Leszek BłaszkiewiczOś tego felietonu zamierzam oprzeć na absolutnej podstawie wielu powieści i opowiadań oraz filmów z szeroko rozumianej fantastyki naukowej, a mianowicie na kwestiach związanych z podróżami między gwiazdami oraz komunikacją, jeśli nie natychmiastową to przynajmniej dużo szybszą niż klasyczna, oparta na falach elektromagnetycznych. Stąd też skrót w tytule tego tekstu, gdyż FTL to angielskie Faster Than Light, czyli szybciej niż światło.
I już na samym początku trzeba powiedzieć, że dzisiejsza fizyka nie daje dużych szans na realizację tych marzeń autorów i miłośników SF, gdzie dzięki technologiom i nauce osiągniemy możliwość szybkiej podróży do gwiazd. Wręcz przeciwnie – klasyczna fizyka wręcz wyklucza takie sprawy, a prace ukazujące się w fachowych pismach naukowych pokazujące pewne teoretyczne możliwości, o których później, to tylko snucie kolejnych opatulonych wzorami domysłów, jakim bliżej do SF właśnie niż realnego współczesnego świata. A czym dysponujemy obecnie?
Najdalszym od Ziemi obiektem wysłanym przez ludzi w przestrzeń kosmiczną jest wystrzelony 5 września 1977 roku Voyager 1. Znajduje się teraz przeszło 20,5 godziny świetlnej[1] od naszej Planety czyli ponad 22 miliardy kilometrów. Cóż, z taką prędkością podróż do najbliższej gwiazdy, Proximy Centari, odległej o 4,21 roku świetlnego, trwałaby przeszło 50 tysięcy lat (!).
Myślę, że chociaż rozważane są pomysły znacznie skracające ten czas, że istnieją efekty relatywistyczne dzięki którym podróż dla załogi trwałaby subiektywnie krócej, to jednak domyślamy się, iż zdobywanie gwiazd to niełatwa sprawa. Dlatego wyobraźnia naukowców stara się wykreować choćby teoretycznie takie rozwiązania, które mogą w tym temacie być pomocne.
Prześledzimy zatem kilka pomysłów, które pojawiły się w głowach naukowców i stały się doskonałym i dziś już nieodzownym gadżetem dla fantastyki naukowej.
Tunele Czasoprzestrzenne
Na samym początku, zanim pojawią się przykłady z literatury i filmu chciałbym się skupić na czysto naukowych aspektach związanych z istnieniem obiektów zwanych mostami czy też tunelami czasoprzestrzennym, a w potocznym języku również „wormholami” (od angielskiego słowa wormhole, oznaczającego: „dziurka robaka” i zaproponowanego przez Johna Archibalda Wheelera). Pomysł tych tworów narodził się jako wzory w kajetach fizyków, ale chyba nie jest niczym niezwykłym korzystanie przez autorów fantastyki naukowej z rozwiązań i pomysłów podsuwanych przez naukowców.
Koncepcję tunelu czasoprzestrzennego opracował niemiecki matematyk, fizyk i filozof Hermann Weyl, który był profesorem uniwersytetów w Getyndze i Princeton. Urzeczony opisem czasoprzestrzeni zaproponowanym na początku XX wieku przez Hermanna Minkowskiego snuł swoją wizję, lecz nie sprecyzował jej w postaci matematycznej.
Pierwsze poważne, matematyczne badania przeprowadził nie kto inny jak sam Albert Einstein. W 1935 roku wspólnie z Nathanem Rosenem rozważał pewne kwestie zachowania się metryki w pobliżu powierzchni Schwarzschilda wokół dużych mas w ramach równań ogólnej teorii względności.
Wcześniej Karl Schwarzschild wykazał, że w teorii Einsteina w miejscu znajdowania się masy punktowej powstaje osobliwość i rozciąga się ona na obszar o niewielkim promieniu, którego wielkość zależy od rozpatrywanej masy. Schwarzschild nie próbował wyjaśniać i interpretować tych wyników. Za to w kolejnym artykule, podając rozwiązanie, na przykładzie Słońca obliczył promień (dziś ów promień grawitacyjny zwany promieniem Schwarzschilda), w którym osobliwość się zaczyna. Otrzymał wartość około trzech kilometrów.
Einstein i Rosen doszli do przekonania, że nieciągłość czasoprzestrzeni wokół osobliwości, która jest centralnym obszarem czarnej dziury[2], będzie tworzyć coś w rodzaju nieskończonej studni grawitacyjnej. Jeśli dołożyć do tego drugą stronę – tu narodziła się koncepcja cały czas badanych teoretycznie, lecz nie odkrytych jeszcze białych dziur – dostaniemy możliwość połączenia dwóch asymptotycznych obszarów czasoprzestrzeni. Połączenie to będzie miało zerową długość, nawet jeśli wspomniane obszary czasoprzestrzeni są od siebie niezwykle odległe. Takie teoretyczne tunele nazywano tunelami Schwarzschilda albo mostami Einsteina-Rosena.
Na początku lat 60. badaniem właściwości tuneli zajęli się John Archibald Wheeler i Robert Fuller. Uczeni doszli do wniosku, że nawet gdyby takie tunele istniały, to po pierwsze do ich podtrzymania trzeba by niezwykłych stanów materii i nieskończonej energii oraz po drugie, jakikolwiek transfer masy poprzez tunel prowadziłby do jego natychmiastowego unicestwienia.
Problem zamknięcia tunelu pod koniec lat 80. badali Kip Thorne (Noblista i współscenarzysta filmu Intersterllar) i Mike Morris, którzy wykazali, że dla ujemnej masy tunel może pozostać stabilny. Ich rozwiązania noszą w literaturze nazwę tuneli Morrisa-Thorne’a.
Wracając do wspomnianego już Wheelera oraz skrótów czasoprzestrzennych (ten termin dla tuneli mogących transferować informację zaproponował Siergiej Krasnikow), jest jeszcze jedna koncepcja pokazująca możliwość istnienia wormholi. Istnienia w zupełnie innym aspekcie niż ten dotychczas prezentowany. Wheeler jest bowiem autorem koncepcji budowy czasoprzestrzeni na poziomie rozmiarów i czasów trwania zjawisk opisywanych tzw. parametrami Plancka.
Piana Wheelera to nic innego jak infinitezymalne, bo liczące ledwie
10-35 m (sto trylionów razy mniej niż rozmiary protonu) czarne dziury zmieniające się w niewyobrażalnie krótkim czasie (10-33 s) w wormhole i na odwrót. Te wzajemne przemiany są, według Wheelera, najbardziej podstawową strukturą kwantowej próżni. Daje to niezwykłe możliwości snucia fantazji, gdyż owe mikroskopijne tunele czasoprzestrzenne łączą przez krótki czas dwa, niekiedy odległe, miejsca w czasoprzestrzeni, a więc we Wszechświecie. Zakładając zatem, iż może przez nie przepływać informacja, dojdziemy do wniosku, że praktycznie każdy punkt wszechświata jest połączony z innym… Fantastyczna perspektywa!
Czas najwyższy przejść do przykładów. Tunele czasoprzestrzenne pojawiają się jako naturalne twory naszego Wszechświata – na przykład w słynnej i klasycznej już powieści Joego Haldemana Wieczna wojna pod postacią kolapsarów, czyli wygasłych gwiazd, które są ujściami tuneli właśnie. Całkiem ciekawe ujecie z dużą dozą teorii wormholi funduje nam Greg Egan w powieści Diaspora.
Autorzy powieści z gatunku space opera często w swej fabule sięgają po naturalne tunele czasoprzestrzenne. Dzięki temu ludzkość może opuścić Ziemię i skolonizować odległe światy, prowadzić potem wojny o skomplikowanej taktyce. Ciekawym przykładem jest system tuneli przedstawiony w cyklu Zgiełk Wojny autorstwa Kennedy Hutner, gdzie dodatkowo niektóre z tuneli zmieniają swoje położenie. Można, a wręcz wypada sięgnąć do filmu i przywołać wspomniany już słynny Interstellar Chritophera Nolana, w którym odkryty został (naturalny) tunel czasoprzestrzenny orbitujący wkoło Saturna, a prowadzący w odległe miejsce, gdzie ludzie szukają nowej ziemi.
Naturalnie autorzy SF nierzadko każą ludzkości wytwarzać te dziwne trasy komunikacyjne, podkreślając w ten sposób wysoki rozwój naszej cywilizacji. Dobrym przykładem może być próba (opłakana w skutkach zresztą) zastosowania takiego napędu ukazana w znakomitym filmie Event Horizont Paula Andersona oraz światowy system wykorzystujący transmitery materii w Hyperionie Dana Simmonsa. William H. Keith Jr. w wydanym pod pseudonimem Ian Douglas cyklu Star Carrier proponuje megakonstrukcję Obcych złożoną z wielu czarnych dziur, a będącą bramą nie tylko do odległych części wszechświata, ale także do innego czasu, gdy czarne dziury były jeszcze młodymi, masywnymi gwiazdami – błękitnymi olbrzymami.
Zabieg polegający na wykorzystaniu technologii Obcych, a w szczególności systemów komunikacyjnych nie tylko skracających drogę, lecz przede wszystkim umożliwiających dotarcie do gwiazd, nie jest nowy w literaturze fantastycznonaukowej. Sztucznie wytworzone skróty do innych światów czy też wymiarów są pozostałościami po dawno już zapomnianych galaktycznych cywilizacjach. Z gotowych tuneli korzystają bohaterowie książkowego oraz filmowego Kontaktu Carla Sagana (swoją drogą wybitnego astrofizyka oraz popularyzatora nauki). Natomiast z odnalezionych artefaktów służących do tworzenia tuneli skorzystały ekspedycje w serialu będącym rozwinięciem filmu Gwiezdne wrota. Brawurowym i ciekawie sfilmowanym przykładem jest sieć wormholi, który powstaje z protomolekuły, w słynnym cyklu Jamesa S.A. Correya The Expanse. Tajemnicza protomolekuła doprowadza do powstania konstrukcji przypominającej wielkie Gwiezdne Wrota, lecz prowadzącej nie bezpośrednio do innych światów, lecz do innego wymiaru, którym jest swego rodzaju centrum komunikacyjne. Ten gigantyczny hub daje możliwość dotarcia do 1373 światów poprzez kolejne wormhole.
Znane space opery, takie jak cykl Honor Harrington Davida Webera (portale i żagle Warszawskiej) czy Zaginiona flota Jacka Campbella (skoki nadprzestrzenne albo hipernet), także korzystają z pokrewnych rozwiązań.
Warp Drive
W 1994 roku meksykański fizyk Miguel Alcubierre przedstawił wyniki swoich rozważań nad pewną bardzo szczególną metryką czasoprzestrzeni, w której tworzyć można coś w rodzaju fali podłużnej. Opublikował je w bardzo poważnym piśmie: „Classical and Quantum Gravity”, a artykuł zatytułował: The Warp Drive: Hyper-fast travel within general relativity (Hiperszybka podróż zgodna z ogólną teorią grawitacji), gdzie nazwa zjawiska stanowi ukłon w stronę fanów i twórców Star Treka. Alcubierre pokazał w swym artykule, że nie łamiąc zasad współczesnej teorii grawitacji, można tak pokierować parametrami metryki, by udało sie doprowadzić do lokalnych zaburzeń czasoprzestrzeni pozwalających na przemieszczanie się szybciej niż światło. Mówiąc w dużym uproszczeniu: przestrzeń zwijamy przed sobą, z tyłu zaś rozpychamy, poruszając się na grzbiecie zaburzenia czasoprzestrzeni jak surfer na fali oceanicznej. W tym miejscu warto przypomnieć „gwiezdne pługi” z cyklu Ludzie jak bogowie Siergieja Sniegowa, gigantyczne gwiazdoloty pożerające czasoprzestrzeń.
Jednakże w pomyśle Alcubierre’a jest jeden malutki zgrzyt. Rozwiązania równań wymagają bardzo egzotycznych stanów energetycznych i… ujemnej masy. Ale kto wie, może odkrycie bozonu Higgsa – Boskiej Cząstki – która odpowiada za masę, z czasem rozwiąże ten problem. Jednakże w fantastyce naukowej odkrycie fizyka z Meksyku bardzo szybko się zadomowiło i w literaturze naukowej i popularnej zaczęło funkcjonować pojęcie „napęd Alcubierre’a”.
W cyklu powieści M. Johna Harrisona tworzącym Trylogię Traktu Kefahuchiego k-statki – jednostki zintegrowane z kapitanem – poruszają się dzięki skręconym falom grawitacyjnym, zwanym przełomami Alcubierre’a. Wreszcie fani Star Treka wiedzą, że pojazdy poruszają się z prędkościami warpowymi dzięki temu, że jakoś zniekształcają czasoprzestrzeń, a słynna hiperprzestrzeń w świecie Gwiezdnych Wojen interpretowana jest jako pewien rodzaj napędu Alcubierre’a.
Podobnie „niegrawitacyjny modelunek czasoprzestrzeni”, zwany kraftem w Perfekcyjnej niedoskonałości Jacka Dukaja, daje możliwość utworzenia kraftfali. Kraftfala przemieszcza się szybciej od światła, bo zaburzana jest czasoprzestrzeń, a ograniczenie prędkości do prędkości światła dotyczy tylko ciał materialnych poruszających się w danej czasoprzestrzeni.
Inne rozwiązania w literaturze
Z wyżej przedstawionych schematów wyłamuje się sporo propozycji zrodzonych w wyobraźni autorów SF. Warto przytoczyć chociaż kilka.
Cykl Marcina Podlewskiego Głębia oferuje podejście do transportu odbiegające od wcześniejszych pomysłów. Tajemniczą głębię stanowi jakiś inny wymiar, przez który lecą kosmiczne statki, a który jest niebezpieczny dla podróżnych. Dlatego ludzie przed skokiem w głębię wchodzą w rodzaj śmierci klinicznej.
W powieści Autostopem przez Galaktykę Douglasa Adamsa mamy do czynienia z napędem nieskończonego prawdopodobieństwa. Napęd bazuje na obliczeniach kwantowych i określa najmniejsze prawdopodobieństwo wybierając w skali 1-10 punkt w przestrzeni i ekspediuje tam pojazd. Do końca nie jest pewne czy to napęd czy teleportacja, jednak w powieści działa skutecznie.
Wypada wspomnieć system transportu międzygwiazdowego stosowanego w cyklu Diune Franka Herberta zwany napędem Holtzmana. Ten napęd polega na zaginaniu czasoprzestrzeni, jednak do tego zdolni są piloci odpowiednio wzmocnieni wydobywaną na planecie Arrakis substancją – przyprawą.
Na koniec tej części jeszcze jeden dosyć oryginalny sposób podróżowania wzdłuż i wszerz Galaktyki. John Scalzi w swoim cyklu Współzależność, w którym ukazały sie jak dotąd po polsku dwie części Upadające Imperium oraz Imperium w Płomieniach wprowadza tajemniczy Nurt. Nurt porównywany jest do rzeki, chociaż jest zdecydowanie bardziej skomplikowanym tworem znajdującym się poza wymiarami. Wlatuje się do niego poprzez płycizny, koniecznie opatulonym czasoprzestrzennym bąblem ochronnym, zaś cel osiąga się wychodząc z Nurtu po bardzo precyzyjnie odmierzonym czasie – niewielki błąd może sprawić, że znajdziemy się nawet miliony lat świetlnych od celu. Nić fabuły cyklu Scalziego opiera się na tym, że poznana i wykorzystana do zasiedlenia wielu światów sieć Nurtów zaczyna zanikać.
Pomysły na komunikację
Na koniec tych rozważań jeszcze kilka zdań na temat możliwości komunikacji i przesyłania informacji z prędkościami większymi niż te, których używamy obecnie. Mimo, że wynalazcą telegrafu jest Samuel Morse, to historia telekomunikacji zaczęła się, gdy w 1833 roku w Getyndze uczeni niemieccy Carl Friedrich Gauss i Wilhelm Weber skonstruowali elektromagnetyczny telegraf igiełkowy, zaś telegraf elektryczny cztery lata później skonstruowali Charlesa Wheatstone’a oraz Williama Fothergilla Cooke. Jednak prawdziwa historia telekomunikacji zaczęła się w roku 1865, gdy szkocki fizyk James Clerk Maxwell zaprezentował swoje równania unifikujące elektryczność i magnetyzm. Odkrycie fal radiowych przez Heinricha Hertza w 1888 roku było konsekwencją teorii Maxwella. Dało ono impuls nad badaniami i zaowocowało pierwszymi transmisjami radiowymi (Guglielmo Marconi, 1895). Późniejsza historia rozwoju tych technologii, począwszy od radia, poprzez telewizje, aż do współczesnych transmisji stosowanych w telefonii, Internecie czy łączności satelitarnej jest konsekwencją tych odkryć. Fale elektromagnetyczne stosowane w obrębie Ziemi, dzięki bardzo dużej prędkości propagacji (prędkość światła), zdają się działać w trybie natychmiastowym. Gdy jednak dystans rośnie zapóźnienia zaczynają nie tylko mieć znaczenie, ale wręcz uniemożliwiać skuteczną komunikację. Było to widoczne już w lipcu 1969 roku, gdy wyraźne było zapóźnienie w rozmowach z astronautami księżycowej wyprawy Apollo 11. Wyobraźmy sobie trudności w rozmowach z przyszłymi ludźmi przebywającymi na Marsie, gdzie przy najbardziej sprzyjających warunkach dystans to 4 minuty świetlne.
Cóż zatem zrobić, by skutecznie rozmawiać i wymienia informacje z kimś, kto dotarł do gwiazd? Zapóźnienia to już lata, i to w przypadku najbliższych gwiazd. Można pomyśleć o falach grawitacyjny – kilka lat temu dokonano pierwszych detekcji i kto wie czy postęp technologii detekcji i być może emisji takich fal nastąpi. Zgodnie jednak z naszą wiedzą i teorią fale grawitacyjne, mimo iż są odkształceniami czasoprzestrzeni to jednak poruszają się z prędkością światła. Czy nie ma więc nadziei?
Okazuje sie, że pewne możliwości daje mechanika kwantowa i jej aparat matematyczny, a w szczególności pewien jej aspekt zwany splątaniem kwantowym, który spowodował, że Einstein wspólnie z Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem zaproponowali pewien eksperyment myślowy w celu wykazania niekompletności tej teorii. Na czym to polega? Stan splątany to rodzaj skorelowanej właściwości układu dwóch lub więcej elementów tworzących układ kwantowy. Cechą układu jest przeciwność pewnych wartości. Dla przykładu dwa elektrony stanowiące układ kwantowy splątany zawsze przyjmą odwrotna wartość wielkości zwanej spinem (+1/2 lub -1/2), dwa splatane fotony różnić się będą polaryzacją. Problem staje się ciekawy dlatego, że zgodnie z podstawowymi założeniami mechaniki kwantowej każdy z elementów aż do dokonania aktu obserwacji przyjmuje obie wartości z równym prawdopodobieństwem. Inaczej mówiąc każdy z elektronów ma spin jednocześnie +1/2 i -1/2, i to dosłownie. Dopiero pomiar ustala jedną z wartość, zaś drugi element, nawet bez obserwacji zawsze przyjmuje wartość odwrotną. Natychmiast! I tu pojawiają się Einstein, Podoslki i Rosen pytając, czy skoro Szczególna Teoria Względności ogranicza prędkość do wartości „c”, to założenie, że stan cząstki po obserwacji splątanej z nią ustala się natychmiast nie jest złamaniem fizyki. Wyobraźmy sobie bowiem, że zabieramy jeden z elektronów do odległej o 2.5 miliona lat świetlnych galaktyki M31 w Andromedzie. Obie cząstki mimo oddalenia mają z równym prawdopodobieństwem spin +1/2 i -1/2. Dopiero wtedy dokonujemy obserwacji i pomiaru spinu tego elektronu, który został na Ziemi. Zgodnie z podstawami mechaniki kwantowej automatycznie i natychmiast drugi przyjmuje wartość przeciwną. Skąd zna wynik, by przyjąć właściwą cechę?
Wydawać by się mogło, że opisane wyżej elementy to magia, ale na bazie tych rozważań prowadzone są z powodzeniem eksperymenty dotyczące kwantowej teleportacji informacji. Pierwszej kwantowej teleportacji dokonano w 1997 roku. 7 lat później teleportowano stan kwantowy jednego atomu do drugiego. W 2012 roku dokonano teleportacji kwantowej, na odległość 143 kilometrów. Ostatnia zgłoszona rekordowa odległość teleportacji kwantowej wynosi 1400 km – dokonano teleportacji do i z satelity na orbicie wokółziemskiej.
Czy jest to przyszłość telekomunikacji FTL? Trudno powiedzieć, jednak w wielu książkach ansible, czyli komunikatory oparte na pokazanym wyżej zjawisku są używane.
Takie urządzenia, choć pod innymi nazwami (np. komunikator Diraca) zostały opisane już w latach 50. Nazwę ansibl jako pierwsza zastosowała Ursula K. LeGuin w powieści Świat Rocannona. Cykl Gra Endera Orsona Scota Carda też wykorzystuje ansible do natychmiastowej komunikacji kwantowej. Ze znanych autorów warto przypomnieć też Dana Simmonsa (Ilion), Kima Stanleya Robinsona (2312) czy też Liu Cixina z jego trylogią Wspomnienie o przeszłości Ziemi.
I wreszcie na koniec tego przydługiego już tekstu jeszcze kilka zdań o teorii tachionów. Czym są tachiony? To hipotetyczne cząstki elementarne, które poruszają się z prędkością większą niż prędkość światła w próżni. Niestety, poza pewnymi rozważaniami teoretycznymi nie ma żadnego dowodu na istnienie tych cząstek. Warto wspomnieć kilka właściwości tachionów. Oprócz tego że zawsze maja prędkość większą niż „c” (prędkość światła jest dla nich nieprzekraczalną dolną granicą), to poruszają się w czasie wstecz czyli niejako „przybywają z przyszłości” oraz ich masa spoczynkowa jest wyrażona przez liczbę urojoną – nie wiadomo, czy taka masa ma jakikolwiek sens fizyczny. I właśnie takie „fantastyczne” właściwości sprawiają, że SF od tachionów nie stroni.
W przytaczanej już Diunie Franka Herberta istnieje sieć tachionowa umożliwiająca natychmiastową komunikację i manipulację cząsteczkami poprzez Wszechświat. W Agencie Fundacji Isaaca Asimova wspomniano, że podczas „przeskoku” przez hiperprzestrzeń materia, która obejmuje statek i wszystko, co się w nim znajduje, łącznie z ludzkimi pasażerami, jest przekształcana w tachiony dla natychmiastowego trybu podróży międzygwiezdnych. I wreszcie W Odyssey One Evana Currie, statek „Odyssey” podróżuje we kosmosie za pomocą specjalnego napędu, który używa tachionów do przenoszenia statku i załogi w dowolne miejsce natychmiast.
#############################################################
To jeszcze jeden sposób podróżowania
Brandon Sanderson Do Gwiazd napęd cytoniczny polegający na umyśle, co zwane jest defektem. Jest to zdolność do nawigowania w hiperprzestrzeni.
############################################################
Ten tekst oryginalnie pojawił się w magazynie SFinks – https://esef.com.pl/
Leszek P. Błaszkiewicz
[1] Jednostka 'rok świetlny’ oparta jest o wartość prędkości światła w próżni, czyli 299 792 458 m/s. Odpowiednio minuta, godzina czy dzień świetlne to odległość jaką światło pokonuje w takim czasie.
[2] Nazwa „czarna dziura” powstała dopiero w latach 60., a zaproponowana została przez Johna Archibalda Wheelera. Wcześniej ów – teoretyczny wtedy – twór określano mianem kolapsara albo zamrożonej gwiazdy.
