U SF SPEKTAKLU Interstellar, nakon što kuću bivšeg NASA-inog pilota Josepha Coopera pogodi pješčana oluja, u prašini na podu sobe njegove kćeri Murph pojavljuju se neobični uzorci. Murph misli da je za to odgovoran nekakav duh, no njezin otac shvaća da uzorci kriju poruku u obliku binarnih koordinata.

Godinama kasnije pokazat će se da je te poruke iz budućnosti slao sam Cooper. Naime, on je nakon prolaska kroz crvotočinu završio u tzv. teseraktu, višedimenzionalnom prostoru u kojem je pomoću gravitacije mogao utjecati na prošlost i svojoj kćeri slati informacije kroz vrijeme.

Zbog dilatacije vremena, pojave u kojoj vrijeme sporije prolazi za objekte koji se kreću iznimno velikim brzinama ili se nalaze u snažnom gravitacijskom polju, na Zemlji su prošle godine dok je za Coopera prošlo tek nekoliko sati jer se tijekom misije nalazio u blizini supermasivne crne rupe Gargantue.

Ovakav zaplet odličan je materijal za SF film, međutim, nova istraživanja kvantne fizike sugeriraju da slanje informacija unatrag kroz vrijeme možda i nije potpuno nemoguće, barem hipotetski.

Naravno, treba imati na umu da je znanstveni savjetnik za film Interstellar bio poznati fizičar Kip Thorne, jedan od vodećih svjetskih stručnjaka za crne rupe, gravitaciju i opću teoriju relativnosti.

Kako bi izgledala vremenska petlja?

Naime, Einsteinova opća teorija relativnosti dopušta mogućnost postojanja vremenskih petlji poznatih kao closed timelike curve (CTC).

CTC je hipotetska putanja kroz prostor-vrijeme koja objekt ili informaciju može vratiti u vlastitu prošlost. Najlakše ju je zamisliti kao kružnu cestu kroz vrijeme. U Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti prostor i vrijeme nisu odvojeni, nego čine jedinstvenu cjelinu zvanu prostor-vrijeme, koja se može savijati pod utjecajem mase i energije kao što se gumena membrana savija pod utjecajem teške kugle (slika dolje).

Ako bi prostor-vrijeme bilo dovoljno snažno zakrivljeno, teorijski bi mogla nastati putanja koja se ne vraća samo na isto mjesto u prostoru nego i na raniji trenutak u vremenu.

Znanost ne brani putovanje u prošlost

Einsteinove jednadžbe dopuštaju nekoliko teorijskih scenarija u kojima bi CTC mogao postojati. Jedan od najpoznatijih uključuje crvotočine, hipotetske tunele koji povezuju udaljene dijelove svemira. Ako bi jedan kraj crvotočine bio izložen snažnoj gravitaciji ili velikoj brzini, vrijeme bi na njemu prolazilo drukčije nego na drugom kraju. To bi moglo stvoriti vremenski pomak pa bi prolazak kroz crvotočinu podrazumijevao putovanje u prošlost.

Drugi poznati primjer dao je matematičar i fizičar Kurt Gödel 1949. godine. On je pronašao rješenje Einsteinovih jednadžbi za rotirajući svemir u kojem su vremenske petlje matematički moguće.

Problem je u tome što nitko ne zna postoje li one stvarno u prirodi. Većina modela za njihovo postojanje zahtijeva egzotične uvjete poput negativne energije ili materije kakva nikada nije opažena u stvarnom svijetu.

No u kvantnoj fizici stvari postaju još čudnije. Neki fizičari, poput Setha Lloyda, pokušavaju matematički simulirati CTC-ove pomoću kvantno spregnutih čestica i kvantnih računala. U tim modelima ne putuju ljudi ili objekti, nego informacije ili kvantna stanja koja se ponašaju kao da kruže kroz vremensku petlju.

Zato su CTC-ovi danas jedno od najintrigantnijih područja teorijske fizike, negdje na granici između ozbiljne matematike, kvantne teorije i znanstvene fantastike.

Sablasno djelovanje na daljinu

Kako bi kvantno spregnute čestice mogle činiti CTC-ove? Kvantna spregnutost je neobičan kvantni fenomen u kojem dvije čestice ostaju povezane čak i kada su vrlo udaljene. Otkrivanje nekog svojstva jedne čestice, koje je prije mjerenja bilo nepoznato i neodređeno, automatski određuje stanje druge.

Primjerice, ako se mjerenjem ustanovi da jedna čestica ima određeni spin, druga će istog trenutka imati suprotan ili odgovarajući spin, čak i ako se nalazi na drugom kraju svemira. Einstein je to pogrdno zvao sablasnim djelovanjem na daljinu, no ono je eksperimentalno potvrđeno.

U teorijskim modelima CTC-ova fizičari zamišljaju scenarij u kojem jedna od dviju spregnutih čestica prolazi kroz ekstremno zakrivljeno prostor-vrijeme, primjerice kroz crvotočinu ili simuliranu vremensku petlju, te završava u vlastitoj prošlosti.

Budući da spregnute čestice ostaju povezane, informacija o stanju čestice koja je "otputovala" mogla bi utjecati na njezin par prije nego što bi to bilo moguće u običnom protoku vremena. Pojednostavljeno, matematički opis sustava izgleda kao da buduće stanje jedne čestice utječe na ranije stanje druge.

MIT-ova simulacija putovanja kroz vrijeme

Novi interes za ovu temu potaknula su istraživanja fizičara Setha Lloyda s MIT-a, jednog od vodećih stručnjaka za kvantnu teoriju informacija. Lloyd i njegovi suradnici već godinama proučavaju kako bi kvantna računala i kvantna komunikacija mogli simulirati procese nalik putovanju kroz vrijeme.

U jednom radu objavljenom 2011. u uglednom časopisu Physical Review Letters Lloyd i njegovi suradnici pomoću kvantno spregnutih fotona stvorili su sustav koji se ponašao kao da informacija kruži kroz vremensku petlju.

Fizičari pritom nisu stvarno poslali česticu u prošlost, nego su matematički i eksperimentalno simulirali uvjete nalik zatvorenoj vremenskoj krivulji. U nekim interpretacijama kvantne mehanike buduća mjerenja mogu utjecati na opis prošlih stanja sustava. Takve ideje poznate su pod nazivom retrokauzalnost.

Zašto bi "buka" mogla pomoći?

Jedan od zanimljivijih zaključaka novih analiza jest da bi u "bučnim" kvantnim kanalima slanje informacije unatrag moglo biti čak lakše nego slanje unaprijed. Treba istaknuti da u fizici "buka" ne znači zvuk, nego nasumične smetnje koje remete signal. Kvantni sustavi iznimno su osjetljivi pa ih toplina, vibracije ili elektromagnetski utjecaji lako poremete.

No Lloydov tim pokazao je da šum u kvantnom kanalu može nasumično mijenjati kvantna stanja čestica tako da sustav počinje nalikovati situaciji u kojoj ista informacija kruži kroz petlju i ponovno utječe sama na sebe.

To se događa zato što kvantni šum može stvoriti višestruke moguće verzije razvoja istog kvantnog stanja koje međusobno interferiraju, pa matematički opis sustava izgleda kao da budući i prošli oblici informacije istodobno djeluju jedni na druge.

Ključ je u Coopovu pamćenju

Tu se ponovno javlja paralela s Interstellarom.

Razlika između slanja poruke unaprijed i unatrag kroz vrijeme u filmu svodi se na to da se Coop sjećao kako je Murph u prošlosti dešifrirala njegove poruke. Budući da mu je to već bilo dio prošlosti, mogao ih je ponovno poslati upravo u obliku koji će ona razumjeti. Drugim riječima, komunikacija je funkcionirala zato što je Coop imao pristup vlastitim sjećanjima na događaje koji su se za njega već dogodili.

Lloyd i kolege u sljedećem koraku planiraju modelirati takve sustave pomoću fotona kako bi vidjeli kako se ponašaju u šumnim vremenskim petljama.

"Postojanje zatvorenih vremenskih krivulja moglo bi dovesti do zbunjujućih posljedica poput kršenja uzročnosti i bijega iz crne rupe", napisali su autori.

Fizika još nema konačan odgovor

No, većina fizičara upozorava da je ovdje riječ prije svega o matematičkim modelima i laboratorijskim simulacijama, a ne o stvarnoj tehnologiji za slanje poruka kroz vrijeme.

Ova tema posljednjih godina privlači veliku pozornost jer bi mogla pomoći u povezivanju dviju najvećih teorija moderne fizike, kvantne mehanike i Einsteinove opće relativnosti, koje se još uvijek ne uklapaju potpuno jedna u drugu - relativnost dobro opisuje makrosvijet planeta i galaksija, a kvantna fizika mikrosvijet atoma i elementarnih čestica. Kada treba opisati situacije u kojima se ta dva svijeta susreću, primjerice crne rupe ili veliki prasak, kvantna fizika i teorija relativnosti ne funkcioniraju zajedno.