Lige siden H. G. Wells offentliggjorde sin Time Machine, går ind i fortiden eller i fremtiden, med en uundgåelig tilbagevenden til deres egen æra, er blevet fast etableret inden for science fiction. Men er de mulige set fra moderne videnskab, i det mindste rent teoretisk?
Sammen med en gruppe ligesindede studerer jeg tidsrejser i sammenhæng med generel relativitet med visse kvantekorrektioner. Konkret stilles problemet som følger: er det muligt at konstruere en buet rumtid af generel relativitet ved hjælp af visse kvantefelt, der indeholder lukkede verdenslinjer? Hvis verdenslinjen forlader et bestemt rum-tidspunkt og vender tilbage til det, vil bevægelse langs denne løkke bare være tidsrejser. For dem, der er bekendt med relativitetsteorien, vil jeg præcisere, at verdenslinjen skal svare til tiden. Dette betyder, at ingen bevægelse langs den bør overskride lysets hastighed.
Semiklassiske
Vores tilgang til formulering af problemet med tidsmæssig rejse kan kaldes semiklassisk, da det er baseret på at kombinere Einsteins klassiske gravitationsteori med kvantefeltteori. Nogle mennesker siger, at dette rejseproblem bør studeres på baggrund af en rent kvanteteori om tyngdekraft, men det er endnu ikke oprettet, og vi ved ikke, hvordan det vil se ud.
Einsteins ligninger er symmetriske med hensyn til tid, deres løsninger kan videreføres både ind i fremtiden og ind i fortiden. Derfor følger ikke irreversibiliteten af tid dem, hvilket ville indebære et forbud mod tidsrejser. Den geometriske struktur i rumtid bestemmes imidlertid af egenskaberne for stoffyldningsrummet, dets energi og tryk. Så vores hovedproblem kan omformuleres som følger: Hvilken slags stof tillader løkker af verdens linjer? Det viser sig, at det stof, vi er vant til, bestående af partikler og stråling, på ingen måde er egnet til dette. Vi har brug for en anden form for stof, som har negativ masse, og derfor, hvis vi husker den berømte Einsteins formel E = mc2, og negativ energi (forresten må du ikke forveksle sådan materie med antipartikler - deres masser og energier er positive). Dette er længe blevet bevist af flere fysikere,for eksempel Stephen Hawking.
Casimir-effekt
Salgsfremmende video:
Materiale med negativ masse og energi kan virke absurd, men det er blevet udarbejdet af teori og endda bekræftet ved eksperiment. Det er sandt, klassisk fysik tillader det ikke, men set fra kvantefeltteoriens synspunkt er den fuldstændig lovlig. Dette fremgår af en fysisk effekt opkaldt efter den hollandske fysiker Hendrik Casimir. Hvis vi tager to polerede metalplader og placerer dem strengt parallelt med hinanden i en afstand på flere mikrometer, tiltrækker de med en kraft, der kan måles (som først blev gjort for 15 år siden). Denne tiltrækning forklares netop af, at rummet mellem pladerne har negativ energi.
Hvor kommer det fra? For enkelheds skyld antager vi, at pladerne er placeret i et ideelt vakuum. I henhold til kvante teori fødes og forsvinder hele tiden en række variationer i kvantefelt, såsom virtuelle fotoner. De bidrager alle til den gennemsnitlige energi i det frie vakuum, som er nul. For at dette skal være muligt, skal nogle af udsvingene have positiv energi, og andre skal have negativ energi.
Men nær fysiske legemer kan denne balance muligvis ikke overholdes. Især i rummet mellem pladerne dominerer "minus" -svingninger over "plus". Derfor er tætheden af vakuumenergi der lavere end energitætheden i et frit vakuum, det vil sige mindre end nul. Denne tæthed er omvendt proportional med den fjerde effekt i bredden af spalten mellem pladerne, mens volumenet af interpladsrummet er proportionalt med selve bredden. Så deres produkt har et negativt tegn og er omvendt proportionalt med terningen i spaltebredden. Som et resultat, når pladerne nærmer sig hinanden, falder den samlede vakuumenergi i interpladsrummet mere og mere under nulmærket, og det er derfor energisk gunstigt for dem at blive tiltrukket af hinanden.
Tidspatrulje
Men tilbage til tidsrejsen. Da almindelig stof har en positiv masse, er det umuligt at fremstille en enhed derfra, der kan rejse i tide. Hvis dette problem kan løses, er det kun ved hjælp af nogle konfigurationer af kvantefelter, der leverer negativ energi i hele den lukkede verdenslinie.
Imidlertid er det tilsyneladende simpelthen umuligt at oprette en sådan konfiguration. Dette hæmmes af en meget vigtig begrænsning, der kaldes den gennemsnitlige NUL Energy Condition (ANEC). Matematisk udtrykkes det i et temmelig komplekst integral, og på simpelt fælles menneskeligt sprog hedder det, at ethvert bidrag fra negativ energi langs verdens linjer af fotoner skal være nøjagtigt eller endda med overskydende kompenseret med tilføjelser af positiv energi.
I henhold til alle tilgængelige data overholder naturen ANEC uden undtagelser. Det kan vises, at Casimir-effekten også adlyder denne betingelse. Hvis du for eksempel fremstiller to huller i pladerne overfor hinanden og passerer en lysstråle gennem dem udefra gennem mellempladsområdet, vil den samlede mængde energiændringer langs dens verdenslinje være positiv.
Hvordan påvirker dette tidsrejsen? Det kan bevises, at hvis en bestemt analog af ANEC handler i et buet rum med generel relativitet, så er sådanne rejser umulige.
Med andre ord indfører denne version af ANEC, som vi kaldte achronal, et forbud mod ethvert projekt med tidsmaskiner lavet ved hjælp af materie med negativ masse.
Nu arbejder jeg med mine studerende på det matematiske bevis på denne version, og det ser ud til, at vi allerede har opnået noget.
Hvis det lykkes os at konstruere det krævede bevis, demonstreres tidsmaskinens grundlæggende umulighed - i det mindste inden for rammerne af den semiklassiske tilgang. Og da vi endnu ikke har en komplet kvanteteori om tyngdekraft, skal denne konklusion accepteres i det mindste inden dens oprettelse.
Ken Olum, professor i fysik ved Tufts University.
Interviewet af: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov