Cestování časem: Co na tuto možnost říká relativistická fyzika a kvantová mechanika?

Čas a jeho neodvratnost fascinují člověka odpradávna. Co však čas přesně znamená? Jak souvisí s fungováním vesmíru? A především: Bylo by možné nějak narušit jeho věčné plynutí a přesunout se v něm jinam? Co bychom k tomu potřebovali?

Představu stroje, jehož pomocí by se dalo doopravdy cestovat mezi budoucností, současností a minulostí, zpopularizoval ve své novele Stroj času z roku 1895 anglický spisovatel Herbert George Wells. Od té doby tvoří rozmanitá zařízení uvedeného druhu běžnou rekvizitu vědecké fantastiky. Cestování v čase očividně přináší zábavné, nebo naopak děsivé situace, jimž hrdinové takových příběhů čelí.

Co na to věda?

V současnosti není jasné, zda bude někdy fyzicky možné cestovat do minulosti. Pokud by k tomu došlo, budou viset ve vzduchu vážné potíže ohledně kauzality – velmi základního vztahu mezi příčinou a následkem, na němž staví věda a v podstatě celé naše vnímání reality. Na druhou stranu je například kvantová mechanika známá tím, že si s podobnými principy nedělá příliš těžkou hlavu. Nelze vyloučit, že se v daném směru dočkáme nějakých překvapení.

Naproti tomu cestování do budoucnosti představuje vlastně běžně pozorovaný a rozsáhle zkoumaný fenomén z oblasti speciální a obecné relativity, v souvislosti s dilatací času. Dokonce víme, jak takové cesty dosáhnout, limitují nás ovšem technologické možnosti. Při rychlostech, které dokážou vyvinout nejvýkonnější stroje dneška, se lidé dostanou do budoucnosti vzdálené pouhé zlomky sekundy.

Podivuhodné zpomalení 

Teorie relativity počítá s tím, že se za určitých okolností relativně zpomaluje čas objektu vzhledem k pozorovateli. Podle speciální teorie relativity se uvedené týká objektů, jež se pohybují značnou rychlostí, a obecná relativita k tomu přidává objekty v silnějším gravitačním poli.

Dilataci času už prokázala celá řada pozorování a experimentů. Mezi nejslavnější patří osud mionů, nestabilních elementárních částic ze skupiny leptonů. Jde vlastně o masivní bratrance elektronů, vznikající v horních vrstvách atmosféry při nárazech vysokoenergetických částic kosmického záření.

Miony se za 2,2 mikro­sekundy zase rozpadnou a vlastně bychom je na zemském povrchu neměli detekovat – ale díky dilataci času to stihnou. Čas mionu běží oproti tomu našemu o něco pomaleji: Pomocí časové dilatace cestuje částice do budoucnosti, a proto doletí až na zem.

Pokud jde o cestování směrem do minulosti, i k tomu má vlastně Einstein co říct. Ve spletitých řešeních rovnic obecné relativity lze najít mnohé podivné věci, včetně návratu v čase. Problém spočívá v tom, že taková řešení obvykle vyžadují velmi exotické okolnosti, jako je například rotující černá díra. V teoretické fyzice má dokonce určitou omezenou podporu koncept cestování do libovolného bodu v časoprostoru. Typicky to souvisí buď s červími dírami, nebo s kvantovou mechanikou.

Fyzikální hrátky s časem

Některá řešení Einsteinových rovnic obecné relativity naznačují, že by cestování do budoucnosti i do minulosti mohly umožňovat určité vhodné geometrie časoprostoru nebo specifické typy pohybu prostorem, jsou-li ovšem takové geometrie či pohyby reálně uskutečnitelné. Fyzici se k danému problému stavějí podobně jako k ostatním, tedy spíš technicky. V teoretických studiích řeší, zda mohou existovat tzv. uzavřené časupodobné křivky neboli světočáry. Jde o množiny bodů v prostoročasovém diagramu, vyjadřující historii umístění událostí v prostoru a v jakémkoliv časovém okamžiku, které by mohly v časoprostoru vytvářet uzavřené smyčky. Takové světočáry by umožnily objektům vrátit se do jejich vlastní minulosti.

V současné době víme, že existují řešení rovnic obecné relativity, která popisují časoprostor a také obsahují uzavřené časupodobné křivky, jako je například Gödelův časoprostor. Kvůli jejich exotickým předpokladům však není jasné, zda jsou taková řešení fyzikálně možná.

Dědečkův paradox

Fyzici mají rovněž neustále na paměti, že každá teorie či koncept, které by umožnily cestu do minulosti, by zároveň mohly způsobit problémy s kauzalitou. Klasický příklad nabízí tzv. dědečkův paradox, kdy se někdo vrátí do minulosti a způsobí smrt svého předka – často dědečka – dřív než by mohlo dojít k vlastnímu početí cestovatele. V důsledku ovšem dotyčný nemůže existovat, natož aby cestoval v čase a někoho zabíjel…

Někteří vědci zas prezentovali nápady, jak se časovým paradoxům úspěšně vyhnout. Teoretický fyzik a kosmolog Igor Novikov vymyslel řešení, nazývané dnes Novikovův princip vlastní konzistence: Podle něj není možné, aby nějaký časový paradox vznikl, protože vesmír si to „nějak ohlídá“. Situace vždy dopadne tak, že k paradoxu z nějakého důvodu nedojde.

Další možnost nabízí mnohosvětová interpretace kvantové mechaniky amerického fyzika Hugha Everetta III, podle níž se kosmos při každém kvantovém ději větví, a neustále tak vzniká ohromující množství paralelních vesmírů. V nich se pak odrazí všemožné výsledky takového děje, což se týká i cestování v čase. Dotyčný se díky své cestě ocitne v novém paralelním vesmíru a vše, co udělá, se projeví pouze tam – nikoliv v jeho původním kosmu. Nemůže tedy změnit vlastní minulost, ale vytváří novou historii ve zmíněném paralelním vesmíru.

Cestování s obecnou relativitou

V rámci obecné relativity je teoreticky možné cestovat časem v některých exotických a dosud vesměs hypotetických geometriích časoprostoru, jež umožňují přesuny vyšší rychlostí, než je rychlost světla. Jde například o kosmické struny, podivuhodné jednorozměrné topologické defekty v podobě nesmírně hustých trubic o průměru protonu, které – pokud existují – se utvořily v raném vesmíru. Dále se jedná o průchozí červí díry nebo mechanismy jako Alcubierrův pohon, což je v podstatě warpový pohon, jenž vznikl rovněž jako řešení rovnic obecné relativity a staví na ohýbání časoprostoru.

Obecná relativita v zásadě nevylučuje cestování do minulosti, i když jde o velmi neobvyklé scénáře. Podle některých názorů je však docela dobře možné, že s budoucí kompletní teorií všeho, jež sloučí obecnou relativitu s kvantovou mechanikou, dnešní nejasnosti zmizí a ve fyzice se definitivně uzavřou teoretické základy pro cestování v čase. Nicméně teorie všeho zatím nevznikla a obecná relativita s kvantovou mechanikou nadále představují nesmiřitelné protiklady.

Geometrie časoprostoru

Obecná relativita popisuje vesmír soustavou komplikovaných Einsteinových rovnic gravitačního pole. Geniální fyzik je publikoval v roce 1915, tedy před sto deseti lety, a přesto stále dokážou dostat vědce do varu. Když je někdo řeší, jako by popisoval celý vesmír. Vzhledem k jejich složité a poněkud neurčité povaze existuje mnoho různých řešení, která se více či méně blíží světu, jak jej známe.

Pokud řešení Einsteinových rovnic obsahuje uzavřené časupodobné křivky – tedy již zmíněné světočáry, které protínají samy sebe – znamená to, že je určitý bod v budoucnosti současně bodem v minulosti, což odpovídá cestování v čase. Jedno takové řešení navrhl brněnský rodák, slavný fyzik a matematik Kurt Gödel: Tzv. Gödelův vesmír však staví na předpokladech, jež se při současném stavu poznání kosmu podle většinového názoru jeví jako nepravděpodobné.

Prolézání červí dírou

V Einsteinových rovnicích se ukrývají i takové věci jako průchozí červí díry. Jde opět o zatím zcela hypotetické objekty, které by měly vzniknout zkroucením časoprostoru tak, aby červí dírou mohlo něco projít z jedné strany na druhou, na místo vzdálené v prostoru nebo i v čase. Podle současných teorií by vytvoření takového objektu vyžadovalo velmi exotickou hmotu se zápornou energií nebo se zápornou hustotou energie. Ta by měla narušovat obvyklé formální předpoklady o energii, jež vyplývají z obecné relativity a odrážejí představu, že by hustota energie v kosmu neměla být záporná.

Zní to jako neřešitelná situace, nicméně zmíněné předpoklady o energii nejsou samy o sobě fyzikálně danou zákonitostí, ale spíš jakýmsi matematickým doporučením. Ve skutečnosti už dnes víme o celé řadě případů, kdy se daná doporučení o energii rozcházejí s pozorovanou fyzikální realitou.

K malým, ale měřitelným porušováním předpokladů o energii dochází díky kvantovým jevům. Na základě toho se řada fyziků domnívá, že by zápornou energii nezbytnou pro výrobu červí díry mohl zpřístupnit proslulý Casimirův jev. Jedná se o projev existence párů virtuálních částic, které se zjevují jako přízraky ve vakuu v souvislosti s kvantovou teorií pole. A přestože původní výpočty naznačovaly, že by si konstrukce červí díry vyžádala ohromné množství záporné energie, dle pozdějších analýz by jí nemuselo být tolik.

Kam se všichni poděli?

Mnozí lidé jsou vůči cestování v čase velmi skeptičtí z jednoho prostého důvodu: Zatím jsme ještě nenarazili na nikoho z budoucnosti, kdo by přesvědčivě prokázal, že se vrátil v čase. Naznačuje to existenci nějakého zásadního problému. Nejjednodušší vysvětlení přitom zní, že cestování časem prostě není technologicky možné. A ve skutečnosti si lze vymyslet celou řadu důvodů, proč se to kolem nás cestovateli z budoucnosti jen nehemží.

Podle amerického astronoma, astrofyzika a popularizátora vědy Carla Sagana se možná cestování v čase používá velice obezřetně, nenápadně a takoví cestovatelé se před námi úspěšně skrývají. Některé interpretace obecné relativity zas počítají s tím, že je cestování v čase možné pouze za velmi specifických podmínek, jež zahrnují oblasti časoprostoru výrazně ovlivněné extrémními gravitačními poli.

V uvedených scénářích se objevuje předpoklad, podle nějž by měli být cestovatelé v čase omezeni tím, že se nemohou pohybovat do minulosti dál než do doby, kdy se taková gravitačně výrazně ovlivněná oblast časoprostoru objevila.

Frustrující nedostatek podobných cestovatelů již vedl k několika experimentům, kdy někdo uspořádal akci, na niž dostali pozvánku výslovně právě cestovatelé v čase (viz Večírek bez hostů). Popsané akce se intenzivně inzerovaly v médiích, aby se o nich co nejvíc vědělo a informace o nich se mohly dostat i do vzdálenější budoucnosti. Nicméně ani na jednu z nich žádný cestovatel v čase nedorazil.

Ostatně jestli platí Everettova mnohosvětová interpretace kvantové mechaniky, tito cestovatelé mizí v paralelních vesmírech a my se s nimi nejspíš nesetkáme.