Spatiul si timpul distorsionate

In science fiction, spatiul si timpul distorsionate sunt o banalitate. Se foloseste pentru calatorii rapide in jurul galaxiei sau pentru a calatori in timp. Dar fictiunea stiintifica de astazi este adesea faptul stiintific de maine. Deci care ar fi sansele ca timpul si spatial sa se remodeleze.

Ideea ca timpul si spatiul pot fi curbate sau distorsionate este destul de recenta. Pentru mai mult de 2000 de ani, axiomele geometriei lui Euclid erau considerate evidente. Una din consecintele acestor axiome este aceea ca suma unghiurilor unui triunghi este de 180˚.

Cu toate acestea in ultimul secol oamenii au constatat ca erau posibile si alte forme de geometrie, in care suma unghiurilor unui triunghi nu trebuie sa fie 180˚. Consideram, de exemplu, suprafata Pamantului. Cel mai apropiat lucru ce seamana cu o linie dreapta pe suprafata Pamantului este un cerc perfect. Aceste cercuri sunt cele mai scurte cai intre 2 puncte, de aceea sunt rutele pe care liniile aeriene le folosesc.

Acum, sa consideram un triunghi pe suprafata Pamantului, format din Ecuator, linia de 0˚ longitudine,prin Londra si linia de 90˚ longitudine, prin Bangladesh. Cele 2 linii de longitudine intalnesc Ecuatorul intr-un unghi drept(90˚). De asemenea, ele se intalnesc una cu cealalta la Polul Nord intr-un unghi drept. In acest fel se obtine un triunghi cu 3 unghiuri drepte, a caror suma este de 270˚, mult mai mare decat suma unghiurilor unui triunghi pe o suprafata plana(180˚).

Daca s-ar desena un triunghi pe o suprafata in forma de sa se observa ca suma unghiurilor este mai mica de 180˚.

Suprafata Pamantului este un spatiu bidimensional, adica permite deplasarea pe 2 directii perpendiculare una pe cealalta: nord-sud si est-vest. Dar desigur, exista si a3-a directie in unghi drept fata de acestea doua: sus-jos. Acum putem spune ca suprafata Pamantului exista intr-un spatiu tridimensional. Spatiul tridimensional este plat, se supune geometriei Euclidiene. Totusi ne putem imagina o intrecere intre niste creature bidimensionale, care se pot misca pe suprafata Pamantului, dar care nu pot experimenta a3-a directie: sus-jos. Astfel ele nu ar sti despre spatiul tridimensional plat, in care suprafata Pamantului exista; pentru ele spatiul ar fi curbat, iar geometria non-Euclidiana.

Ar fi foarte dificil sa se schiteze o fiinta care ar putea exista in doua dimensiuni.

Mancarea pe care creatura nu ar putea sa o digere ar trebui sa iasa in acelasi mod in care a intrat. Daca ar fi o cale directa de trecere, bietul animal s-ar dezmembra.

Deci trei dimensiuni par a fi minimum de viata. Dar asa cum ne-am imaginat fiinte bidimensionale pe suprafata Pamantului, asa ne putem imagina ca spatiul tridimensional in care traim este suprafata unei sfere intr-o alta dimensiune pe care nu o vedem. Daca sfera ar fi fost foarte mare, spatiul ar fi aproape plat, iar geometria Euclidiana ar fi o aproximatie foarte buna pentru distante mici. Dar am constata ca pe distante mari geometria lui Euclid nu ar mai fi posibila. Ca o ilustratie la aceasta, ne imaginam o echipa de pictori, pictand suprafata unei bile mari. Cu cat grosimea stratului de vopsea creste, cu atat zona de suprafata creste. Daca bila ar fi intr-un spatiu tridimensional plat s-ar adauga vopsea indefinit, iar bila ar deveni din ce in ce mai mare. Cu toate acestea, daca spatiul tridimensional ar fi cu adevarat suprafata unei sfere in alta dimensiune, volumul sau ar fi mai mare dar finit. Pe masura ce se adauga mai multe straturi de vopsea, suprafata bilei creste si ar umple jumatate din spatiu. Dupa aceasta, pictorii ar descoperi ca sunt prinsi intr-o regiune in care marimea descreste mereu si aproape intreg spatiul este ocupat de bila si de straturile de vopsea. Asa ar stii ca traiesc intr-un spatiu curbat si nu unul plat.

Acest exemplu arata ca nimeni nu poate deduce geometria lumii din primele principii,exact cum predecesorii greci credeau. In loc de asta cineva trebuie sa masoare spatiul in care traim si sa-i afle geometria prin experimente. Oricum,germanii au fost cei care au descoperit o metoda prin care sa descrie spatiile curbate,George Friedrich Riemann,in 1854, dar aceasta demonstratie a ramas decat o bucata de matematica insirata pentru mai mult de 60 de ani! Ecuatia putea descrie spatii curbate care exista in abstract,dar acesta nu era un motiv pentru care noi sa credem ca spatiul fizic in care traim este curbat. Acest lucru a fost dovedit in anul 1915 cand Einstein a dovedit Teoria Generalizata a relativitatii.

Teoria generalizata a fost o revolutie intelectuala majora care a dat o noua idee cunostintelor noastre despre univers. Este nu numai teoria spatiilor curbate dar si a timpului. Einstein a demonstrate ca timpul si spatiul sunt in legatura una cu alta.Aceasta putea descrie locatia unui eveniment cu ajutorul a 4 numere. 3 numere descriu pozitia unui eveniment iar al 4 lea descrie timpul evenimentului. Asadar ne putem gandi la spatiu si timp ca la o entitate cvadridimensionala numita spatiu-timp. Fiecare punct din aceasta entitate este determinat de 4 numere care specifica pozitia lor in spatiu si timp. Comprimand spatiul si timpul intr-o singura entitate, lumea ar fi mai degraba triviala, daca cineva ar reusi sa le distinga intr-un mod unic. In orice caz intr-o lucrare remarcabila scrisa in 1905, Einstein a aratat ca timpul si pozitia la care cineva se gandeste ca s-ar putea intampla depinde de o alta persoana care este in miscare si poate schimba relativ coordonatele. Acest lucru arata ca timpul si spatiul sunt extreme de legate.

Daca 2 observatori ar fi pusi sa priveasca un lucru ,ei l-ar privi in mod diferit, dar acest experiment ar avea valoare numai daca cei doi observatori nu s-ar misca unul fata de celalat. Asa ca cineva s-ar putea intreba cam cat de rapid s-ar putea deplasa un observator ca timpul pentru celalat observator sa se miste in sens invers? Raspunsul este dat de urmatoarea lozinca:

"Era o tanara fata din Wight

Care calatorea mult mai rapid ca lumina,

Ea a plecat intr-o zi

Intr un mod relativ

Si a ajuns cu o seara inainte sa fi plecat."

Asa ca tot ce ne trebuie ca sa putem calatori in timp este o nava spatiala care ar putea merge mai repede ca viteza luminii. Din pacate Einstein a demonstrate ca pentru a putea exista o astfel de nava, ar trebui sa existe o putere infinita care sa accelereze nava pana la o viteza mai mare de viteza luminii.

Demonstratia lui Einstein din 1905, parea sa fie raspunsul tuturor intrebarilor legate de timp si spatiu din trecut. Ea a aratat ca pentru a putea calatori printre stele este nevoie de foarte mult timp. Pentru ca nu ne putem apropia de viteza luminii calatoria catre cea mai apropiata stea ar dura 8 ani si catre centrul galaxiei cel putin 80000de ani. Daca o nava s-ar apropia de viteza luminii astronautii ar considera ca o calatorie pana in centrul universului ar dura doar cativa ani, dar atunci cand s-ar intoarce ar realiza ca apropiatii lor au murit de mii de ani.

In lucrarea sa din 1915, Einstein a aratat ca efectele gravitatiei ar putea fi descrise numai considerant timpul si spatial distorsionate de materia si energia din ele. Putem observa o astfel de distorsionare realizata de masa soarelui in mica bucla a razelor de lumina si a undelor ce trec aproape de el. Acest lucru cauzeaza o iluzie a pozitiei unei stele sau a unei unde radio cand soarele se afla intre Pamant si acea sursa. Decalajul este foarte mic aproximativ a mia parte dintr-un grad, echivalent cu miscarea unui inch pe o distanta de o mila. In orice caz poate fi masurat cu precizie si este o verificare a teoriei relativitatii. Cantitatea distorsionata din apropierea noastra este foarte mica deoarece toate campurile gravitationale din sistemul noatru solar sunt slabe. Campuri de materie ar putea aparea,de exemplu in Big Bang sau gauri negre. Asa ca, spatiul si timpul pot fi comprimate in asa fel incat sa poata satisface cerintele science finction, pentru lucruri ca o calatorie in hyper spatiu, gauri de viermi sau calatorii in timp. La o prima vedere ar fi posibil.In 1948 Kurt Goedel a gasit o solutie printr-o ecuatie a campurilor din Teoria Relativitatii care prezinta un univers in care toata material se roteste. In acest univers ar fi posibil sa calatorim intr-o nava spatiala si sa ne intoarcem inainte de a fi plecat. Goedel a facut multe cercetari si a devenit faimos prin faptul ca a demonstrat ca nimic din ce este adevarat nu poate fi demonstrate chiar si cel mai exact lucru ca matematica.

Stim acum ca solutia lui Goedel nu putea reprezenta universul in care traim deoarece acesta nu se dilata. De asemenea avea o valoare cat se poate de apropiata de o marime numita constanta cosmologica, care este considerate 0.

Cu toate acestea, alte solutii aparent mai rezonabile care permit calatoria in timp, au fost descoperite de atunci. O solutie interesanta contine 2 corzi cosmice ce se misca una langa alta la o viteza aproape de cea a luminii. Corzile cosmice sunt o remarcabila idee a fizicii teoretice, de care scriitorii de science fiction nu par a fi interesati. Dupa cum numele sugereaza, sunt ca niste corzi, adica au lungime, dar sectiunea lor transversal este micuta. De fapt, sunt asemanatoare cu niste benzi de cauciuc, pentru ca sunt sub o tensiune enorma, asemanatoare cu sute de miliarde de miliarde de miliarde de tone. O coarda cosmica atasata Soarelui ar accelera`o pana la 60 de mile pe ora intr-o treizecime de secunda.

Corzile cosmice pot suna cam exagerat si pur science fiction, dar sunt bune motive stiintifice sa credem ca s-ar fi putut forma in universul timpuriu, cu putin timp dupa Big Bang. Pentru ca sunt sub asa de mare tensiune, ne putem astepta ca ele sa accelereze pana aproape de viteza luminii.

Ceea ce universul lui Goedel si corzile cosmice au in comun este aceea ca pornesc atat de distorsionate si curbate, incat calatoria in trecut ar fi posibila. "Dumnezeu s-ar putea sa fi creat un univers atat de amestecat, dar nu avem nici un motiv sa credem ca asa a fost Hawking). Singura dovada este ca universul a inceput cu Big Bang fara distorsiunea necesara care ar permite calatoria in trecut. Dupa cum nu putem schimba modul in care universul a inceput intrebarea "daca este posibila calatoria in timp" devine "daca putem ulterior construi spatiul si timpul atat de distorsionate incat sa ne putem intoarce in trecut'.

Profesorul Hawking crede ca este un subiect foarte important pentru cercetari, dar cel ce se incumeta trebuie sa fie atent sa nu fie etichetat un excentric. Daca cineva ar face o cercetare despre calatoria in timp pentru o cerere de bursa la locul de munca, probabil ar fi concediat imediat. Nici o agentie guvernamentala nu-si permite sa fie vazuta cheltuind bani publici pe ceva atat de avansat cum ar fi calatoria in timp. In schimb, ar putea folosi termini tehnici, cum ar fi "timp ingradit asemenea curbelor", care sunt coduri pentru calatoria in timp. O intrebare des aparuta este aceea daca Relativitatea Generala permite calatoria in timp, o permite in universul nostru? Si daca nu, de ce?

Strans legata de calatoria in timp este abilitatea de a calatori rapid de la o pozitie in spatiu la alta. Dupa cum am spus mai devreme, Einstein a aratat ca ar fi necesara o cantitate infinita a puterii rachetei pentru a accelera o nava spatial peste viteza luminii. Deci singura cale de a trece dintr-o parte a galaxiei in cealalta, intr-un timp rezonabil, ar fi posibil daca am putea remodela spatiul si timpul atat de mult, pana am fi creat un tub mic sau o gaura de vierme. Astfel, ar putea fi legate cele doua parti ale galaxiei, purtandu-se ca o scurtatura, pentru a ajunge intr-o parte si inapoi cat timp prietenii de pe Pamant sunt inca in viata. Aceste gauri de vierme au fost sugerate ca fiind printre capacitatile unei viitoare civilizatii. Dar daca calatoresti dintr-o parte a unei galaxii in cealalta, intr-o saptamana sau doua, s-ar putea sa treci printr-o alta gaura de vierme si sa ajungi inapoi inainte de a pleca. Se poate calatori inapoi in timp cu o singura gaura de vierme, daca cele doua margini ale sale se misca interdependent.

Pentru a crea o gaura de vierme este necesar sa se remodeleze spatiul si timpul in directia opusa celei in care material le distorsioneaza in mod normal. Materia obisnuita curbeaza spatiul si timpul convex, asemenea suprafetei Pamantului.

Totusi, pentru a crea o gaura de vierme este nevoie de materie care modeleaza spatiul si timpul in directia opusa, asemenea unei sei.

De asemenea se aplica pentru oricare alta metoda de distorsiune a spatiului si timpului care permite calatoria in trecut, daca universul nu ar fi fost inca de la inceput atat de intortocheat pentru a permite aceasta. Astfel o alta metoda ar fi folosirea unei materii cu masa negativa si densitatea energiei negativa.

Energia este asemanatoare cu banii. Daca ai o balanta bancara pozitiva o poti distribui in diferite moduri. Dar conform legilor clasice in care s-a crezut pana de curand, nu aveai voie sa ai o energie negativa. Aceste legi clasice ne-au eliminat posibilitatea de a remodela universul in modul necesar calatoriei in timp.

Cu toate acestea, legile clasice au fost rasturnate de Teoria Cuantica, care este cealalta mare descoperire la imaginea noastra despre univers, pe langa Relativitatea Generala. Ea permite densitatii energiei sa fie negativa in anumite locuri, cu conditia sa fie pozitiva in altele.

Motivul pentru care teoria cuantica permite densitatii energiei sa fie negativa este acela ca este bazata pe principiul nesigurantei.

Principiul incertitudinii

Cu cat pozitia unui obiect este mai bine definita cu atat viteza sa poate fi mai neprecis definita si vice-versa.

Acesta spune ca daca avem cantitati sigure(precise) pozitia si viteza unei particule sunt valori definite. Cu cat avem pozitia unei particule mai certa si mai exacta cu atat viteza sa poate fi definita mai greu. Acest principiu al nesigurantei se aplica si campurilor ca cel electro-magnetic sau gravitational. Acest lucru implica faptul ca coordonatele unui camp nu pot avea niciodata valoarea 0, chiar daca ne gandim la un spatiu vid. Pentru ca daca ar fi avut valori nule amandoua ar fi avut o pozitie bine definite si o viteza bine definite(care in cazul principiului este 0); dar acest lucru vine in contradictie cu teoria precedenta si de aceea s-a demonstrate ca exista de fapt un minim de fluctuatie al valorilor. Se cunosc ca fiind asa numitele fluctuatii ale vidului,ca fiind perechi de particule si antiparticule, care se unesc apoi se despart, iar se unesc anihilandu-se unele pe altele. Aceste perechi de particule-antiparticule sunt virtuale deoarece ele nu se pot masura cu un detector de particule.Dar li se pot observa efectele indirect prin experimentul Casimir.

Dispozitivul Casimir are 2 bucati de metal paralele, despartite de o mica distanta. Acestea actioneaza ca doua oglinzi pentru antiparticule si particule. Rezultatul este ca sunt mai putine fluctuatii ale vidului,sau particule virtuale, intre bucatile de metal decat in afara lor, unde fluctuatiile vidului pot avea orice lungime de unda. Reducerea numarului de particule dintre cele doua bucati inseamna ca ele nu lovesc atat de des peretele de unde rezulta ca nu exercita o presiune mare intre cele doua portiuni presiunea de afara fiind mult mai mare. Asadar exista o mica forta care impinge placile si ea a fost masurata experimental,deci particulele virtuale chiar exista si produc efecte reale. Pentru ca sunt doar cateva particule virtuale si fluctuatii ale vidului intre cele 2 portiuni plate ele au o energie mai mica decat in regiunile din afara. Dar densitatea energiei spatiului vid indepartat de placi, trebuie sa fie 0. Altfel spatiul si timpul ar fi distorsionate si universul nu ar mai fi aproape plat, asa ca energia dintre cele 2 portiuni plate trebuie sa ia o valoare negativa in cazul experimentului Casimir.

Asadar am demonstrat experimental prin devierea undei luminoase, ca spatiul si timpul sunt curbe, si confirmarea din efectul Casimir, ca le putem distorsiona in directia negativa. Asa ca este posibil ca odata cu avansul nostru in stiinta si tehnologie sa putem fi capabili sa construim o gaura de vierme ori sa distorsionam timpul si spatiul prin alte cai, ca sa putem fi capabili sa calatorim in timp. Daca chiar vom reusi se vor pune mii de intrebarii, vor exista enigma, de exemplu: Daca noi in viitor invatam sa calatorim in timp de ce nimeni din viitorul nostru nu s-a intors in trecut ca sa ne explice si noua cum sa facem.

Chiar daca ar exista motive pentru care sa ne tina in ignortanta si nestiinta, natura umana fiind ceea ce este, e greu de crezut ca nimeni nu s-ar fi aratat sa ne spuna cat de intarziati si nestiutori suntem in secretele timpului. Bineinteles unii oameni ar crede ca suntem vizitati de OZN- uri si ca guvernul ar pune la cale o conspiratie enorma pentru a acoperi urmele lor si tin pentru ei cunostintele stiintifice pe care acesti vizitatori le aduc.

Daca asa este ca guvernul face o treaba proasta in incercarea de a extrage informatiile de la vizitatorii extraterestrii. Dar de indata ce admiti ca unele dintre ele sunt greseli sau halucinatii nu e mai probabil ca toate sa fie , decat ca suntem vizitati de oameni din viitor sau din partea cealalta a galaxiei? Daca intr-adevar vor sa colonizeze Pamatul sau sa ne previna de vreun eventual pericol, sunt destul de ineficienti. O metoda posibila de a impaca calatoria in timp cu faptul ca noi nu parem sa avem vizitatori din viitor, ar fi sa zicem ca asta s-ar intampla numai in viitor. In aceasta situatie, unii ar spune ca spatiul-timpul in trecut ar fi fix, pentru ca l-am observat deja, si se pare ca nu este distorsionat indeajuns incant sa permita calatoria in trecut. Pe de alta parte, viitorul este deschis. Deci ar putea fi posibil sa il distorsionam indeajuns incat sa putem calatori in timp. Dar pentru ca putem distorsiona spatiul-timpul numai in viitor, n-am putea sa calatorim in timp inapoi in prezent sau mai devreme.

Dar totusi ar fi o multitudine de paradoxuri. Sa presupunem ca ar fi posibil sa decolam cu o racheta si sa ne intoarcem inainte sa fi decolat. Ce te-ar putea impiedica sa distrugi racheta pe rampa de lansare, sau mai bine zis sa te impiedici sa pleci. Sunt mai multe versiuni ale acestui paradox, cum ar fi sa te duci inapoi in timp si sa-ti omori parintii inainte de a te fi nascut, dar sunt esential echivalente. Se pare ca sunt posibile doua rezolutii:

Una dintre ele, ceea ce profesorul Hawking ar denumi conceptia istoriilor consistente. Spune ca cineva trebuie sa gaseasca o solutie consistenta a ecuatiilor fizicii chiar daca spatiul-timpul ar fi atat de distorsionat incat sa permita calatoria in trecut. In aceasta situatie, n-am putea decola cu racheta in trecut, daca n-am fi venit deja inapoi si am esua sa distrugem rampa de lansare. E o imagine consistenta, dar ar implica ca am fi complet determinati: nu ne-am putea schimba mintile. Adio liber-arbitru. Cealalta posibilitate ar fi ceea ce se numeste, conceptia istoriilor alternative. A fost sustinuta de fizicianul David Deutsch, si se pare ca este ceea ce Steven Spliberg a avut in minte cand a filmat "Inapoi in viitor".

In aceasta situatie, intr-o istorie alternativa, n-ar fi nicio intoarcere din viitor inainte ca racheta sa decoleze, si deci nicio posibilitate ca aceasta sa fie distrusa. Dar cand calatorul se intoarce din viitor, intra intr-o istorie alternativa. In aceasta, rasa umana face eforturi enorme pentru a construi o nava spatiala, dar chiar exact inainte sa fie lansata, o alta nava spatiala apare din cealalta parte a galaxiei si o distruge.

David Deutsch pretinde suport pentru conceptia istoriilor alternative din insumarea notiunilor de istorii, introdusa de fizicianul. Richard Feinman, care a murit acum cativa ani. Ideea este ca, conform Teoriei Cuantice, universul nu are doar o singura istorie.

In schimb, universul are fiecare istorie cu probabilitatile ei. Trebuie sa fie o istorie posibila in care Orientul Mijlociu este in pace, desi probabilitatea este mica.

In unele istorii spatio-temporalul va fi atat de distorsionat, incat obiecte ca rachetele vor fi capabile sa calatoreasca in trecutul lor. Dar fiecare istorie este completa si independenta, descriind nu numai spatio-temporalul curbat dar si obiectele din el.

Asa ca o racheta nu se poate transfera intr-o istorie alternativa daca ea se intoarce inapoi. Este inca in aceeasi istorie care trebuie sa fie logica. Asadar, in ciuda celor ce Deutsch

pretinde, rezumatul ideii de istorie suporta ipoteza istoriilor consistente

mai mult decat ideea istoriilor alternative.

Astfel se pare ca suntem prinsi cu imaginea istoriilor consistente. Totusi, aceasta nevoie nu implica probleme cu determinismul sau liberul arbitru, daca probabilitatile sunt mici, pentru istoriile in care spatiul-timpul este atat de distorsionat incat calatoria in timp sa fie posibila peste o regiune macroscopic.

Se pare ca ceea ce se intampla, e ca atunci cand spatio-temporarul se distorsioneaza aproape destul pentru a permite calatoria in timp, particule virtuale aproape pot deveni particule reale, urmand traiectorii inchise. Densitatea particulelor virtuale, si energia lor, devine foarte mare. Asta inseamna ca probabilitatea acestor intamplari e foarte scazuta. Totusi se pare ca ar putea fi o Angentie de Protectie a Cronologiei la lucru, care face lumea sigura pentru istorici. Dar acest subiect al distorsionarii spatiului si timpului este inca la inceput. Confortm teoriei sforii

care este cea mai buna sansa a noastra pentru a uni Relativitatea Generala si Teoria Cuantica intr-o Teorie a Totului, spatiul si timpul ar avea probabil 10 dimensiuni, nu doar 4 cate cunoastem. Ideea este ca 6 din aceste 10 dimensiuni sunt incolacite intr-un spatiu atat de mic incat nu-l observam. Pe de alta parte, cele 4 directii ramase sunt perfect plate, si sunt ceea ce noi numim spatio-temporar. Daca imaginea este corecta, ar fi posibil sa putem aranja cele 4 directii plate cu cele 6 directii ondulate sau distorsionate. La ce-ar putea da nastere, nu stim inca.Dar deschide posibilitati incitante.

Concluzia acestei lucrari este ca rapida calatorie in spatio-temporal, sau calatoria inapoi in timp nu pot fi excluse, in aceste conditii. Ar provoca mari probleme logice, asa ca sa speram ca exista o Lege de Protectie a Cronologiei, care sa previna oamenii sa mearga inapoi in timp si sa ne omoare parintii. Dar fanii Stiintifico fantascicului nu trebuie sa-si piarda speranta. Exista inca speranta in teoria sforii