Fizyka w grach okiem inżyniera #8 Czas i przestrzeń

Podróż w czasie - w którym wymiarze?

Dla każdego z nas doba trwa dokładnie tyle samo godzin, ale często słyszycie pewnie: “Wybacz, nie mam dziś czasu, zajmę się tym jutro”. Skąd u niektórych ten deficyt? Według raportu sporządzonego przez Global Web Index, przeciętny użytkownik Internetu w 2018 roku każdego dnia poświęcił 2 godziny i 22 minuty na przeglądanie social mediów. Dużo to czy mało? Zależy, choć bardziej zasadne pytanie brzmi: dlaczego? Zdarza się Wam pewnie odczuwać, że w niektórych sytuacjach czas płynie wolniej lub szybciej, w zależności od tego, czy aktualnie wykonywana czynność sprawia nam przyjemność. A co gdyby te mniej przyjemne rzeczy przyspieszać, tak by skupiać się tylko na tych pozytywnych? Manipulacja czasem, jak np. bullet-time, jest częścią gier wideo i od lat wykorzystuje się ją, by urozmaicić rozgrywkę. Czasami, jak w SuperHot, jest to coś więcej niż zwykły bajer i zabawa czasem stanowi rdzeń rozgrywki. Jak ma się to jednak do praw fizyki?W Quantum Break Jack Joyce i Paul Serene - odpowiednio protagonista i antagonista w grze - podczas przeprowadzenia eksperymentu związanego z wehikułem czasu zostają obdarzeni nadnaturalnymi zdolnościami, które pozwalają im kontrolować czasoprzestrzeń. W skrócie mogą spowalniać lub zatrzymywać czas, co jest jedną z głównych “atrakcji” w samej grze.Gdyby udało się nam opanować technologię pozwalającą na zatrzymanie czasu, to prawdopodobnie bylibyśmy tego całkowicie nieświadomi. Warto pamiętać, że razem ze światem widocznym (czyli tym w skali makroskopowej) zatrzymuje się również cały ruch, którego nie widzimy gołym okiem. Nie moglibyśmy nic widzieć, bo światło nie docierałoby do naszych oczu, nawet przy uwzględnieniu dualizm korpuskularno-falowego. Na początku zeszłego stulecia za sprawą rozwoju mechaniki kwantowej zaczęto zauważać, że materia podlega zarówno zjawiskom falowym (polaryzacja czy dyfrakcja), jak i korpuskularnym, czyli tym, które opisują cząstki (zasada zachowania pędu, zjawisko fotoelektryczne). Podobnie byłoby z oddychaniem czy odczuwaniem - cząsteczki powietrza, impulsy wysyłane i odbierane z mózgu również nie mogłyby się poruszać.Fizyka pokazuje jednak, że tak naprawdę nie ma rzeczy niemożliwych, a wszystko zależy od perspektywy. W pierwszej części cyklu (jak ten czas, hehe, leci) pisałem o dylatacji czasu. W skrócie chodzi o prędkość, z jaką poruszamy się względem osób, które nas obserwują - im szybciej się poruszamy, tym wolniej starzejemy się względem naszego obserwatora. Gdy uda się nam osiągnąć wystarczająco dużą prędkość, to osoby wokół nas będziemy postrzegać jako nieruchome obiekty. Więc teoretycznie zatrzymywanie czy spowalnianie czasu jest możliwe, ale pozostaje jeden problem - prędkość światła. Człowiek nie jest w stanie rozpędzić się do odpowiednio wysokiej prędkości (najlepiej zbliżonej do prędkości światła), by ta różnica w czasie była odczuwalna (no chyba, że posiadałby masę ujemną, ale to już wyższy poziom abstrakcji).Jedną z najbardziej rozpoznawalnych postaci w Overwatchu jest Lena Lexton - znana i lubiana Smuga - której podstawową zdolnością jest możliwość cofania czasu. Swoje nadnaturalne umiejętności nabyła w wyniku wypadku, który zdarzył się podczas oblatywania eksperymentalnego myśliwca teleportującego. Kilka miesięcy po tym wydarzeniu goryl Winston pomógł Lenie w opanowaniu jej dość nieprzewidywalnej zdolności, konstruując akcelerator czasowy. Dzięki niemu zyskała kontrolę nad upływem czasu względem samej siebie, co pozwoliło na spowalnianie i cofanie go w zależności od potrzeb.Ziemia cały czas wysyła informacje o sobie w formie fal elektromagnetycznych - fakt, nie są to zbyt silne sygnały, ale światło również może nim być. Zapewne gdzieś we Wszechświecie istnieją fale, które zawierają informacje o Ziemi z przeszłości, więc teoretycznie, gdyby udało się je dogonić, to można by spróbować odczytać z nich jakieś dane i przedstawić w przystępnej formie (filmu lub obrazu). Światło porusza się w próżni z zawrotną prędkością 299 792 458 m/s, której my ludzie nie będziemy w stanie nigdy osiągnąć, a chcąc dogonić te fale z przeszłości musielibyśmy poruszać się z prędkością większą niż prędkość światła. To się jednak nigdy nie stanie, ponieważ żaden obiekt mający masę nie będzie się w stanie osiągnąć omawianej prędkości, nie mówiąc o jej przekroczeniu. Inaczej do tego zagadnienia podeszli naukowcy z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii, którym udało się odwrócić czas, a konkretnie przywrócili stan cząstki do jej poprzedniego stanu. W fizyce często można zetknąć się z pojęciem strzałki czasu, według którego wszystkie systemy podróżują w czasie od stanu prostego do tego bardziej złożonego. W artykule, który ukazał się na łamach Scientific Reports, naukowcy za przykład takiego działania podają kroplę atramentu wrzuconą do szklanki wody. Na początku łatwo możemy określić stan atramentu - to po prostu kropla. Z czasem jednak, w wyniku dyfuzji, substancja rozpuszcza się w wodzie i już po kilku minutach można zauważyć, że cząsteczki atramentu wymieszały się z cząsteczkami wody. W swoim eksperymencie naukowcy odwrócili ten proces, ale nie na tak skomplikowanym układzie jakim jest atrament i woda. Dokonali tego na trzech kubitach, czyli najmniejszej i niepodzielnej informacji kwantowej. W początkowej fazie eksperymentu cząstki znajdowały się w stanie spoczynku, zaś potem cały układ stawał się coraz bardziej złożony. Specjalny program opracowany na potrzeby działania komputera kwantowego umożliwił powrót kubitom do stanu sprzed wzbudzenia, czyli ponownie znalazły się one w fazie początkowej. Wynika z tego, że kubity zostały odwrócone w czasie.Czy jest to jakiś postęp w temacie podróży w czasie? Z punktu widzenia dalszych badań na pewno - naukowcy będą starali się teraz przeprowadzać podobne eksperymenty, tylko na bardziej złożonych układach. Początkowo badania przeprowadzano tylko na dwóch kubitach, co dało 85% skuteczność w czasie całego badania, zaś po dodaniu kolejnej zmiennej wskaźnik powodzenia zmalał już do 50%. W przyrodzie tych zmiennych jest znacznie więcej, dlatego zjawisko odwrócenia w czasie nie jest czymś naturalnym. Kolejne próby będą wymagały znacznie silniejszych komputerów kwantowych, a te muszą dopiero powstać.Warto pamiętać też, że eksperyment trwał raptem sekundę, a świat nie stoi w miejscu i nasza galaktyka cały czas się przemieszcza. Zdolność Smugi i jej używanie też nie skończyłoby się specjalnie źle, ale dalsze podróże oznaczają przesunięcia nie tylko w czasie, ale także i przestrzeni. To znaczy my będziemy stać w miejscu, jedyną współrzędną jaka ulegnie zmianie będzie czas, ale nasza planeta, cały układ słoneczny powrócą do miejsca, w którym znajdowały się wcześniej.Rozwińmy bardziej kwestię wymiarowości świata. My, ludzie, postrzegamy i opisujemy otaczającą nas rzeczywistość za pomocą trzech wymiarów - każdemu punktowi materialnemu możemy przypisać współrzędne x, y i z, które określają go w przestrzeni. Innym wymiarem, za pomocą którego można opisywać rzeczywistość jest czas, jednak ludzie, zgodnie ze strzałką czasu, o której pisałem wcześniej, mogą poruszać się tylko do przodu. Nieco inaczej podszedł do tego założenia Marc ten Bosch, twórca gry Miegakure, w której czwartym wymiarem nie jest czas, a kolejna oś na trójwymiarowym układzie przestrzennym. Tylko gdzie będzie się ona znajdować?Człowiek nie jest w stanie wyobrazić sobie tego czwartego (i kolejnych) wymiaru, bo my sami poruszamy się tylko w trzech. Inspiracją do powstania gry była książka pt. “Flatlandia”, autorstwa Edwina Abbotta Abbotta, w której zaprezentowano świat złożony z istot dwuwymiarowych. Żyją, poruszają się i robią wszystko to, co my, tylko, że w rzeczywistości znajdującej się o jeden wymiar niżej od naszej. A co by było, gdyby w świecie złożonym z tych wszystkich kwadratów i trójkątów pojawił się obiekt trójwymiarowy, jak kula? No nic by się nie stało, bo mieszkańcy widzieliby tylko koło, czyli rzut tej bryły na płaszczyznę. Nie wiedzieliby, skąd on się wziął i czemu raz staje się większy, a raz mniejszy - kula unosi się w powietrzu lub zapada w ziemię - bo nie widzą tego trzeciego wymiaru. Dokładnie tak samo jest z ludźmi i przestrzenią czterowymiarową - widzimy tylko to, co w łatwy sposób możemy zakwalifikować do tego, co już znamy. Dlatego na materiale powyżej widzimy tylko zmieniające się kształty, bo nie jesteśmy w stanie dostrzec kierunku, w jakim przesunął się obiekt. O ile ludzie nie potrafią wyobrazić sobie tego czwartego wymiaru, tak komputer nie ma z tym większego problemu, dla niego to tylko liczby, więc rozpatruje problem czysto matematycznie.Na podobnej zasadzie można wytłumaczyć działanie portali międzywymiarowych Wraith, jednej postaci w Apex Legends. Tak naprawdę, ona nie potrzebuje żadnego portalu (to takie uproszczenie dla nas, zwykłych śmiertelników, żeby łatwiej można było zwizualizować sobie całe zjawisko), bo sama jest istotą wielowymiarową. My widzimy ją tylko w jedyny możliwy sposób, czyli jako obraz w jednej z wielu przestrzeni trójwymiarowych.Miegakure tworzone jest od dobrych kilku lat i na razie nie wiadomo, kiedy gra się ukaże i czy w ogóle do tego dojdzie. Dlatego warto zerknąć na inny projekt tego twórcy, czyli 4D Toys. Jest to prosta gra dostępna na Steamie, w której za pomocą suwaka przeskakujemy do kolejnego trójwymiarowego “obrazu”, czyli jednej z wielu części rzeczywistości 4D.Jak widzicie czas i przestrzeń są ze sobą połączone, a dzięki grom takim, jak Miegakure możliwe będzie lepsze zrozumienie tego, co nas otacza i tego, czego nie możemy dosięgnąć. O ile zatrzymywanie czasu stanowi raczej fikcję, tak wysłanie w przeszłość drobnych cząstek informacji nie wydaje się aż takie nieprawdopodobne. Kubity są oczywiście bardzo małymi jednostkami informacji, ale jak inne subatomowe cząstki istnieją w aż jedenastu wymiarach czasoprzestrzennych, z czego my widzimy tylko trzy (no dobra, cztery, czas też się liczy). W “Problemie Trzech Ciał”, książce autorstwa Cixina Liu, Trisolaranie (pozaziemska rasa) posiadają jedenastowymiarowe nanokomputery zwane sofonami, które my widzimy (gdybyśmy mieli mikroskopy elektronowe w oczach) jako protony. Kto wie, co przyniesie przyszłość; to, że my nie jesteśmy w stanie wyobrazić sobie kolejnych wymiarów, nie oznacza wcale, że nie będziemy mogli skonstruować maszyn zdolnych w nich operować.