze się zachowywali zgodnie z jego zamierzeniami. I przeszłość, teraźniejszość i przyszłość są skomplikowaną funkcją warunków początkowych sprzed 13,7 mld. lat. Ale nie możemy nic sami zmieniać, bo złamana zostałaby zasada zachowania energii lub pędu. To by było jednak za proste, bo na szczęście mamy mechanikę kwantową, w której cząstki nie mają właściwości, dopóki nie zostaną zmierzone. Mówiąc obrazowo, dopiero patrząc na coś, mierząc, powołujemy to do istnienia – w dodatku z pewnym prawdopodobieństwem, na które nie mamy wpływu. A taki pomiar może się odbywać ciągle i nawet bez udziału świadomego człowieka.
I to mi pasuje do istnienia wielu wszechświatów.
No, to by było możliwe, pod warunkiem że Wszechświat składałby się z więcej niż czterech wymiarów – czyli długości, wysokości, szerokości i czasu. Koncepcja wieloświatów zakłada jakąś gigantyczną rozrzutność Wszechświata, który musiałby w każdym ułamku sekundy pączkować kolejnymi powielającymi się wszechświatami. Ja tam wolę, gdy każdy obiekt w przestrzeni ma swój własny czas. A czasoprzestrzeń to takie połączenie czasu i przestrzeni, które jest areną zdarzeń fizycznych i jednocześnie jest przez nie modyfikowane, np. grawitacyjnie. Dla niektórych obserwatorów czas może w ogóle nie mieć znaczenia – np. fotony i czarne dziury zachowują się w pewnych układach tak, jakby były bezczasowe. Fotony – bo się bardzo szybko poruszają, a w przypadku czarnych dziur na horyzoncie zdarzeń czas ekstremalnie zwalnia.
Po co nam ta wiedza?
By lepiej wykorzystywać naturę do swoich celów. I np. budować GPS, diody luminescencyjne, nowe fotowoltaiczne źródła energii, silne magnesy stałe dla słuchawek w telefonach i silników dronów, detektory podczerwieni i białek, nowe metody diagnostyczne w medycynie, szybszą komunikację bezprzewodową itd. W XXI w. otacza nas multum urządzeń kwantowych.
A komputery kwantowe?
Powstaną i w jednym momencie będą w stanie testować ogromną ilość danych. Bo te, które dziś mamy, muszą się nimi zajmować po kolei. Ale zmartwię panią. Edytor tekstowy nie będzie na kwantowym komputerze pracował szybciej. Dalej wszystko będzie zależało od sprawności pani palców i umysłu. I nawet najszybszy komputer nie zastąpi ludzkiego mózgu. Z jego intuicją i zdolnością do samouczenia. I marzeń, które sprawiają, że mając do dyspozycji tylko patyk, którym kreśliliśmy kształty na ziemi, byliśmy w stanie narysować koło, trójkąt, rydwan ognia i wyprzedzić czas, który wciąż nas zabija.
