LAWRENCE M. KRAUSS FIZYKA PODRӯY MI�DZYGWIEZDNYCH ( Prze�o�yli: Ewa L. �okas; Bogumi� Bieniok) PRZEDMOWA By�o ml bardzo mi�o, �e Data zdecydowa� si� zaprosi� Newtona, Einsteina i mnie na partyjk� pokera na pok�adzie kosmicznego statku Enterprise. Mia�em okazj� zdoby� przewag� nad dwoma wielkimi lud�mi grawitacji, zw�aszcza nad Einsteinem, kt�ry nie wierzy� w przypadek, czyli w to, �e B�g gra w ko�ci. Niestety, nie uda�o mi si� zabra� ze sob� wygranej, poniewa� musieli�my porzuci� gr� z powodu alarmu. Kontaktowa�em si� p�niej ze studiem Paramount, aby zamieni� �etony na got�wk�, ale jego przedstawiciele nie znali kursu wymiany. Fantastyka naukowa, do kt�rej nale�y Star Trek, s�u�y nie tylko dobrej zabawie, ale tak�e powa�niejszym celom, takim jak rozszerzanie ludzkiej wyobra�ni. By� mo�e nie potrafimy dotrze� tam, gdzie nie stan�a dot�d ludzka stopa, ale mo�emy spr�bowa� dokona� tego przynajmniej w wyobra�ni. Mo�emy przewidywa� reakcje ludzko�ci na przysz�y post�p w nauce i spekulowa� na temat charakteru tego post�pu. Wymiana my�li mi�dzy fantastyk� naukow� a nauk� zachodzi w obie strony. Fantastyka dostarcza pomys��w, kt�re naukowcy w��czaj� do swoich teorii, ale czasami to w�a�nie nauka stwarza poj�cia, kt�re nie przysz�yby do g�owy �adnemu autorowi science fiction. Przyk�adem s� czarne dziury, do kt�rych rozg�osu walnie przyczyni�a si� trafna nazwa nadana im przez Johna Archibalda Wheelera. O �zamarzni�tych gwiazdach� lub �obiektach ca�kowicie zapadni�tych grawitacyjnie�, jak pocz�tkowo nazywano czarne dziury, nie napisano by zapewne nawet po�owy tego, co mieli�my okazj� przeczyta�. Zar�wno Stor Trek, jak i inne utwory fantastycznonaukowe, po�wi�caj� szczeg�lnie du�o uwagi podr�om z pr�dko�ciami ponad�wietlnymi. Rzeczywi�cie, trudno wyobrazi� sobie bez nich fabu�� Star Trek. Gdyby Enterprise m�g� przemieszcza� si� jedynie z pr�dko�ciami cho�by niewiele mniejszymi od pr�dko�ci �wiat�a, podr� do �rodka Galaktyki i z powrotem trwa�aby dla za�ogi tylko kilka lat, ale na Ziemi up�yn�oby w tym czasie 80 tysi�cy lat. Nie by�oby mowy o ponownym spotkaniu z rodzin�! Na szcz�cie og�lna teoria wzgl�dno�ci Einsteina stwarza mo�liwo�� obej�cia tej trudno�ci: mo�na zakrzywi� czasoprzestrze� i stworzy� drog� na skr�ty mi�dzy miejscami, kt�re chce si� odwiedzi�. Mimo pojawiaj�cych si� wtedy problem�w z ujemn� energi�, takie zakrzywianie czasoprzestrzeni mo�e by� dla nas w przysz�o�ci wykonalne. Jak dot�d nie prowadzono w tej dziedzinie zbyt wielu powa�nych bada�, po cz�ci, jak s�dz�, dlatego, �e za bardzo przypomina to fantastyk� naukow�. Jedn� z konsekwencji szybkich podr�y mi�dzygwiezdnych by�aby mo�liwo�� podr�y wstecz w czasie. Mo�na sobie jednak wyobrazi� krzyk, jaki podnios�aby opinia publiczna w obronie pieni�dzy podatnik�w, gdyby og�oszono, �e rz�dowe agendy wspieraj� finansowo badania nad podr�ami w czasie. Naukowcy pracuj�cy w tej dziedzinie musz� zatem ukrywa� swoje prawdziwe zainteresowania, u�ywaj�c technicznych termin�w, takich jak �zamkni�te krzywe czasowe�, kt�re oznaczaj� po prostu podr�e w czasie. Jednak�e dzisiejsza fantastyka naukowa staje si� cz�sto naukowym faktem jutra. Fizyka le��ca u podstaw Star Trek jest niew�tpliwie warta zbadania. Ograniczenie poszukiwa� do spraw czysto ziemskich by�oby r�wnoznaczne z narzucaniem ogranicze� ludzkiemu duchowi. STEPHEN HAWKING WST�P Dlaczego zajmuj�c si� fizyk� podr�y mi�dzygwiezdnych, zag��bimy si� w �wiat Stor Trek? Dzie�o Gene'a Rodden-berry'ego jest przecie� fantastyk� i nie przedstawia fakt�w naukowych. Wiele cud�w techniki w tym serialu odwo�uje si� wi�c z konieczno�ci do poj��, kt�re mog� by� niew�a�ciwie zdefiniowane lub w inny spos�b pozostaj� w sprzeczno�ci z nasz� obecn� wiedz� o Wszech�wiecie. Nie chcia�em napisa� ksi��ki po�wi�conej tylko wyliczeniu kwestii, w kt�rych tw�rcy Star Trek nie mieli racji. Nie mog�em jednak uwolni� si� od my�li o tej ksi��ce. Przyznam si�, �e tak naprawd� oczarowa� mnie transporter. My�lenie o tym, jakim wyzwaniom nale�a�oby sprosta� tworz�c tak� fantastyczn� technologi�, zmusza do rozwa�enia szerokiego wachlarza temat�w: od komputer�w i przekazu informacji po zagadnienia fizyki cz�stek elementarnych, mechaniki kwantowej, fizyki j�drowej, budowy teleskop�w, zawi�o�ci biologii, a nawet problem istnienia ludzkiej duszy! Do tego dosz�y jeszcze takie poj�cia, jak zakrzywiona czasoprzestrze� i podr�e w czasie, i tak temat ten wci�gn�� mnie bez reszty. Wkr�tce zda�em sobie spraw�, �e to, co by�o dla mnie tak fascynuj�ce, bliskie jest temu, co niezmiennie poci�ga dzisiejszych wielbicieli Star Trek, prawie trzydzie�ci lat po wyemitowaniu pierwszego odcinka serialu. Tym czym�, jak to uj�� Q, wszechmocny �artowni� ze Star Trek, jest �badanie nieznanych mo�liwo�ci istnienia�. Q zapewne zgodzi�by si� ze mn�, �e samo wyobra�anie sobie tych mo�liwo�ci to ju� dobra zabawa. W przedmowie do tej ksi��ki Stephen Hawking stwierdza, �e fantastyka naukowa pomaga rozwija� ludzk� wyobra�ni�. Rzeczywi�cie, badanie niesko�czonych mo�liwo�ci, jakie niesie przysz�o�� - ��cznie ze �wiatem, w kt�rym, przezwyci�ywszy napi�cia mi�dzynarodowe i uprzedzenia rasowe, ludzko�� wyrusza, by w pokoju bada� Wszech�wiat -jest cz�ci� nie s�abn�cego powodzenia Stor Trek. Poniewa� wydaje mi si� to istotn� cech� cudu wsp�czesnej fizyki, na tych w�a�nie mo�liwo�ciach postanowi�em si� skoncentrowa� w niniejszej ksi��ce. Jak wynika z przeprowadzonych przeze mnie pewnego dnia nieformalnych bada� w trakcie spaceru po miasteczku uniwersyteckim, liczba ludzi w Stanach Zjednoczonych, kt�rzy nie znaj� wyra�enia �prze�lij mnie, Scotty�, jest w zasadzie por�wnywalna z liczb� ludzi, kt�rzy nigdy nie s�yszeli o ketchupie. Je�li we�miemy pod uwag�, �e wystawa na temat statku Enterprise, zorganizowana przez Smithsonian Institution w Waszyngtonie, cieszy�a si� najwi�kszym powodzeniem w ca�ej historii tamtejszego Muzeum Lotnictwa i Lot�w Kosmicznych -wi�kszym nawet, ni� pokazywany tam prawdziwy statek kosmiczny - staje si� oczywiste, i� Star Trek jest dla wielu ludzi symbolem zaciekawienia Wszech�wiatem. Czy istnieje lepszy kontekst, w kt�rym mo�na by przedstawi� jedne z najciekawszych teorii fizyki dnia dzisiejszego i wskaza�, w jakim kierunku pod��y fizyka jutra? Mam nadziej�, �e ta podr� b�dzie dla czytelnik�w tej ksi��ki r�wnie fascynuj�ca, jak dla mnie. Szerokiej drogi! CZʌ� I KOSMICZNY POKER W cz�ci tej fizyka amortyzator�w bezw�adno�ci i wi�zek holowniczych przeciera szlak dla podr�y w czasie, nap�du czasoprzestrzennego, deflektor�w, tuneli czasoprzestrzennych i innych osobliwo�ci czasoprzestrzeni. ROZDZIA� I OTWARCIE NEWTONA Gdziekolwiek p�jdziesz, tam b�dziesz. Z tablicy na statku Exctlsior. Star Trek VI: Nieznany kraj (prawdopodobnie zapo�yczenie z Przyg�d Buckaroo Banzai) Znajdujesz si� za sterem statku kosmicznego Defiant (NCC-1764), kr���cego w�a�nie po orbicie wok� planety Iconia, w pobli�u strefy neutralnej. Masz spotka� si� na drugim ko�cu tego uk�adu s�onecznego ze statkiem b�d�cym sk�adem cz�ci zamiennych, by zdoby� cz�ci potrzebne do zreperowania g��wnych cewek zasilaj�cych transporter. Nie musisz rozwija� pr�dko�ci czasoprzestrzennych; ustawiasz tylko na pe�n� moc silnik pulsacyjny, aby spokojnie podr�owa� z pr�dko�ci� r�wn� po�owie pr�dko�ci �wiat�a. Powinno to wystarczy� do osi�gni�cia celu w ci�gu kilku godzin; w tym czasie b�dziesz m�g� zaktualizowa� dziennik pok�adowy. W miar� oddalania si� od orbity zaczynasz jednak odczuwa� silny ucisk w klatce piersiowej. R�ce ci ci��� i przyklejasz si� do fotela. Twoje usta zamieraj� w grymasie, masz wra�enie, �e za chwil� oczy wyskocz� ci z orbit, a p�yn�ca w twoim ciele krew nie chce dochodzi� do g�owy. Powoli tracisz �wiadomo��... i w ci�gu kilku minut umierasz. Co si� sta�o? Nie s� to pierwsze oznaki mi�dzyfazowego znoszenia przestrzennego, kt�re p�niej obejmie ca�y statek, ani atak ukrytego dot�d statku romula�skiego. Pad�e� ofiar� czego� znacznie pot�niejszego. Pomys�owi tw�rcy serialu Star Trek, od kt�rych jeste� uzale�niony, nie wynale�li jeszcze amortyzator�w bezw�adno�ci; urz�dzenia te dopiero p�niej zostan� wprowadzone do serialu. Zosta�e� pokonany przez co� tak zwyk�ego, jak prawa ruchu Izaaka Newtona, o kt�rych uczymy si� w szkole, lecz zazwyczaj szybko zapominamy. Ju� s�ysz� g�osy trekker�w:1 �Ale beznadzieja! Nie cz�stuj mnie Newtonem. Opowiedz mi o czym� naprawd� interesuj�cym, na przyk�ad jak dzia�a nap�d czasoprzestrzenny lub co to za b�ysk pojawia si� przy osi�ganiu pr�dko�ci czasoprzestrzennych (czy przypomina uderzenie d�wi�kowe przy przekraczaniu pr�dko�ci d�wi�ku?), albo co to takiego ten kryszta� dwulitu?� W tej chwili mog� jedynie powiedzie�, �e dojdziemy i do tego. Podr�owanie po �wiecie Stor Trek wi��e si� z najbardziej niezwyk�ymi poj�ciami w fizyce. Zetkniemy si� z wieloma r�nymi problemami, zanim b�dziemy mogli zada� najbardziej fundamentalne pytanie zwi�zane ze Star Trek: czy co� z tego mo�e zdarzy� si� naprawd�, a je�li tak, to w jaki spos�b? Zanim udamy si� tam, gdzie nikt jeszcze nie dotar� - zanim nawet wyjdziemy z Kwatery G��wnej Gwiezdnej Floty - musimy stawi� czo�o tym samym zagadnieniom, z kt�rymi ponad trzysta lat temu zmagali si� Galileusz i Newton. W przeciwnym razie nigdy nie uda nam si� rozstrzygn�� kosmicznego pytania, tkwi�cego u �r�de� wizji Gene'a Roddenberry'ego, tw�rcy Star Trek: co, na podstawie wsp�czesnej nauki, mo�emy powiedzie� na temat przysz�o�ci naszej cywilizacji? Pytanie to le�y u podstaw tej ksi��ki. Ka�dy, kto kiedykolwiek znajdowa� si� w samolocie lub szybkim samochodzie, zna uczucie wgniatania w fotel, gdy pojazd rusza z du�ym przyspieszeniem. Zjawisko to jeszcze silniej daje si� odczu� na pok�adzie statku kosmicznego. Reakcje syntezy w silniku pulsacyjnym wytwarzaj� olbrzymie ci�nienia, kt�re wypychaj� z du�ymi pr�dko�ciami gazy i promieniowanie ze statku. To w�a�nie si�a reakcji wywierana na silniki przez uciekaj�cy gaz i promieniowanie powoduje �odrzut� w prz�d. Poniewa� statek jest po��czony z silnikami, r�wnie� zostaje �odrzucony�. Tak�e osoba siedz�ca przy sterach jest popychana do przodu za spraw� si�y wywieranej przez fotel na cia�o, kt�re z kolei dzia�a tak� sam� si�� na fotel. I tu w�a�nie tkwi sedno sprawy. M�otek uderzaj�cy z du�� pr�dko�ci� w Twoj� czaszk� dzia�a z si��, kt�ra mo�e okaza� si� �miertelna. Na podobnej zasadzie mo�e Ci� zabi� fotel, na kt�rym siedzisz, je�li si�a, kt�r� zadzia�a on na Twoje cia�o, b�dzie zbyt wielka. Piloci samolot�w odrzutowych i statk�w kosmicznych nazywaj� si�y, jakim poddawane s� ich cia�a w trakcie du�ych przyspiesze� (w samolocie lub podczas wystrzeliwania statku kosmicznego) si�ami G. Mog� je opisa� pos�uguj�c si� przyk�adem swoich bol�cych plec�w. Kiedy pracuj� na komputerze, zawsze czuj� nacisk krzes�a na po�ladki - presj�, z kt�r� nauczy�em si� �y� (cho�, m�g�bym doda�, moje po�ladki reaguj� na to w bardzo niehigieniczny spos�b). Si�a dzia�aj�ca na moje po�ladki ma swoje �r�d�o w grawitacji, kt�ra, gdyby nic jej nie przeciwdzia�a�o, spowodowa�aby m�j ruch w kierunku Ziemi. Powstrzymuje mnie przed tym - czyli przed upadkiem na pod�og� - Ziemia, wywieraj�c skierowan� przeciwnie si�� na �elbetonow� konstrukcj� mojego domu, kt�ra dzia�a si�� skierowan� ku g�rze na drewnian� pod�og� mojego gabinetu na pierwszym pi�trze; z kolei pod�oga dzia�a na krzes�o, wywieraj�ce si�� na t� cz�� mojego cia�a, kt�ra znajduje si� z nim w kontakcie... Gdyby Ziemia mia�a dwa razy wi�ksz� mas�, ale tak� sam� �rednic�, nacisk wywierany na moje po�ladki by�by dwa razy wi�kszy. Si�y skierowane ku g�rze musia�yby by� dwukrotnie wi�ksze, aby zr�wnowa�y� si�� grawitacji. Te same czynniki nale�y wzi�� pod uwag� w przypadku podr�y kosmicznych. Je�li siedzisz w fotelu kapitana i wydajesz polecenie przyspieszenia statku, musisz wzi�� pod uwag� si��, z jak� b�dzie na Ciebie oddzia�ywa� fotel. Gdy zwi�kszysz przyspieszenie dwukrotnie, dzia�aj�ca na Ciebie si�a r�wnie� wzro�nie dwa razy. Im wi�ksze przyspieszenie, tym wi�ksza si�a. Jedyny problem polega na tym, �e �aden materia� - a ju� na pewno nie Twoje cia�o - nie wytrzyma dzia�ania si�y potrzebnej do przyspieszenia statku do pr�dko�ci pulsacyjnych. Ten sam problem pojawia si� wielokrotnie w serialu Stor Trek, nawet w�wczas, gdy akcja filmu dzieje si� na Ziemi. Na pocz�tku Star Trek V: Ostateczna granica James Kirk, bawi�cy na wakacjach w Parku Narodowym Yosemite, wspina si� bez asekuracji. Nagle potyka si� i spada. Spock, kt�ry ma na sobie buty rakietowe, p�dzi na ratunek i chwyta kapitana, gdy ten znajduje si� ju� metr czy dwa nad ziemi�. Niestety, jest to jeden z tych przypadk�w, kiedy rozwi�zanie mo�e by� tak samo fatalne w skutkach, jak sam problem. To w�a�nie proces hamowania na dystansie kilku centymetr�w mo�e by� �mierciono�ny, niezale�nie od tego, czy spada si� na Ziemi� czy w obj�cia Spocka Vulcana. Zanim jeszcze pojawi� si� si�y reakcji, kt�re rozerw� lub po�ami� Twoje cia�o, na scen� wkrocz� inne powa�ne fizjologiczne problemy. Co najwa�niejsze, Twoje serce nie b�dzie ju� mog�o pompowa� krwi wystarczaj�co silnie, aby dociera�a ona do g�owy. Dlatego w�a�nie piloci wojskowi czasami trac� �wiadomo�� w trakcie wykonywania manewr�w wymagaj�cych du�ych przyspiesze�. Aby temu zapobiec, wynaleziono nawet specjalne skafandry wymuszaj�ce przep�yw krwi z n�g pilot�w. Te zaburzenia fizjologiczne s� jednym z czynnik�w, kt�re nale�y wzi�� pod uwag� przy okre�laniu, jak wielkie mo�e by� przyspieszenie wsp�czesnego statku kosmicznego. Dlatego te� NASA nigdy nie wystrzeli�a na orbit� ludzi z wielkiej armaty, jak proponowa� Juliusz Verne w powie�ci Podr� na Ksi�yc. Je�li chc� przyspieszy� rakiet� od stanu spoczynku do, powiedzmy, 150 ty�. Km/s, czyli do po�owy pr�dko�ci �wiat�a, musz� to robi� stopniowo - tak, by moje cia�o nie uleg�o rozerwaniu. Abym unikn�� wgniatania w fotel z si�� wi�ksz� ni� 3G, moje przyspieszenie nie mo�e przekroczy� trzykrotnej warto�ci przyspieszenia, z jakim przedmioty spadaj� na ziemi�. W tym tempie osi�gni�cie po�owy pr�dko�ci �wiat�a zaj�oby oko�o 5 milion�w sekund, czyli blisko 2,5 miesi�ca! Nie by�oby to ekscytuj�ce wydarzenie. Wkr�tce po wyprodukowaniu pierwszego statku kosmicznego klasy konstytucyjnej - Enterprise (NCC-1701) - autorzy Star Trek musieli odpowiedzie� na krytyk� dotycz�c� tego, �e olbrzymie przyspieszenia na pok�adzie statku kosmicznego powinny zmienia� jego za�og� w marmolad�2. Aby rozwi�za� ten problem, wynale�li �amortyzatory bezw�adno�ci�, rodzaj kosmicznych poch�aniaczy uderzenia, bardzo przemy�lne urz�dzenie, zaprojektowane w celu rozwi�zania tego dokuczliwego problemu. Amortyzatory bezw�adno�ci naj�atwiej zauwa�y�, gdy ich nie ma. Na przyk�ad statek Enterprise ledwie unikn�� zniszczenia po utracie kontroli nad swoimi amortyzatorami bezw�adno�ci, kiedy elektroniczne formy �ycia, znane jako Nanici, zacz�y, w ramach swojego procesu ewolucyjnego, chrupa� pami�� centralnego komputera statku. �atwo zauwa�y�, �e prawie ka�d� katastrof� Enterprise (kt�ra zdarza si� zwykle w najmniej odpowiedniej chwili) poprzedza awaria amortyzator�w bezw�adno�ci. Skutki podobnej utraty kontroli na romulan-skim statku Wdrbird umo�liwi�y nam przekonanie si�, �e krew Romulan jest zielona. Niestety, podobnie jak w przypadku wi�kszo�ci technologii we wszech�wiecie Stor Trek, o wiele �atwiej jest opisa� problem, kt�ry rozwi�zuj� amortyzatory bezw�adno�ci, ni� dok�adnie wyja�ni�, jak mog�yby one dzia�a�. Pierwsze Prawo Fizyki Star Trek musi wi�c brzmie�: im bardziej podstawowy jest problem, kt�ry chce si� rozwi�za�, tym bardziej niezwyk�e musi by� rozwi�zanie. Przyczyn�, dla kt�rej doszli�my tak daleko i dla kt�rej mo�emy w og�le spodziewa� si� przysz�o�ci takiej, jak� pokazano w Star Trek, jest specyfika fizyki, kt�ra rozwija si� odwo�uj�c si� do w�asnych podstaw. Przysz�o�� b�dzie wi�c musia�a poradzi� sobie nie tylko z danym problemem w fizyce, ale tak�e z ka�dym fragmentem wiedzy fizycznej, kt�ry wi��e si� z tym w�a�nie problemem. Post�p w fizyce dokonuje si� nie dzi�ki rewolucjom, kt�re znosz� wszystko, co by�o przedtem, ale drog� ewolucji, kt�ra wykorzystuje to, co najlepsze w dotychczasowym rozumieniu �wiata. Prawa Newtona b�d� tak samo prawdziwe za milion lat jak obecnie, bez wzgl�du na to, jak dalece rozszerzymy granice nauki. Upuszczona pi�ka zawsze spadnie na ziemi�. Je�li b�d� siedzia� przy biurku i pisa� przez ca�� wieczno��, moje po�ladki zawsze b�d� tak samo cierpia�y. Czego by nie powiedzie�, nie by�oby w porz�dku, gdyby�my zostawili amortyzatory bezw�adno�ci bez jakiegokolwiek dok�adniejszego opisu ich dzia�ania. Jak ju� wcze�niej stwierdzi�em, musz� one tworzy� wewn�trz statku kosmicznego sztuczny �wiat, w kt�rym znika si�a reakcji na si�� przyspieszaj�c�. Przedmioty znajduj�ce si� wewn�trz statku zostaj� �oszukane�; maj� zachowywa� si� tak, jak gdyby nie by�o przyspieszenia. Opisywa�em ju�, w jaki spos�b przyspieszenie imituje grawitacj�. Zwi�zek ten, kt�ry sta� si� podstaw� og�lnej teorii wzgl�dno�ci Einsteina, jest o wiele g��bszy, ni� mog�oby si� wydawa� na pierwszy rzut oka. Amortyzatory bezw�adno�ci mog� wi�c dzia�a� tylko na jednej zasadzie: musz� wytwarza� wewn�trz statku sztuczne pole grawitacyjne, kt�re znosi si�y reakcji. Nawet, je�li przyjmiemy t� mo�liwo��, pozostaj� jeszcze inne praktyczne sprawy, jak cho�by to, �e w��czenie si� amortyzator�w bezw�adno�ci po pojawieniu si� nieoczekiwanego impulsu wymaga czasu. Kiedy na przyk�ad Enterprise zosta� uwi�ziony w p�tli przyczynowej przez Bozemana, gdy ten ostatni wynurza� si� z zakrzywienia czasowego, za�oga zosta�a rozrzucona po ca�ym obszarze mostka (zanim jeszcze nast�pi�a awaria nap�du czasoprzestrzennego i amortyzator�w). W opisie technicznym Enterprise wyczyta�em, �e czas reakcji amortyzator�w bezw�adno�ci wynosi oko�o 60 milisekund3. Wydaje si� on kr�tki, ale takie op�nienie podczas zaprogramowanych okres�w przyspieszania wystarczy�oby, �eby Ci� zabi�. Aby si� o tym przekona�, pomy�l, ile czasu potrzebuje spadaj�cy z wysoka m�otek, by rozbi� ci g�ow�, lub ziemia, by zabi� cz�owieka spadaj�cego ze stromego urwiska w Parku Narodowym Yosemite? Wystarczy pami�ta�, �e zderzenie z pr�dko�ci� 20 km/h jest r�wnowa�ne kolizji biegacza z murem z cegie�! Lepiej wi�c, �eby amortyzatory bezw�adno�ci mia�y kr�tki czas reakcji. Kilku znajomych trekker�w zauwa�y�o, �e kiedy statek zostaje uderzony, nikogo z za�ogi nie odrzuca na odleg�o�� wi�ksz� ni� par� metr�w. Zanim opu�cimy znany �wiat fizyki klasycznej, chcia�bym wspomnie� o innym cudzie technologii, kt�ry, aby dzia�a�, musi bra� pod uwag� prawa Newtona, a mianowicie o wi�zce holowniczej na Enterprise. Odegra�a ona pewn� rol� w czasie ratowania kolonii Genom�w na Moabie IV, odchylaj�c zbli�aj�cy si� fragment j�dra gwiazdy, a tak�e w podobnej pr�bie, (cho� zako�czonej niepowodzeniem) uratowania Bre'ela IV przez skierowanie planetoidalnego ksi�yca z powrotem na orbit�. Na pierwszy rzut oka wi�zka holownicza wygl�da prosto - mniej wi�cej tak jak niewidzialna lina lub w�dka - nawet je�li wywierana przez ni� si�a jest niezwyk�a. Podobnie jak mocna lina, wi�zka holownicza �wietnie sobie radzi z wci�ganiem wahad�owca, holowaniem innego pojazdu lub zapobieganiem ucieczce wrogiego statku kosmicznego. Jedyny problem polega na tym, �e kiedy ci�gniemy co� na linie, musimy si� uczepi� Ziemi lub innego ci�kiego przedmiotu. Ka�dy, kto kiedykolwiek je�dzi� na �y�wach, wie, co si� dzieje, gdy znajdujemy si� na lodzie i pr�bujemy odepchn�� kogo� od siebie. Udaje nam si� rozdzieli�, ale bez punktu zaczepienia stajemy si� bezradn� ofiar� w�asnej bezw�adno�ci. Ta w�a�nie zasada sk�oni�a kapitana Jeana-Luca Picarda w odcinku pod tytu�em Bitwa do wydania polecenia porucznikowi Rikerowi, aby wy��czy� wi�zk� holownicz�; Picard zauwa�y�, �e holowany statek b�dzie przemieszcza� si� obok nich dzi�ki swojemu w�asnemu p�dowi - w�asnej bezw�adno�ci. Na tej samej zasadzie, gdyby Enterprise spr�bowa� u�y� wi�zki holowniczej do oddalenia od siebie Stargazera, powsta�a si�a popchn�aby Enterprise do ty�u tak samo, jak Stargazera do przodu. To zjawisko ma du�y wp�yw na spos�b, w jaki obecnie pracuje si� w przestrzeni kosmicznej. Za��my na przyk�ad, �e jeste� astronaut�, kt�ry ma dokr�ci� �rub� w Kosmicznym Teleskopie Hubble'a. Je�li zabierzesz ze sob� w tym celu �rubokr�t elektryczny, po dotarciu na miejsce mo�e Ci� czeka� niemi�a niespodzianka. To, �e uda Ci si� dokr�ci� �rub�, jest tak samo prawdopodobne jak to, �e Ty sam zaczniesz si� wtedy obraca�. Dzieje si� tak dlatego, �e teleskop Hubble'a jest o wiele ci�szy od Ciebie. Kiedy �rubokr�t dzia�a pewn� sil� na �rub�, sil� reakcji, jak� odczuwasz, obr�ci raczej Ciebie ni� �rub�, zw�aszcza Je�li �ruba trzyma si� do�� mocno. Je�li jednak - podobnie jak zab�jcy Kanclerza Gorkona - jeste� szcz�liwym posiadaczem but�w grawitacyjnych, kt�re utrzymuj� Ci� pewnie na ka�dym pod�o�u, mo�esz si� przemieszcza� tak samo skutecznie jak na Ziemi. Mo�na te� zobaczy�, co si� stanie, gdy Enterprise spr�buje przyci�gn�� do siebie inny statek kosmiczny. O ile Enterprise nie jest znacznie ci�szy od tego statku, po w��czeniu si� wi�zki holowniczej to on b�dzie si� przysuwa� do drugiego obiektu, a nie odwrotnie. W przestrzeni kosmicznej to rozr�nienie nie ma wielkiego znaczenia. Bez znajduj�cego si� w pobli�u uk�adu odniesienia sk�d mo�emy wiedzie�, kto kogo ci�gnie? Je�eli znajdujesz si� jednak na planecie tak pechowej, jak Moab IV, na drodze zagubionej gwiazdy, to nie jest bez znaczenia., czy Enterprise odsuwa na bok gwiazd�, czy gwiazda statek. Jeden z moich znajomych trekker�w utrzymuje, �e spos�b obej�cia tego problemu zosta� ju� po�rednio zasugerowany przynajmniej w jednym odcinku: gdyby Enterprise u�y� swoich silnik�w pulsacyjnych, kiedy w��czona jest wi�zka holownicza, dzia�aj�c w przeciwnym kierunku si�� swoich silnik�w m�g�by skompensowa� wywieran� nart si��, gdy jest ci�gni�ty lub na co� pchany. Jak twierdzi �w trekker, powiedziano gdzie�, �e aby wi�zka holownicza mog�a dzia�a�, musi by� uruchomiony nap�d pulsacyjny. Nigdy jednak nie zauwa�y�em, by Kirk lub Picard wydawali polecenie w��czenia silnik�w pulsacyjnych w trakcie u�ywania wi�zki holowniczej. Poza tym nie s�dz�, aby spo�ecze�stwo, kt�re potrafi zaprojektowa� i zbudowa� amortyzatory bezw�adno�ci, potrzebowa�o takich si�owych rozwi�za�. Pami�taj�c o tym, �e Geordi LaForge musia� zakrzywi� czasoprzestrze�, aby spr�bowa� cofn�� ksi�yc Bre'ela IV, s�dz�, �e ostro�na - cho� na razie nieosi�galna - manipulacja przestrzeni� i czasem r�wnie skutecznie pomog�aby wykona� to zadanie. Aby lepiej to zrozumie�, musimy u�y� amortyzator�w bezw�adno�ci i przeskoczy� jak najszybciej do wsp�czesnego �wiata zakrzywionej przestrzeni i czasu. ROZDZIA� 2 EINSTEIN PODNOSI STAWK� Pewna m�oda dama imieniem Aurora Gdy nie p�dzi�a szybciej od �wiat�a, by�a chora. Kiedy razu pewnego w podr� wyjecha�a, Na relatywny spos�b si� zdecydowa�a i powr�ci�a poprzedniego wieczora. ANONIM �Czas, ostateczna granica� - tak lub podobnie powinien zaczyna� si� ka�dy odcinek serialu Star Trek. Trzydzie�ci lat temu, w klasycznym odcinku Jutro b�dzie wczoraj, Enterprise rozpocz�� podr�e w czasie. (W�a�ciwie ju� pod koniec wcze�niejszego odcinka Nagi czas statek zostaje przerzucony w czasie o trzy dni wstecz - jest to jednak podr� tylko w jedn� stron�). W wyniku bliskiego spotkania z �czarn� gwiazd�� (termin �czarna dziura� nie funkcjonowa� jeszcze wtedy w kulturze masowej) statek przenosi si� na Ziemi� XX wieku. Dzi� poj�cia tak niezwyk�e, jak �tunele czasoprzestrzenne� i �osobliwo�ci kwantowe�, pojawiaj� si� regularnie w odcinkach najnowszej serii Star Trek: Voyager. Dzi�ki Albertowi Einsteinowi i tym, kt�rzy poszli jego �ladem, tkanina czasoprzestrzeni utkana jest z dramat�w. Chocia� ka�dy z nas jest podr�nikiem w czasie, przekonanie, i� jeste�my skazani na podr� tylko w jednym kierunku -w przysz�o�� - podnosi histori� ludzko�ci do rangi tragedii. Czego by�my nie dali za mo�liwo�� podr�y w przesz�o��, ponownego prze�ycia chwil chwa�y, naprawienia b��d�w, spotkania historycznych bohater�w, a mo�e nawet unikni�cia katastrof lub po prostu powt�rnego prze�ycia m�odo�ci, korzystaj�c z nabytej z wiekiem m�dro�ci? Podr�e w czasie przychodz� nam na my�l za ka�dym razem, gdy spogl�damy w gwiazdy, ale wydaje si�, �e jeste�my na sta�e uwi�zieni w tera�niejszo�ci. Pytanie, kt�re inspiruje nie tylko tw�rczo�� dramatyczn�, ale i zadziwiaj�co du�� cz�� bada� we wsp�czesnej fizyce teoretycznej, mo�na sformu�owa� nast�puj�co: Jeste�my czy nie Jeste�my wi�niami w kosmicznym poci�gu czasu, kt�ry nie mo�e zmienia� toru? Pocz�tki nowoczesnego gatunku literackiego, kt�ry nazywamy fantastyk� naukow�, s� �ci�le zwi�zane z motywem podr�y w czasie. Wczesny utw�r Marka Twaina Jankes na dworze kr�la Artura jest bardziej beletrystyk� ni� fantastyk� naukow�, mimo �e tre�� ksi��ki obraca si� wok� przyg�d wynikaj�cych z przeniesienia nieszcz�snego Amerykanina do �redniowiecznej Anglii. (By� mo�e Twain nie zastanawia� si� szczeg�lnie nad naukowymi aspektami podr�y w czasie, gdy� obieca� Picardowi na pok�adzie Enterprise, �e nie opisze swojego spojrzenia w przysz�o��, kiedy ju� powr�ci do dziewi�tnastego stulecia, przeskakuj�c przez szczelin� czasow� na Devidii II, w odcinku Strza�ka czasu). Dopiero niezwyk�e dzie�o H. G. Wellsa Wehiku� czasu stworzy�o paradygmat, na kt�rym opar� si� Stor Trek, Wells by� absolwentem Imperia� College of Science and Technology w Londynie i rozmowy jego bohater�w, podobnie jak wypowiedzi za�ogi Enterprise, przesi�kni�te s� j�zykiem naukowym. Te odcinki serialu Star Trek, kt�re opowiadaj� o podr�ach w czasie, s� niew�tpliwie najbardziej tw�rcze i zmuszaj� do my�lenia. W pierwszych dw�ch seriach doliczy�em si� ponad dwudziestu dw�ch odcink�w zajmuj�cych si� tym tematem. Podobnie jest w trzech pe�nometra�owych filmach Star Trek oraz w odcinkach z serii Voyager i Stacja kosmiczna, kt�re wyemitowano do chwili obecnej. Je�li chodzi o Stor Trek, prawdopodobnie najbardziej fascynuj�cym aspektem podr�y w czasie jest niech�� do �amania Najwy�szego Zakazu. Za�ogi Gwiezdnej Flory przestrzegane s� przed ingerencj� w normalny historyczny rozw�j obcych cywilizacji, kt�re odwiedzaj�. Cofni�cie si� w czasie umo�liwia jednak ca�kowit� likwidacj� tera�niejszo�ci. Mo�e nawet ca�kowicie zniweczy� histori�! Zar�wno w literaturze fantastycznonaukowej, jak i w fizyce, pojawia si� ten sam s�ynny paradoks: co si� stanie, je�li cofniesz si� w czasie i zabijesz swoj� matk� przed w�asnymi narodzinami? Niew�tpliwie przestaniesz wtedy istnie�. Ale je�li przestaniesz istnie�, nie b�dziesz m�g� wr�ci� i zabi� swojej matki. Skoro za� nie zabi�e� swojej matki, nie przesta�e� istnie�. Innymi s�owy, je�li istniejesz, to nie mo�esz istnie�, a je�li nie istniejesz, to musisz istnie�. S� jeszcze inne, mniej oczywiste, ale r�wnie dramatyczne i zdumiewaj�ce pytania, kt�re pi�trz� si�, gdy zaczynamy my�le� o podr�ach w czasie. Na przyk�ad w zako�czeniu Strza�ki czasu Picard pomys�owo wysy�a wiadomo�� z XIX do XXIV wieku - wprowadza kod binarny do g�owy Daty, wiedz�c, �e zostanie ona odnaleziona i po��czona z jego cia�em prawie pi�� wiek�w p�niej. Patrzymy, jak wpisuje wiadomo��, a nast�pnie widzimy LaForge'a, kt�ry w XXIV stuleciu przytwierdza Dacie g�ow�. Widzowi te wydarzenia wydaj� si� jednoczesne, ale takie nie s�; po tym, jak Picard wprowadza wiadomo�� do g�owy Daty, le�y ona jeszcze przez p� tysi�clecia. Ale je�li badam g�ow� Daty w XXIV wieku, a Picard nie odby� jeszcze podr�y w przesz�o��, aby zmieni� przysz�o��, czy m�g�bym tak� wiadomo�� odczyta�? Mo�na by si� spodziewa�, �e je�li Picard nie odby� jeszcze podr�y, nie mog�a ona mie� wp�ywu na g�ow� Daty. Jednak dzia�ania zmieniaj�ce oprogramowanie Daty zosta�y podj�te w XIX wieku, bez wzgl�du na to, kiedy Picard wyruszy� w podr� w czasie, aby je wykona�. A wi�c to ju� si� sta�o, nawet je�li Picard jeszcze nie wyruszy�! W ten spos�b przyczyna w XIX wieku (wprowadzanie kodu przez Picarda) mo�e wywo�a� efekt w dwudziestym czwartym stuleciu (zmiana obwod�w elektrycznych Daty), zanim przyczyna w XXIV wieku (wyprawa Picarda) wywo�a skutek w dziewi�tnastym stuleciu (przybycie Picarda do jaskini, gdzie znajduje si� g�owa Daty), kt�ry pozwoli, aby pocz�tkowa przyczyna (wprowadzenie kodu przez Picarda) w og�le mia�a miejsce. Je�li powy�sze rozumowanie jest niejasne, to co powiedzie� o najwi�kszym ze wszystkich paradoks�w czasowych, kt�ry pojawia si� w ostatnim odcinku serii Stor Trek: Nast�pne pokolenie. Picard zapocz�tkowuje w nim �a�cuch wydarze�, kt�re cofn� si� w czasie i unicestwi� nie tylko jego przodk�w, ale i ca�e �ycie na Ziemi. Dok�adniej, �podprzestrzenne zakrzywienie czasu� zwi�zane z �antyczasem� narasta wstecz w czasie, poch�aniaj�c w ko�cu zbudowan� z aminokwas�w protoplazm� na m�odej Ziemi, zanim jeszcze powstan� pierwsze proteiny - cegie�ki, z kt�rych zbudowane s� �ywe organizmy. Jest to jaskrawy przyk�ad skutku powoduj�cego przyczyn�. Zakrzywienie czasu powstaje w przysz�o�ci. Gdyby w odleg�ej przesz�o�ci podprzestrzenne zakrzywienie czasu zniszczy�o pierwsze �ywe organizmy na Ziemi, �ycie nigdy nie mog�oby si� rozwin�� i zbudowa� cywilizacji zdolnej do wytwarzania takich zakrzywie� w przysz�o�ci! Popularnym w�r�d wielu fizyk�w typowym rozwi�zaniem takich paradoks�w jest przyj�cie a priori, �e w racjonalnym wszech�wiecie, podobnym do tego, w kt�rym �yjemy, takie wydarzenia s� niemo�liwe. Problem polega na tym, �e r�wnania og�lnej teorii wzgl�dno�ci Einsteina nie tylko nie wykluczaj� takich mo�liwo�ci, lecz wr�cz je przewiduj�. W ci�gu trzydziestu lat bada� nad r�wnaniami og�lnej teorii wzgl�dno�ci znaleziono rozwi�zanie, w kt�rym wyra�nie pojawia si� mo�liwo�� podr�y w czasie. Jego autorem jest s�ynny matematyk Kurt Godel, kt�ry pracowa� razem z Einsteinem w Institute for Advanced Study w Princeton. M�wi�c j�zykiem Star Trek, rozwi�zanie to pozwala na stworzenie �czasowej p�tli przyczynowej�, analogicznej do tej, w jak� zosta� z�apany Enterprise po ataku Bozemana. Bardziej sucha terminologia wsp�czesnej fizyki okre�la to zjawisko jako �zamkni�t� krzyw� czasow��. Jakkolwiek je nazwiemy, wynika z niego mo�liwo�� podr�owania w czasie w obie strony i powracania do punktu wyj�cia zar�wno w przestrzeni, jak i w czasie! Rozwi�zanie God�a dotyczy wszech�wiata, kt�ry, w przeciwie�stwie do znanego nam, nie rozszerza si�, ale jednostajnie obraca. Okazuje si�, �e w takim wszech�wiecie w zasadzie mo�na cofn�� si� w czasie, zataczaj�c jedynie du�e ko�o w przestrzeni. Cho� ten hipotetyczny wszech�wiat dramatycznie r�ni si� od naszego, sam fakt, �e takie rozwi�zanie w og�le istnieje, wskazuje jasno, �e og�lna teoria wzgl�dno�ci dopuszcza podr�e w czasie. Istnieje pewna maksyma o Wszech�wiecie, kt�r� zawsze przekazuj� moim studentom: To, co nie jest jawnie zakazane, na pewno si� zdarzy, lub, jak powiedzia� Data w odcinku Wszech�wiaty r�wnolegle, maj�c na my�li prawa mechaniki kwantowej: �wszystkie zjawiska, kt�re mog� zaj��, zachodz��. S�dz�, �e w tym duchu nale�y podchodzi� do praw fizyki rz�dz�cych �wiatem Star Trek. Powinni�my rozr�nia� nie miedzy tym, co praktyczne, a tym, co niepraktyczne, lecz mi�dzy tym, co mo�liwe, a tym, co niemo�liwe. Fakt ten oczywi�cie nie pozosta� nie zauwa�ony przez samego Einsteina, kt�ry napisa�: �Problem [rozwi�zania] Kurta God�a [dopuszczaj�cego podr�e w czasie] niepokoi� mnie ju� podczas tworzenia og�lnej teorii wzgl�dno�ci i nie uda�o mi si� go wyja�ni�. [...] Interesuj�ce b�dzie rozwa�enie, czy rozwi�za� tych nie nale�y wykluczy� ze wzgl�d�w fizycznych�. Od tej pory wyzwaniem dla fizyk�w sta�o si� okre�lenie konsekwencji istnienia takich �fizycznych powod�w�, kt�re wyklucza�yby mo�liwo�� podr�y w czasie, przewidywanych przez r�wnania og�lnej teorii wzgl�dno�ci. Aby przedyskutowa� te problemy, b�dziemy musieli wyj�� poza klasyczny �wiat teorii wzgl�dno�ci i wkroczy� w mroczny obszar, gdzie mechanika kwantowa decyduje o naturze przestrzeni i czasu. Po drodze, podobnie jak Enterprise, napotkamy czarne dziury i tunele czasoprzestrzenne. Najpierw jednak musimy przenie�� si� w czasie do drugiej po�owy XIX wieku. Maria� przestrzeni i czasu, kt�ry og�osi� nadej�cie ery nowoczesno�ci, rozpocz�� si� wraz z po��czeniem zjawisk elektryczno�ci i magnetyzmu w 1864 roku. To niezwyk�e osi�gni�cie intelektualne, u podstaw kt�rego leg� wsp�lny wysi�ek takich wielkich fizyk�w, jak Andre-Marie Ampere, Charles-Augustin de Coulomb i Michael Faraday, zosta�o uwie�czone przez b�yskotliwego fizyka brytyjskiego Jamesa Gierka Maxwella. Odkry� on nie tylko, �e prawa elektryczno�ci i magnetyzmu s� ze sob� �ci�le zwi�zane, ale �e wynika z nich istnienie fal elektromagnetycznych, kt�re powinny porusza� si� w przestrzeni z okre�lon� pr�dko�ci�, wynikaj�c� ze znanych w�asno�ci elektryczno�ci i magnetyzmu. Pr�dko�� ta okaza�a si� r�wna pr�dko�ci �wiat�a, kt�r� zmierzono ju� wcze�niej. Od czas�w Newtona spierano si� o to, czy �wiat�o jest fal� - to znaczy przemieszczaj�cym si� w pewnym o�rodku zaburzeniem - czy te� cz�stk�, kt�ra podr�uje niezale�nie od obecno�ci o�rodka. Odkrycie fal elektromagnetycznych i tego, �e poruszaj� si� one z pr�dko�ci� �wiat�a, zako�czy�o t� debat�: �wiat�o okaza�o si� fal� elektromagnetyczn�. Ka�da fala jest po prostu przemieszczaj�cym si� zaburzeniem. Je�li �wiat�o to zaburzenie elektromagnetyczne, czym w takim razie jest o�rodek, kt�ry ulega zaburzeniu, gdy rozchodzi si� w nim fala? Pod koniec XIX wieku wiele uwagi po�wi�cono temu problemowi. O�rodek �w mia� ju� swoj� nazw� od czas�w Arystotelesa. Nazywano go eterem, ale wszystkie pr�by jego bezpo�redniego wykrycia ko�czy�y si� niepowodzeniem. W roku 1887 Albert A. Michelson i Edward Morley (pracuj�cy w instytucjach, kt�re po��czy�y si� w 1967 roku, tworz�c Case Western Reserve University - obecne miejsce mojej pracy) przeprowadzili eksperyment, gwarantuj�cy wykrycie nie tyle samego eteru, co efekt�w jego istnienia. Poniewa� przypuszczano, �e eter wype�nia ca�� przestrze�, Ziemia musia�a si� porusza� wzgl�dem niego. �wiat�o podr�uj�ce w r�nych kierunkach wzgl�dem kierunku ruchu Ziemi w eterze powinno zatem wykazywa� r�nice w pr�dko�ci. Eksperyment ten uwa�a si� obecnie za jeden z najwa�niejszych w ubieg�ym stuleciu, mimo �e Michelson i Morley nigdy nie zaobserwowali efektu, kt�rego poszukiwali. W�a�nie dlatego, �e nie uda�o im si� zaobserwowa� efektu ruchu Ziemi wzgl�dem eteru, pami�tamy dzi� ich nazwiska (A. A. Michelson zosta� pierwszym ameryka�skim laureatem Nagrody Nobla z fizyki za swoje badania eksperymentalne nad pr�dko�ci� �wiat�a, a ja czuj� si� zaszczycony, zajmuj�c obecnie pozycj�, kt�r� on piastowa� ponad sto lat temu. Edward Morley zas�yn�� jako chemik mi�dzy innymi dzi�ki wyznaczeniu masy atomowej helu). Negatywny wynik eksperymentu wywo�a� pewien niepok�j w�r�d fizyk�w, ale, jak w przypadku wielu prze�omowych odkry�, z jego implikacji zdawa�o sobie w pe�ni spraw� bardzo niewielu uczonych, kt�rzy zaczynali ju� zauwa�a� paradoksy zwi�zane z teori� elektromagnetyzmu. Mniej wi�cej w tym czasie pewien ucze� szko�y �redniej, kt�ry mia� osiem lat w chwili, gdy Michelson i Morley przeprowadzali sw�j eksperyment, spr�bowa� niezale�nie stawi� czo�o tym paradoksom. W 1905 roku, zanim sko�czy� 26 lat, Albert Einstein - bo o nim tu mowa - rozwi�za� ten problem. Ale jak to zwykle bywa, kiedy fizyka stawia wielkie kroki naprz�d, wyniki Einsteina stworzy�y wi�cej problem�w ni� rozwi�za�y. Rozwi�zanie Einsteina, kt�re stanowi j�dro szczeg�lnej teorii wzgl�dno�ci, wynika�o z prostego, cho� pozornie absurdalnego za�o�enia: jedynym sposobem na to, by teoria elektromagnetyzmu Maxwella pozosta�a sp�jna, by�o przyj�cie, �e obserwowana pr�dko�� �wiat�a jest niezale�na od pr�dko�ci obserwatora wzgl�dem �wiat�a. Problem polega na tym, �e stwierdzenie to ca�kowicie przeczy zdrowemu rozs�dkowi. Je�li z poruszaj�cego si� z pr�dko�ci� pulsacyjn� statku Enterprise wypuszczona zostanie sonda, obserwator na pobliskiej planecie zobaczy, jak przelatuje ona z pr�dko�ci� du�o wi�ksz� ni� ta, kt�r� zmierzy�by cz�onek za�ogi Enterprise patrz�cy przez okno statku. Einstein u�wiadomi� sobie jednak, �e teoria Maxwella mo�e by� nie-sprzeczna tylko wtedy, gdy fale �wiat�a zachowuj� si� inaczej: je�li ich pr�dko�� mierzona przez obydwu obserwator�w jest taka sama, niezale�nie od ich wzgl�dnego ruchu. Je�li wi�c wystrzel� wi�zk� fazera z dziobu Enterprise i b�dzie si� ona porusza�a z pr�dko�ci� �wiat�a w kierunku mostka romulanskiego statku Warbird, kt�ry sam zbli�a si� do Enterprise z pr�dko�ci� pulsacyjn� r�wn� 3/4 pr�dko�ci �wiat�a, obserwatorzy na wrogim statku zauwa��, �e wi�zka zbli�a si� do nich dok�adnie z pr�dko�ci� �wiat�a, a nie z pr�dko�ci� l i 3/4 ra�� wi�ksz�. Tego rodzaju problemy sprawiaj� trudno�ci wielu trekkerom, kt�rzy wyobra�aj� sobie, �e je�eli Enterprise porusza si� z pr�dko�ci� blisk� pr�dko�ci �wiat�a, a inny statek leci w przeciwnym kierunku z podobn� pr�dko�ci�, �wiat�o wys�ane z Enterprise nigdy nie dotrze do drugiego statku (a zatem Enterprise pozostanie dla niego niewidoczny). Sprawa wygl�da Jednak inaczej; obserwatorzy na drugim statku powinni dostrzec, �e �wiat�o z Enterprise zbli�a si� do nich z pr�dko�ci� �wiat�a. Nie to odkrycie jednak przynios�o Einsteinowi s�aw�. Znacznie wa�niejsze by�o to, �e chcia� on bada� wynikaj�ce z tego spostrze�enia wnioski, kt�re na pierwszy rzut oka wydawa�y si� absurdalne. W naszym codziennym do�wiadczeniu to czas i przestrze� sprawiaj� wra�enie absolutnych, natomiast pr�dko�� jest czym� wzgl�dnym: obserwowana pr�dko�� poruszaj�cego si� obiektu zale�y od tego, jak szybko si� poruszamy. Kiedy jednak zbli�amy si� do pr�dko�ci �wiat�a, to pr�dko�� staje si� wielko�ci� absolutn�, a wi�c przestrze� i czas musz� sta� si� wzgl�dne! Dzieje si� tak dlatego, �e pr�dko�� definiuje si� �ci�le jako odleg�o�� pokonan� w pewnym okre�lonym czasie. Tak wi�c jedynym sposobem, aby poruszaj�cy si� wzgl�dem siebie obserwatorzy mogli stwierdzi�, �e pojedynczy promie� �wiat�a przebywa wzgl�dem nich w ci�gu jednej sekundy t� sam� odleg�o�� - powiedzmy 300 milion�w metr�w - konieczne jest, aby ich �sekundy� lub ich �metry� r�ni�y si� mi�dzy sob�! Okazuje si�, �e szczeg�lna teoria wzgl�dno�ci wybiera rozwi�zanie najgorsze, to znaczy zar�wno sekundy, jak i metry staj� si� wielko�ciami wzgl�dnymi. Wychodz�c od prostego za�o�enia, �e pr�dko�� �wiat�a mierzona przez r�nych obserwator�w jest zawsze taka sama, niezale�nie od ich wzgl�dnego ruchu, Einstein wyci�gn�� nast�puj�ce wnioski na temat przestrzeni, czasu i materii: (a) Zdarzenia, kt�re dla danego obserwatora zachodz� w tym samym czasie i w dw�ch r�nych miejscach, nie musz� by� r�wnoczesne dla innego obserwatora, poruszaj�cego si� wzgl�dem pierwszego. Dla ka�dego z nich �teraz� znaczy co innego. Poj�cia �przed� i �po� s� wzgl�dne dla odleg�ych zdarze�. (b) Wszystkie zegary na statkach kosmicznych, kt�re poruszaj� si� wzgl�dem mnie, chodz� wolniej ni� m�j zegar. Czas zwalnia dla obiekt�w w ruchu. (c) Linijki znajduj�ce si� na statkach, kt�re poruszaj� si� wzgl�dem nas, wydaj� si� kr�tsze, ni� gdyby spoczywa�y w naszym uk�adzie odniesienia. Obiekty, ze statkami kosmicznymi w��cznie, ulegaj� skr�ceniu podczas ruchu. (d) Wszystkie obiekty maj�ce mas� staj� si� tym ci�sze, im szybciej si� poruszaj�. Gdy ich pr�dko�� zbli�a si� do pr�dko�ci �wiat�a, ich masa staje si� niesko�czona. Innymi s�owy, tylko obiekty pozbawione masy, takie jak �wiat�o, mog� porusza� si� z pr�dko�ci� �wiat�a. Nie b�d� tu opowiada� o wszystkich wspania�ych pozornych paradoksach, jakie pojawiaj� si� w teorii wzgl�dno�ci. Niech nam wystarczy to, �e - czy nam si� to podoba, czy nie - wszystkie cztery wnioski s� prawdziwe, zosta�y bowiem sprawdzone. Na pok�ad poruszaj�cych si� z wielkimi pr�dko�ciami samolot�w zabrano zegary atomowe i zaobserwowano, �e sp�niaj� si� one po powrocie w stosunku do swoich ziemskich odpowiednik�w. Na ca�ym �wiecie w laboratoriach fizyki cz�stek elementarnych konsekwencje szczeg�lnej teorii wzgl�dno�ci s� chlebem powszednim eksperymentator�w. Niestabilne cz�stki przyspiesza si� do pr�dko�ci bliskich pr�dko�ci �wiat�a, a ich mierzone czasy �ycia zwi�kszaj� si� wielokrotnie. Kiedy elektrony, kt�re w spoczynku maj� mas� 2000 razy mniejsz� ni� protony, przyspieszy si� do pr�dko�ci bliskich pr�dko�ci �wiat�a, nios� one p�d r�wnowa�ny p�dom ich ci�szych kuzyn�w. Elektron przyspieszony do pr�dko�ci r�wnej 0,9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999 pr�dko�ci �wiat�a uderzy�by Ci� z tak� sam� si��, jak jad�ca z przeci�tn� pr�dko�ci� ci�ar�wka. Oczywi�cie przyczyn�, dla kt�rej tak trudno jest nam wzi�� za dobr� monet� wnioski dotycz�ce wzgl�dno�ci przestrzeni i czasu, jest to, �e �yjemy i poruszamy si� z pr�dko�ciami znacznie mniejszymi ni� pr�dko�� �wiat�a. Ka�dy z wymienionych efekt�w staje si� zauwa�alny dopiero wtedy, gdy wchodz� w gr� pr�dko�ci relatywistyczne. Nawet przy pr�dko�ci r�wnej po�owie pr�dko�ci �wiat�a zegary zwalniaj�, a linijki kurcz� si� tylko o oko�o 15%. Na wahad�owcu NASA, kt�ry okr��a Ziemi� z pr�dko�ci� 8 km/s, zegary chodz� tylko o jedn� dziesi�ciomilionow� procenta wolniej, ni� ich odpowiedniki na powierzchni Ziemi. W �wiecie Enterprise lub innego statku kosmicznego, gdzie powszechne s� du�e pr�dko�ci, z wzgl�dno�ci� mieliby�my jednak do czynienia na co dzie�. Mo�na sobie wyobrazi� trudno�ci w zarz�dzaniu Federacj�, gdy konieczne by�oby zsynchronizowanie zegar�w na du�ym obszarze Galaktyki, zw�aszcza �e znaczna cz�� tych zegar�w porusza�aby si� z pr�dko�ci� blisk� pr�dko�ci �wiat�a. W wyniku tego w gwiezdnej flocie przyj�to jako regu��, �e normalne manewry, wykonywane przy u�yciu nap�du pulsacyjnego, b�d� ograniczone do pr�dko�ci 0,25c, czyli 1/4 pr�dko�ci �wiat�a: marnych 75 tysi�cy km/s. Nawet przy zastosowaniu tej zasady zegary na statkach podr�uj�cych z tak� pr�dko�ci� b�d� zwalnia�y o oko�o 3% w stosunku do zegar�w w Centrum Dowodzenia. Oznacza to, �e po miesi�cu podr�y zegary b�d� op�nione o prawie jeden dzie�. Gdyby po takiej podr�y Enterprise wr�ci� do Centrum Dowodzenia, na statku by�by pi�tek, a w bazie sobota. Przypuszczam, �e ta niedogodno�� nie sprawia�aby wi�kszego problemu ni� przestawianie zegark�w przy przekraczaniu mi�dzynarodowej granicy daty podczas podr�y na wsch�d, cho� w tym przypadku za�oga powr�ci�aby o jeden dzie� m�odsza, natomiast w trakcie podr�y na wsch�d i z powrotem zyskuje si� jeden dzie� jad�c w jednym kierunku, a traci si� go wracaj�c. Mo�emy si� teraz przekona�, jak istotny dla Enterprise jest nap�d czasoprzestrzenny. Pozwala on nie tylko obej�� zasad� nieprzekraczalno�ci pr�dko�ci �wiat�a i w ten spos�b efektywnie podr�owa� przez Galaktyk�, lecz tak�e unikn�� problem�w zwi�zanych z dylatacj� czasu, pojawiaj�c� si�, gdy statek porusza si� z pr�dko�ci� blisk� pr�dko�ci �wiat�a. Nie mo�na przeceni� tych fakt�w. Wielu autor�w fantastyki naukowej (a tak naprawd� wszyscy, kt�rzy marz� o podr�ach mi�dzygwiezdnych) traktuje zjawisko zwalniania chodu zegar�w w miar� zbli�ania si� do pr�dko�ci �wiat�a jako otwarcie mo�liwo�ci pokonywania olbrzymich odleg�o�ci mi�dzy gwiazdami w czasie �ycia ludzkiego - przynajmniej za �ycia os�b znajduj�cych si� na pok�adzie statku kosmicznego. Podr� z pr�dko�ci� blisk� pr�dko�ci �wiat�a do, powiedzmy, centrum naszej Galaktyki zaj�aby ponad 25 tysi�cy lat czasu ziemskiego. Dla os�b znajduj�cych si� na pok�adzie statku, gdyby porusza� si� on z pr�dko�ci� dostatecznie blisk� pr�dko�ci �wiat�a, podr� ta mog�aby trwa� kr�cej ni� 10 lat -czas d�ugi, ale do przyj�cia. Jednak nawet gdyby umo�liwi�o to odbywanie pojedynczych podr�y, z pewno�ci� nie pozwoli�oby na sprawne zarz�dzanie federacj� cywilizacji rozproszonych po ca�ej Galaktyce. Jak s�usznie przypuszczali tw�rcy Star Trek, fakt, �e dziesi�cioletnia podr� Enterprise odpowiada�aby okresowi 25 tysi�cy lat w Centrum Dowodzenia, zniweczy�by szans� jakiegokolwiek dzia�ania maj�cego na celu zorganizowanie i kontrolowanie ruchu wielu takich statk�w kosmicznych. Jest wi�c niezwykle istotne, aby: po pierwsze, unikn�� ograniczenia zwi�zanego z pr�dko�ci� �wiat�a i nie powodowa� dezorganizacji Federacji; po drugie, zastosowa� pr�dko�ci ponad�wietlne, by swobodnie przemieszcza� si� po Galaktyce. Szkopu� w tym, �e w ramach samej szczeg�lnej teorii wzgl�dno�ci tej ostatniej mo�liwo�ci nie mo�na zrealizowa�. Je�li dopu�ci si� pr�dko�ci ponad�wietlne, fizyka staje si� pe�na sprzeczno�ci. Nie bez znaczenia jest tu mi�dzy innymi to, �e poniewa� w miar� zbli�ania si� do pr�dko�ci �wiat�a wzrasta masa obiekt�w, potrzeba stopniowo coraz wi�cej energii, aby przyspieszy� je o coraz mniejsz� warto��. Jak w greckim micie o Syzyfie, kt�ry skazany by� na wtaczanie g�azu pod g�r� przez ca�� wieczno�� po to tylko, aby za ka�dym razem, gdy dociera� do szczytu, ponosi� kl�sk�, ca�a energia we Wszech�wiecie nie wystarczy�aby na to, aby przyspieszy� ziarnko piasku, nie m�wi�c ju� o statku kosmicznym, do pr�dko�ci ponad�w�etlnej. Na tej samej zasadzie nie tylko �wiat�o, ale ka�de bezmasowe promieniowanie musi przemieszcza� si� z pr�dko�ci� �wiat�a. Oznacza to, �e wiele rodzaj�w istot zbudowanych z �czystej energii�, jakie napotyka Enterprise, a p�niej Voyager, nie mog�oby istnie� w pokazanej postaci. Po pierwsze, nie mog�yby one pozostawa� w bezruchu. �wiat�o nie mo�e zwolni�, nie m�wi�c ju� o zatrzymaniu. Po drugie, zegary ka�dej inteligentnej, zbudowanej z energii istoty - na przyk�ad fotonowi osobnicy w serii Voyager, zbudowani z energii mieszka�cy ob�oku Beta Renna w serii Nast�pne pokolenie, Zetarianie w pierwszej serii, czy Dal�Rok w serii Stacja kosmiczna - kt�ra zmuszona jest porusza� si� z pr�dko�ci� �wiat�a, mia�yby niesko�czenie du�e op�nienie w stosunku do naszych zegar�w. Ca�a historia Wszech�wiata przebiega�aby dla niej w ci�gu kr�tkiej chwili. Gdyby zbudowane z energii istoty mog�y czegokolwiek do�wiadcza�, do�wiadcza�yby wszystkiego narazi Nie trzeba dodawa�, �e zanim skontaktowa�yby si� z istotami cielesnymi, te ostatnie ju� dawno by�yby martwe. Skoro m�wimy o czasie, my�l�, �e nadesz�a ju� pora, by zapozna� si� z manewrem Picarda. Jean-Luc zdoby� s�aw�, wprowadzaj�c t� taktyk�, gdy przebywa� na pok�adzie Stargazera. Chocia� dotyczy ona podr�y z pr�dko�ciami czasoprzestrzennymi, czyli ponad�wietlnymi, kt�re - jak dowodzi�em - s� niemo�liwe w ramach samej szczeg�lnej teorii wzgl�dno�ci, wymaga zastosowania takich pr�dko�ci tylko przez moment, tak �e nie przeczy temu, co do tej pory powiedzieli�my. W trakcie manewru Picarda, maj�cego na celu pomieszanie szyk�w atakuj�cemu statkowi wroga, przyspiesza si� w�asny statek na kr�tk� chwil� do pr�dko�ci czasoprzestrzennej. Jest on wtedy widoczny w dw�ch miejscach naraz. Dzieje si� tak dlatego, �e poruszaj�c si� przez moment szybciej ni� �wiat�o wyprzedza on promienie �wietlne, kt�re opu�ci�y go tu� przed uruchomieniem nap�du czasoprzestrzennego. Chocia� jest to b�yskotliwa strategia - i wydaje si� na razie ca�kiem sensowna (je�li zapomnimy na chwil� o tym, �e nie wiemy, czy mo�liwe jest osi�ganie pr�dko�ci czasoprzestrzennych) - wida� od razu, i� otwiera ona prawdziw� puszk� Pandory. Po pierwsze, zaniedbuje kwesti� podnoszon� przez wielu trekker�w przez lata: w jaki spos�b za�oga Enterprise mo�e �widzie� obiekty zbli�aj�ce si� do niej z pr�dko�ci� czasoprzestrzenn�? Podobnie jak Stargazera wyprzedzi� sw�j w�asny obraz, to samo uczyni� wszystkie obiekty podr�uj�ce z pr�dko�ci� czasoprzestrzenn�; obiekt poruszaj�cy si� z tak� pr�dko�ci� mo�na zobaczy� dopiero d�ugo po tym, jak przyb�dzie na miejsce. Mo�emy tylko przypuszcza�, �e kiedy Kirk, Picard czy Janeway chc� obejrze� obraz na ekranie, pojawia si� tam obraz uzyskany za pomoc� czujnik�w �podprzestrzennych� dalekiego zasi�gu (to znaczy komunikacji ponad�wietlnej). Nawet je�li przymkniemy oko na to wyra�ne przeoczenie, pokazany w Star Trek wszech�wiat, cho� niew�tpliwie ciekawy, by�by trudny do zarz�dzania - pe�en pozornych obraz�w obiekt�w, kt�re dawno temu dotar�y do celu, podr�uj�c z pr�dko�ci� czasoprzestrzenn�. Powr��my do �wiata pr�dko�ci mniejszych ni� pr�dko�� �wiat�a; nie uporali�my si� bowiem do ko�ca z Einsteinem. Jego s�ynny zwi�zek mi�dzy mas� a energi�, E = mc2, b�d�cy konsekwencj� szczeg�lnej teorii wzgl�dno�ci, stanowi kolejne wyzwanie dla podr�y mi�dzygwiezdnych z pr�dko�ciami pulsacyjnymi. Rakieta, jak opisa�em to w rozdziale pierwszym, wyrzuca materi� w ty�, aby porusza� si� do przodu. �atwo sobie wyobrazi�, �e im szybciej materia jest odrzucana w ty�, tym wi�ksze b�dzie pchni�cie w prz�d. Spaliny nie mog� jednak wydostawa� si� z pr�dko�ci� wi�ksz� ni� pr�dko�� �wiat�a. Nawet nadawanie im pr�dko�ci �wiat�a nie jest �atwe: jedynym na to sposobem jest u�ycie paliwa spreparowanego z materii i antymaterii, kt�re (o czym przekonamy si� w jednym z kolejnych rozdzia��w) mo�e zupe�nie anihilowa� i wytwarza� czyste promieniowanie poruszaj�ce si� z pr�dko�ci� �wiat�a. Chocia� nap�d czasoprzestrzenny w Enterprise wykorzystuje takie w�a�nie paliwo, nap�d pulsacyjny dzia�a na innej zasadzie. Jest on zasilany za pomoc� syntezy j�drowej - tych samych reakcji J�drowych, dzi�ki kt�rym wod�r przemienia si� w hel we wn�trzu S�o�ca. W reakcjach j�drowych w energi� zamienia si� oko�o 1% dost�pnej masy. Przy takiej energii wytwarzane atomy helu wydostaj� si� z ty�u ra