Ταξίδι στο χρόνο

Ιστορικό

Ήδη από το 1895, όταν ο Χ. Τζ. Γουέλς άνοιξε το δρόμο με το μυθιστόρημα του "Η Μηχανή του Χρόνου", οι συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας αξιοποίησαν το θέμα αυτό πολλάκις. 
Η άποψη των ανθρώπων για το χρόνο έχει αλλάξει θεαματικά στη διάρκεια των αιώνων. Στους αρχαίους πολιτισμούς συνδεόταν με την εξέλιξη και τη μεταβολή και ήταν εδραιωμένη στους κύκλους και τους ρυθμούς της φύσης.
Αργότερα ο Άγγλος φυσικός σερ Ισαάκ Νεύτων διατύπωσε μια περισσότερο αφηρημένη και μηχανιστική άποψη. «Ο απόλυτος, πραγματικός και μαθηματικός χρόνος, ρέει αδιατάρακτα χωρίς αναφορά σε οποιονδήποτε εξωτερικό παράγοντα». Αυτή η δήλωση εξέφρασε την αντίληψη που αποδέχονταν όλοι οι επιστήμονες επί διακόσια χρόνια. Όλοι συμφωνούσαν, δίχως αμφιβολία, ότι, ανεξάρτητα από τον προτιμώμενο ορισμό, ο χρόνος είναι ίδιος παντού και για όλους. Με άλλα λόγια είναι παγκόσμιος και απόλυτος. Αναπόσπαστα, αυτή η θεώρηση εμπεριέχει την διαίρεση του χρόνου σε τρία μέρη: το παρόν, το παρελθόν και το μέλλον. Αυτή είναι η καθιερωμένη αντίληψη για το χρόνο. 
Στις αρχές του 20ου αιώνα έγινε σαφές ότι αυτή η θεώρηση του χρόνου δεν μπορούσε να είναι σωστή. Η αποκάλυψη των ατελειών στην κοινή μας αντίληψη περί χρόνου συνδέεται άμεσα με τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τη θεωρία της σχετικότητας. Το έργο του Αϊνστάιν συνέτριψε τη θεώρηση του Νεύτωνα τόσο για το χώρο όσο και για το χρόνο, αφαίρεσε κάθε νόημα από την παγκόσμια διαίρεση του χρόνου σε παρελθόν, παρόν και μέλλον και έστρωσε το δρόμο για το ταξίδι στο χρόνο.
Η θεωρία της σχετικότητας έχει ηλικία περίπου εκατό ετών. Μετά τη δημοσίευσή της, στα 1905, η θεωρία της ειδικής σχετικότητας έγινε αμέσως αποδεκτή από τους φυσικούς, ενώ στις δεκαετίες που ακολούθησαν υπέστη εξαντλητικούς ελέγχους σε πληθώρα πειραμάτων. Σήμερα η επιστημονική κοινότητα συμφωνεί ότι ο χρόνος είναι σχετικός. Η θεωρία της σχετικότητας υπόσχεται ότι μια περιορισμένη μορφή ταξιδιού στον χρόνο είναι σίγουρα εφικτή. Επίσης εκφράζει την ανάλογη βεβαιότητα ότι ένα χωρίς περιορισμούς ταξίδι στο χρόνο, σε οποιαδήποτε εποχή, είναι επίσης δυνατό.

Ο Αϊνστάιν, η σχετικότητα και το ταξίδι στο χρόνο

Στα 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν κατέδειξε πρώτος τη δυνατότητα ενός ταξιδιού στο χρόνο καταρρίπτοντας, αρχικά, τη στερεότυπη εικόνα του χρόνου-σύμφωνα με τον Νεύτωνα- και αντικαθιστώντας την με τη δική του έννοια του σχετικού χρόνου. Ο Αϊνστάιν δημοσίευσε τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας σε ηλικία είκοσι έξι ετών, ενώ εργαζόταν στο Ελβετικό Γραφείο Ευρεσιτεχνιών. Στον ελεύθερο χρόνο του, ο νεαρός Άλμπερτ μελετούσε τον τρόπο κίνησης του φωτός. Έτσι εντόπισε μια ασυνέπεια ανάμεσα στην κίνηση του φωτός και στην κίνηση των υλικών αντικειμένων. Χρησιμοποιώντας μόνο μαθηματικά "του Λυκείου" έδειξε ότι, αν το φως συμπεριφέρεται με τον τρόπο που υποστήριζαν οι φυσικοί της εποχής, τότε η αδιαμφισβήτητη ιδέα του Νεύτωνα για τον χρόνο είχε πολλές ατέλειες. Με αυτόν τον τρόπο κατέληξε στον κεντρικό ισχυρισμό της θεωρίας της σχετικότητας, σύμφωνα με τον οποίο ο χρόνος είναι ελαστικός και μπορεί να εκταθεί και να συρρικνωθεί μέσω της πολύ γρήγορης κίνησης.
Σύμφωνα με τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας, η ακριβής χρονική διάρκεια μεταξύ δύο καθορισμένων γεγονότων θα εξαρτάται από το πώς συμπεριφέρεται ο παρατηρητής. Το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο χτυπημάτων του ρολογιού ίσως είναι μια ώρα αν κάθεται κάποιος ακίνητος, αλλά θα είναι μικρότερο από μια ώρα εάν κινείται. Η χρονική διαφορά είναι απειροελάχιστη –μόλις μερικές εκατοντάδες εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου- πολύ μικρή ώστε να γίνει αντιληπτή από τον κοινό ανθρώπινο νου. Ωστόσο, μπορεί να μετρηθεί από σύγχρονα ρολόγια.

Πείραμα Χάφελε-Κήτινγκ

Σε γενικές γραμμές, αυτό έπραξαν οι φυσικοί Τζόε Χάφελε και Ρίτσαρντ Κήτινγκ το 1971. Τοποθέτησαν υψηλής ακρίβειας ατομικά ρολόγια μέσα σε αεροπλάνα, τα οποία έκαναν το γύρο του κόσμου, και ακολούθως συνέκριναν τις ενδείξεις αυτών των ρολογιών με πανομοιότυπα ρολόγια στο έδαφος. Τα αποτελέσματα: ο χρόνος κύλησε πιο αργά μέσα στο αεροσκάφος απ’ ό,τι στο εργαστήριο, έτσι ώστε μετά τη λήξη του πειράματος τα ρολόγια του αεροπλάνου πήγαιναν κατά πενήντα εννιά νάνο-δευτερόλεπτα πίσω σε σχέση με τα επίγεια ρολόγια. Και αυτή η τιμή ήταν ακριβώς όσο προέβλεπε η θεωρία του Αϊνστάιν. 
Από τεχνική άποψη η στρέβλωση του χρόνου αγγίζει το άπειρο όταν κινηθούμε με την ταχύτητα του φωτός. Αυτό μας υποδεικνύει ότι έχουμε πρόβλημα. Ουσιαστικά μας λέει ότι ένα συνηθισμένο υλικό σώμα δεν μπορεί να φτάσει την ταχύτητα του φωτός. Υπάρχει ένα φράγμα φωτός που δεν μπορεί ποτέ να παραβιαστεί. Επομένως υπάρχει ένα αποφασιστικής σημασίας αποτέλεσμα της θεωρίας της σχετικότητας: τίποτα δεν μπορεί να παραβιάσει-ξεπεράσει το όριο της ταχύτητας του φωτός.
Αυτό δεν ισχύει μόνο για υλικά σώματα, αλλά και για κύματα διαταραχές του πεδίου, φυσικές επιδράσεις οποιουδήποτε είδους και καταστρέφει ένα μεγάλο μέρος της επιστημονικής φαντασίας αφού, παρά την ταχύτητα του, το φως εξακολουθεί να χρειάζεται μεγάλο χρονικό διάστημα προκειμένου να καλύψει διαστρικές αποστάσεις. Το πλησιέστερο άστρο, για παράδειγμα, απέχει πάνω από τέσσερα έτη φωτός ,πράγμα που σημαίνει ότι το φως χρειάζεται περισσότερα από τέσσερα χρόνια για να φτάσει εκεί, προερχόμενο από τη γη. 
Ο Γαλαξίας μας έχει διάμετρο 100.000 έτη φωτός. Παρόλα αυτά υπάρχει κάποια αντιστάθμιση. Επειδή ο χρόνος εκτείνεται, λόγω της ταχύτητας, τα διαστρικά ταξίδια μοιάζουν να διαρκούν λιγότερο για τους αστροναύτες, από ό,τι για εκείνους που παραμένουν στη γη.

CERN

Υπάρχουν αντικείμενα που κινούνται με ταχύτητες παραπλήσιες εκείνης του φωτός, π.χ. υποατομικά σωματίδια, όπως οι κοσμικές ακτίνες και τα θραύσματα ατόμων που εκπέμπονται σε ραδιενεργές διασπάσεις ή επιταχύνονται σκοπίμως στο εσωτερικό γιγαντιαίων επιταχυντών. Χρησιμοποιώντας τα σωματίδια αυτά ως απλά ρολόγια, μπορούμε να παρατηρήσουμε πολύ μεγάλες διαστολές χρόνου. Ο επιταχυντής σωματιδίων LEP [Large Electron-Positron) στο Ευρωπαϊκό κέντρο Σωματιδιακής Φυσικής (CERN) κοντά στη Γενεύη κατάφερε να προσδώσει σε ηλεκτρόνια ταχύτητα ίση με το 99,999999999% της ταχύτητας του φωτός. Η ταχύτητα αυτή που ελάχιστα διαφέρει από εκείνη του φωτός, έδωσε παράγοντες στρέβλωσης του χρόνου που πλησιάζουν το ένα εκατομμύριο. Όμως ακόμη και αυτό το αποτέλεσμα ωχριά μπροστά σε παράγοντες στρέβλωσης του χρόνου ίσους με δισεκατομμύρια τους οποίους βιώνουν ορισμένες κοσμικές ακτίνες.
Σε μια σειρά προσεκτικά σχεδιασμένων και εκτελεσμένων πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν στο CERN, σωματίδια που ονομάζονται μιόνια τέθηκαν σε κυκλική κίνηση στο εσωτερικό ενός μικρού επιταχυντή, με σκοπό να ελεγχθεί με υψηλή ακρίβεια η εξίσωση του Αϊνστάιν για τη διαστολή του χρόνου. Τα μιόνια είναι ασταθή σωματίδια και διασπώνται με γνωστή διάρκεια ημιζωής. Όταν τα μιόνια κινήθηκαν στο εσωτερικό του επιταχυντή με 99,7% της ταχύτητας του φωτός, η μέση διάρκεια ζωής τους αυξήθηκε κατά δώδεκα φορές.

Παράδοξο των διδύμων

Η επίδραση της κίνησης στο χρόνο εξετάζεται συχνά με τη χρήση του παραδόξου των διδύμων, η οποία έχει περίπου ως εξής: δυο άτομα αποφασίζουν να ελέγξουν την θεωρία του Αϊνστάιν, οπότε το ένα (Α) επιβιβάζεται σε έναν πύραυλο το 2005 και εκτοξεύεται με 99% της ταχύτητας του φωτός προς ένα γειτονικό άστρο, που απέχει δέκα έτη φωτός. Το άλλο άτομο (Β) παραμένει στη Γη. Μόλις φθάνει στον προορισμό του, το άτομο Α κάνει αμέσως στροφή και κατευθύνεται πάλι προς την Γη με την ίδια ταχύτητα. Το άτομο Β διαπιστώνει ότι το ταξίδι διαρκεί κάτι περισσότερο από είκοσι γήινα χρόνια. Όμως το άτομο Α βιώνει τον χρόνο διαφορετικά, καθώς γι' αυτό το ταξίδι διήρκεσε λιγότερο από τρία χρόνια. Φθάνοντας πίσω στη Γη ανακαλύπτει ότι ζουν στο έτος 2025 και το άτομο Β είναι τώρα 17 χρόνια μεγαλύτερο από το άτομο Α. Τα δυο άτομα δεν είναι πια δίδυμοι με την ίδια ηλικία. 
Το ταξίδι στο χρόνο λειτουργεί αντίθετα από το ταξίδι στο χώρο. Η συντομότερη απόσταση μεταξύ δύο σημείων είναι η ευθεία γραμμή. Αντίθετα, στο ταξίδι στο χρόνο γερνά περισσότερο εκείνος που παραμένει ακίνητος, δηλαδή το άτομο Β που δεν έφυγε από το σπίτι. Το άτομο Α δεν μπορεί να επιστρέψει με αυτόν τον τρόπο στη Γη στο έτος 2012 προκειμένου να εξισώσει ξανά την ηλικία του με του ατόμου Β.

Ταχύτητα και βαρύτητα

Η ταχύτητα είναι μία από τις μεθόδους στρέβλωσης του χρόνου. Μια άλλη είναι η βαρύτητα. 
Ήδη το 1908 ο Αϊνστάιν άρχισε να επεκτείνει τη θεωρία του για την ειδική σχετικότητα ώστε να συμπεριλάβει την επίδραση της βαρύτητας. Χρησιμοποιώντας ένα άλλο εφευρετικό επιχείρημα αναφορικά με το φως, κατέληξε στο εξής συμπέρασμα: ότι η βαρύτητα επιβραδύνει τον χρόνο. Ο Αϊνστάιν συνέχισε τις μελέτες του μέχρι το 1915, οπότε παρουσίασε τη φημισμένη θεωρία της γενικής σχετικότητας. Το έργο αυτό αποτελούσε επέκταση της ειδικής σχετικότητας που είχε δημοσιεύσει το 1905, συμπεριλαμβάνοντας με αυτόν τον τρόπο έτσι την επίδραση που ασκούν τα βαρυτικά πεδία στο χωροχρόνο. Με την εισαγωγή αριθμών στην εξίσωση του Αϊνστάιν προκύπτει ότι η βαρύτητα της Γης επηρεάζει τα ρολόγια ώστε να χάνουν ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου κάθε τριακόσια χρόνια. Αυτό οδηγεί στην παράξενη πρόβλεψη ότι ο χρόνος κινείται ταχύτερα στο διάστημα. Όμως όχι τόσο ταχύτερα ώστε να το αντιλαμβάνονται οι αστροναύτες. Ωστόσο το 1976 στη Δυτική Βιρτζίνια οι Ρόμπερτ Βέσοτ και Μάρτιν Λεβάιν εκτόξευσαν στο διάστημα με πύραυλο ένα ρολόι μέιζερ ατομικού υδρογόνου και το παρακολούθησαν προσεκτικά από το έδαφος. Το ρολόι κέρδισε περίπου ένα δέκατο του χιλιοστού του δευτερολέπτου πριν συντριβεί στον Ατλαντικό Ωκεανό, λίγες ώρες αργότερα.
Ακόμη και μεταξύ της βάσης και της κορυφής ενός κτιρίου υπάρχει μια μικροσκοπική χρονική διαφορά. Το 1959 πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ ένα πείραμα για την μέτρηση του παράγοντα στρέβλωσης του χρόνου σε ένα κτίριο ύψους 22,5 μ. Χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά ακριβή πυρηνική διεργασία διαπιστώθηκε μια επιβράδυνση του χρόνου κατά 0,000000000000257%.Αν και αρκετά μικρή αυτή η τιμή επιβεβαιώνει την πρόβλεψη του Αϊνστάιν.

Αστροφυσική

Τεράστιες συμπιέσεις συμβαίνουν στην αστροφυσική. Για παράδειγμα, όταν εξαντληθούν τα καύσιμα ενός άστρου, αυτό συρρικνώνεται θεαματικά κάτω από το ίδιο του το βάρος, καταλήγοντας σε ένα μικροσκοπικό κλάσμα του αρχικού μεγέθους. Μάλιστα ορισμένα άστρα εκρήγνυνται προς το εσωτερικό τους και σχηματίζουν περιστρεφόμενες σφαίρες, μικρές σε μέγεθος, οι οποίες όμως περιέχουν μάζα μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου. Η βαρύτητα αυτών των άστρων που έχουν καταρρεύσει είναι τόσο μεγάλη, ώστε ακόμα και τα άτομα τους συνθλίβονται σχηματίζοντας νετρόνια. Τα άστρα αυτά είναι γνωστά ως αστέρες νετρονίων. Ένα τέτοιο αντικείμενο βρίσκεται στον αστερισμό του Ταύρου, βαθιά στο εσωτερικό ενός νέφους γνωστό ως Νεφέλωμα του Καρκίνου.
Οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει πολύ περισσότερα τέτοια αντικείμενα και έχουν συμπεράνει πως η βαρύτητα στην επιφάνεια τους είναι αρκετά μεγάλη ώστε να προκαλέσει στρέβλωση του χρόνου. Ένα ρολόι σε έναν αντιπροσωπευτικό αστέρα νετρονίων θα χτυπούσε περίπου 30% πιο αργά από ό,τι στη Γη.

Εξίσωση του Αϊνστάιν

Στην εξίσωση E=mc², το Ε συμβολίζει την ενέργεια, το m την μάζα και το c την ταχύτητα του φωτός. 
Σύμφωνα με τη θεωρία, η μάζα συνδέεται με την ενέργεια, δηλαδή η ενέργεια έχει μάζα και η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας. Ο παράγων μετατροπής c² είναι ένας πολύ μεγάλος αριθμός, επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι πολύ μεγάλη. Έτσι ένα γραμμάριο ύλης διαθέτει τεράστια ποσά ενέργειας και αντίστροφα οι συνήθεις ποσότητες ενέργειας δεν έχουν μεγάλη μάζα. 
Η ενέργεια εισέρχεται στο σενάριο της χρονομηχανής μέσω της βαρύτητας. Η μάζα είναι μια πηγή βαρύτητας. Καθώς η ενέργεια έχει μάζα, πρέπει να ασκεί και βαρυτική δύναμη. Το αποτέλεσμα είναι πως καθώς η ταχύτητα του πλησιάζει εκείνη του φωτός, το σωματίδιο γίνεται βαρύτερο, δηλαδή η μάζα του αυξάνεται (ένα ηλεκτρόνιο για παράδειγμα που περιφέρεται στο εσωτερικό του επιταχυντή LEP, για παράδειγμα, ζυγίζει περίπου 200.000 φορές περισσότερο από ένα ακίνητο ηλεκτρόνιο. Έτσι η επιτάχυνση του γίνεται διαρκώς πιο δύσκολη (βλ. F=ma). Ολοένα και μεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας καταναλώνεται για να γίνει το σωματίδιο βαρύτερο, ενώ αντιστοίχως ολοένα και μικρότερο ποσοστό ενέργειας απαιτείται για την αύξηση της ταχύτητας. Η ταχύτητα του φωτός είναι το τελικό φράγμα, αν το σωματίδιο μπορούσε να την αποκτήσει, τότε η μάζα του θα απειριζόταν. Για να το κάνουμε να κινηθεί ταχύτερα, θα απαιτείτο μια άπειρη δύναμη κάτι που είναι αδύνατο.
Το μόνο που χρειάζεται ως αποτελεσματική "χρονομηχανή" είναι ένα διαστημόπλοιο που να μπορεί να κινηθεί με ταχύτητες παραπλήσιες εκείνης του φωτός ή να αντέξει τις συνθήκες που επικρατούν κοντά σε ένα αστέρα νετρονίων. Οι πολύ μεγάλες ταχύτητες δεν αποτελούν κατ’ αρχήν πρόβλημα, παρά απλώς και μόνο μία πρακτική δυσκολία που ενδέχεται κάποια μέρα να ξεπεραστεί. Το κύριο μειονέκτημα είναι το κόστος σε ενέργεια. Για να επιταχύνουμε ένα φορτίο βάρους δέκα τόνων σε ταχύτητα ίση με το 99,9% εκείνης του φωτός, απαιτείται ενέργεια ίση με δέκα δισεκατομμύρια τζάουλ. 
Όμως όπως είναι το μέλλον έτσι και το παρελθόν βρίσκεται εκεί έξω και μας περιμένει να το επισκεφθούμε.

Χρονικά Παράδοξα

Ίσως το πιο γνωστό από τα παράδοξα των ταξιδιών στο χρόνο είναι εκείνο στο οποίο ο ταξιδιώτης του χρόνου πηγαίνει πίσω στον χρόνο και δολοφονεί ένα από τους προγόνους του. Το πρόβλημα είναι τότε προφανές. Αν π.χ. ο παππούς του πεθάνει, προτού γεννηθεί ο ίδιος, τότε ο χρονοταξιδιώτης δεν θα έχει υπάρξει ποτέ. Όμως στην περίπτωση αυτή είναι αδύνατον να διαπράξει τη δολοφονία. Άρα αν ο παππούς ζήσει στο μέλλον θα δολοφονηθεί, άλλα αν πεθάνει, στο μέλλον δε θα δολοφονηθεί. Σε κάθε περίπτωση καταλήγουμε σε αντιφάσεις. Παράδοξα όπως αυτό προκύπτουν επειδή το παρελθόν συνδέεται αιτιακά με το μέλλον. 
Υπάρχουν όμως και φαινομενικά χρονικά παράδοξα που αποτελούν τμήμα της θεωρίας της σχετικότητας και τα οποία ωστόσο έχουν εξηγηθεί, έχουν επαληθευτεί πειραματικά και είναι συνεπή με τον φορμαλισμό της θεωρίας, όπως η διαστολή του χρόνου και το παράδοξο των διδύμων.