Helt siden H. G. Wells publiserte sin Time Machine, vandrer inn i fortiden eller i fremtiden, med en uunngåelig tilbakevending til sin egen epoke, har blitt godt etablert innen science fiction. Men er de mulig fra moderne vitenskaps synspunkt, i det minste rent teoretisk?
Sammen med en gruppe likesinnede studerer jeg tidsreiser i sammenheng med generell relativitet med visse kvantekorreksjoner. Spesifikt stilles problemet som følger: er det mulig å konstruere en buet romtid med generell relativitet ved hjelp av visse kvantefelt, som inneholder lukkede verdenslinjer? Hvis verdenslinjen forlater et visst rom-tidspunkt og vender tilbake til det, vil bevegelse langs denne sløyfen bare være tidsreiser. For de som er kjent med relativitetsteorien, vil jeg presisere at verdenslinjen må være lik tiden. Dette betyr at ingen bevegelser langs den skal overskride lysets hastighet.
Semi-klassisk
Vår tilnærming til formuleringen av problemet med tidsmessige reiser kan kalles semiklassisk, siden det er basert på å kombinere Einsteins klassiske gravitasjonsteori med kvantefeltteori. Noen mennesker sier at dette reiseproblemet bør studeres på grunnlag av en rent kvanteteori om tyngdekraften, men det er ennå ikke opprettet og vi vet ikke hvordan det vil se ut.
Einsteins ligninger er symmetriske med hensyn til tid, løsningene deres kan videreføres både inn i fremtiden og inn i fortiden. Derfor følger ikke irreversibiliteten av dem, noe som ville innføre forbud mot tidsreiser. Imidlertid bestemmes den geometriske strukturen for rom-tid av egenskapene til materialets fyllingsrom, dets energi og trykk. Så vårt hovedproblem kan omformuleres på følgende måte: hva slags materie tillater loops av verdenslinjer? Det viser seg at saken vi er vant til, bestående av partikler og stråling, på ingen måte er egnet for dette. Vi trenger en annen type materie med negativ masse, og derfor, hvis vi husker Einsteins berømte formel E = mc2, og negativ energi (forresten, ikke forveksle slikt med antipartikler - deres masser og energier er positive). Dette har lenge blitt bevist av flere fysikere,for eksempel Stephen Hawking.
Casimir-effekt
Salgsfremmende video:
Materiale med negativ masse og energi kan virke absurd, men det er utarbeidet av teori og til og med bekreftet av eksperiment. Riktignok tillater ikke klassisk fysikk det, men fra kvantefeltteoriens synspunkt er den fullstendig lovlig. Dette er dokumentert av en fysisk effekt oppkalt etter den nederlandske fysikeren Hendrik Casimir. Hvis du tar to polerte metallplater og plasserer dem strengt parallelt med hverandre i en avstand på flere mikrometer, vil de tiltrekke seg med en kraft som kan måles (som først ble gjort for 15 år siden). Denne attraksjonen forklares nettopp ved at plassen mellom platene har negativ energi.
Hvor kommer det fra? For enkelhets skyld vil vi anta at platene er plassert i et ideelt vakuum. I følge kvante teori, hele tiden blir det født og forsvinner en rekke svingninger i kvantefelt, for eksempel virtuelle fotoner. De bidrar alle til den gjennomsnittlige energien i det frie vakuumet, som er null. For at dette skal være mulig, må noen av svingningene ha positiv energi, og noen må ha negativ energi.
Men i nærheten av fysiske kropper kan det hende at denne balansen ikke blir observert. Spesielt i mellomrommet mellom platene dominerer "minus" -svingninger over "pluss". Derfor er tettheten av vakuumenergi der lavere enn energitettheten til et fritt vakuum, det vil si mindre enn null. Denne tettheten er omvendt proporsjonal med den fjerde kraften til bredden på spalten mellom platene, mens volumet av mellomplaterommet er proporsjonalt med selve bredden. Så produktet deres har et negativt tegn og er omvendt proporsjonalt med kuben i spaltebredden. Som et resultat, når platene nærmer seg hverandre, faller den totale vakuumenergien i mellomplaterommet mer og mer under nullmerket, og det er derfor energisk gunstig for dem å bli tiltrukket av hverandre.
Tidspatrulje
Men tilbake til tidsreiser. Siden vanlig materie har en positiv masse, er det umulig å lage et apparat fra det som kan reise i tid. Hvis dette problemet kan løses, er det bare ved hjelp av noen konfigurasjoner av kvantefelt som gir negativ energi i hele den lukkede verdenslinjen.
Imidlertid er det tilsynelatende ganske enkelt umulig å lage en slik konfigurasjon. Dette er hemmet av en veldig viktig begrensning som kalles den gjennomsnittlige Null Energy Condition (ANEC). Matematisk kommer det til uttrykk i et ganske sammensatt integral, og på enkelt vanlig menneskelig språk heter det at eventuelle bidrag fra negativ energi langs verdens linjer av fotoner skal være nøyaktig eller til og med kompensert med tilsetninger av positiv energi.
I henhold til alle tilgjengelige data, overholder naturen ANEC uten unntak. Det kan vises at Casimir-effekten også adlyder denne tilstanden. Hvis vi for eksempel lager to hull i platene overfor hverandre og fører en lysstråle gjennom dem utenfra gjennom mellomplaterommet, vil den totale mengden energiendringer langs verdenslinjen være positiv.
Hvordan påvirker dette tidsreiser? Det kan bevises at hvis en viss analog av ANEC opptrer i et buet rom med generell relativitet, så er slike reiser umulige.
Med andre ord, denne versjonen av ANEC, som vi kalte achronal, innfører forbud mot prosjekter med tidsmaskiner laget med materie med negativ masse.
Nå jobber jeg med elevene mine på det matematiske beviset på denne versjonen, og det ser ut til at vi allerede har oppnådd noe.
Hvis vi lykkes med å konstruere det nødvendige beviset, vil tidsmaskinens grunnleggende umulighet være demonstrert - i det minste innenfor rammen av den semiklassiske tilnærmingen. Og siden vi ikke har en fullstendig kvanteteori om tyngdekraft ennå, vil denne konklusjonen måtte aksepteres i det minste før den ble opprettet.
Ken Olum, professor i fysikk ved Tufts University.
Intervjuet av: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
