Tidsrejser

I nogle teorier, især den specielle og generelle relativitetsteori, antydes det, at passende geometrier i rumtiden eller bestemte typer af bevægelser i rummet kan tillade tidsrejser i fortiden og fremtiden, hvis disse geometrier eller bevægelser er mulige:499 I tekniske artikler diskuterer fysikere muligheden for lukkede tidslignende kurver, som er verdenslinjer, der danner lukkede sløjfer i rumtiden, og som gør det muligt for objekter at vende tilbage til deres egen fortid. Man ved, at der findes løsninger på den generelle relativitetsligning, der beskriver rumtider, som indeholder lukkede tidslignende kurver, såsom Gödel-rumtiden, men den fysiske plausibilitet af disse løsninger er usikker.

Mange i det videnskabelige samfund mener, at tidsrejser baglæns er højst usandsynligt. Enhver teori, der ville tillade tidsrejser, ville indføre potentielle problemer med kausalitet. Det klassiske eksempel på et kausalitetsproblem er “bedstefarparadokset”: Hvad nu hvis man kunne rejse tilbage i tiden og dræbe sin egen bedstefar, før ens far blev undfanget? Nogle fysikere, såsom Novikov og Deutsch, har foreslået, at denne slags tidsparadokser kan undgås ved hjælp af Novikovs selvkonsistensprincip eller en variant af mange-verdens-fortolkningen med interagerende verdener.

Generel relativitetsteori

Tidsrejser til fortiden er teoretisk muligt i visse generelle relativitetsrumtidsgeometrier, der tillader rejser hurtigere end lysets hastighed, såsom kosmiske strenge, gennemtrængelige ormehuller og Alcubierre-drev.:33-130 Den generelle relativitetsteori antyder et videnskabeligt grundlag for muligheden for tidsrejser baglæns i visse usædvanlige scenarier, selv om argumenter fra den semiklassiske tyngdekraft antyder, at når kvanteeffekter indarbejdes i den generelle relativitetsteori, kan disse smuthuller lukkes. Disse semiklassiske argumenter fik Stephen Hawking til at formulere kronologibeskyttelsesformodningen, der antyder, at de fundamentale naturlove forhindrer tidsrejser, men fysikere kan ikke komme til en endelig dom over spørgsmålet uden en teori om kvantetyngdekraften, der kan forene kvantemekanikken og den generelle relativitetsteori til en fuldstændig forenet teori. 150

Differente rumtidsgeometrier

Den generelle relativitetsteori beskriver universet under et system af feltligninger, der bestemmer rumtidens metrik, eller afstandsfunktion. Der findes eksakte løsninger til disse ligninger, der omfatter lukkede tidslignende kurver, som er verdenslinjer, der skærer sig selv; et punkt i verdenslinjens kausale fremtid er også i dens kausale fortid, en situation, der kan beskrives som tidsrejser. En sådan løsning blev først foreslået af Kurt Gödel, en løsning kendt som Gödel-metrikken, men hans (og andres) løsning kræver, at universet har fysiske egenskaber, som det tilsyneladende ikke har:499 såsom rotation og mangel på Hubble-udvidelse. Hvorvidt den generelle relativitetsteori forbyder lukkede tidslignende kurver for alle realistiske forhold er stadig under udforskning.

Vormhuller

Vormhuller er en hypotetisk forvredet rumtid, der er tilladt af Einsteins feltligninger i den generelle relativitetsteori. 100 En foreslået tidsrejsemaskine, der bruger et gennemtrængeligt ormehul, ville hypotetisk fungere på følgende måde: Den ene ende af ormehullet accelereres til en betydelig del af lysets hastighed, måske med et avanceret fremdriftssystem, og bringes derefter tilbage til oprindelsesstedet. En anden mulighed er at tage den ene indgang til ormehullet og flytte den til et objekt, der har en højere tyngdekraft end den anden indgang, og derefter bringe den tilbage til en position nær den anden indgang. Ved begge disse metoder medfører tidsudvidelse, at den ende af ormehullet, der er blevet flyttet, er blevet mindre gammel, eller er blevet “yngre”, end den stationære ende set af en ekstern observatør; tiden hænger dog anderledes sammen gennem ormehullet end uden for det, så synkroniserede ure i hver ende af ormehullet vil altid forblive synkroniseret set af en observatør, der passerer gennem ormehullet, uanset hvordan de to ender bevæger sig rundt.:502 Det betyder, at en observatør, der går ind i den “yngre” ende, vil forlade den “ældre” ende på et tidspunkt, hvor den var lige så gammel som den “yngre” ende, og vil således reelt gå tilbage i tiden set fra en observatør udefra. En væsentlig begrænsning ved en sådan tidsmaskine er, at det kun er muligt at gå så langt tilbage i tiden, som den oprindelige skabelse af maskinen;:503 i det væsentlige er det mere en vej gennem tiden, end det er en anordning, der selv bevæger sig gennem tiden, og det ville ikke tillade, at teknologien selv flyttes tilbage i tiden.

I henhold til de nuværende teorier om ormehullers natur ville konstruktionen af et gennemtrængeligt ormehul kræve eksistensen af et stof med negativ energi, ofte omtalt som “eksotisk stof”. Mere teknisk set kræver ormehullets rumtid en fordeling af energi, der overtræder forskellige energibetingelser, såsom nulenergibetingelsen sammen med de svage, stærke og dominerende energibetingelser. Det er imidlertid kendt, at kvanteeffekter kan føre til små målbare overtrædelser af nulenergibetingelsen:101 , og mange fysikere mener, at den krævede negative energi faktisk kan være mulig på grund af Casimir-effekten i kvantefysikken. Selv om tidlige beregninger tydede på, at der ville være behov for en meget stor mængde negativ energi, viste senere beregninger, at mængden af negativ energi kan gøres vilkårligt lille.

I 1993 argumenterede Matt Visser for, at de to mundinger af et ormehul med en sådan induceret urforskel ikke kunne bringes sammen uden at inducere kvantefelt- og gravitationseffekter, der enten ville få ormehullet til at kollapse eller de to mundinger til at frastøde hinanden. På grund af dette kunne de to munde ikke bringes tæt nok på hinanden til, at kausalitetsbrud kunne finde sted. I en artikel fra 1997 opstillede Visser imidlertid den hypotese, at en kompleks “romersk ring” (opkaldt efter Tom Roman) konfiguration af et N antal ormehuller arrangeret i en symmetrisk polygon stadig kunne fungere som en tidsmaskine, selv om han konkluderer, at dette snarere er en fejl i den klassiske kvantetyngdekraftteori end et bevis på, at kausalitetsbrud er muligt.

Andre tilgange baseret på den generelle relativitetsteori

En anden tilgang involverer en tæt snurrende cylinder, der normalt omtales som en Tipler-cylinder, en GR-løsning opdaget af Willem Jacob van Stockum i 1936 og Kornel Lanczos i 1924, men ikke anerkendt som muliggørende lukkede tidslignende kurver:21 indtil en analyse af Frank Tipler i 1974. Hvis en cylinder er uendelig lang og drejer hurtigt nok rundt om sin lange akse, kan et rumskib, der flyver rundt om cylinderen på en spiralformet bane, rejse tilbage i tiden (eller fremad, afhængigt af spiralens retning). Den nødvendige tæthed og hastighed er imidlertid så stor, at almindeligt stof ikke er stærkt nok til at konstruere det. En lignende anordning kunne bygges af en kosmisk streng, men man ved, at der ikke findes nogen, og det synes ikke at være muligt at skabe en ny kosmisk streng. Fysikeren Ronald Mallett forsøger at genskabe forholdene i et roterende sort hul med ringlasere for at bøje rumtiden og gøre det muligt at rejse i tiden.

En mere grundlæggende indvending mod tidsrejseordninger baseret på roterende cylindre eller kosmiske strenge er blevet fremsat af Stephen Hawking, som har bevist et teorem, der viser, at det ifølge den generelle relativitetsteori er umuligt at bygge en tidsmaskine af en særlig type (en “tidsmaskine med den kompakt genererede Cauchy-horisont”) i et område, hvor den svage energibetingelse er opfyldt, hvilket betyder, at området ikke indeholder noget stof med negativ energitæthed (eksotisk stof). Løsninger som Tiplers forudsætter cylindre af uendelig længde, som er lettere at analysere matematisk, og selv om Tipler antydede, at en endelig cylinder kunne producere lukkede tidslignende kurver, hvis rotationshastigheden var hurtig nok:169 beviste han det ikke. Men Hawking påpeger, at på grund af hans teorem “kan det ikke lade sig gøre med positiv energitæthed overalt! Jeg kan bevise, at for at bygge en endelig tidsmaskine skal man bruge negativ energi.”:96 Dette resultat stammer fra Hawkings artikel fra 1992 om kronologibeskyttelsesformodningen, hvor han undersøger “det tilfælde, at kausalitetsbruddene optræder i et endeligt område af rumtiden uden krumningssingulariteter” og beviser, at “der vil være en Cauchy-horisont, der er kompakt genereret, og som generelt indeholder en eller flere lukkede nulgeodætiske linjer, som vil være ufuldstændige. Man kan definere geometriske størrelser, der måler Lorentz-forøgelsen og arealforøgelsen ved at gå rundt om disse lukkede nul-geodætiske linjer. Hvis kausalitetsbruddet udviklede sig fra en ikke-kompakt initialflade, må den gennemsnitlige svage energibetingelse være overtrådt på Cauchy-horisonten.” Denne sætning udelukker ikke muligheden for tidsrejser ved hjælp af tidsmaskiner med de ikke-kompakt genererede Cauchy-horisonter (såsom Deutsch-Politzer-tidsmaskinen) eller i områder, der indeholder eksotisk stof, som ville blive brugt til gennemtrængelige ormehuller eller Alcubierre-drevet og sorte huller.

Kvantumfysik

No-kommunikationsteoremet

Når et signal sendes fra et sted og modtages et andet sted, så længe signalet bevæger sig med lysets hastighed eller langsommere, viser matematikken om samtidighed i relativitetsteorien, at alle referencerammer er enige om, at sende-hændelsen skete før modtage-hændelsen. Når signalet bevæger sig hurtigere end lyset, er det modtaget, før det er sendt, i alle referencerammer. Signalet kan siges at have bevæget sig baglæns i tiden. Dette hypotetiske scenarie omtales undertiden som en tachyonisk antitelefon.

Kvantemekaniske fænomener som kvanteteleportation, EPR-paradokset eller kvanteforvikling kan synes at skabe en mekanisme, der muliggør kommunikation eller tidsrejser hurtigere end lyset (FTL), og faktisk antager nogle fortolkninger af kvantemekanikken, såsom Bohm-tolkningen, at der udveksles noget information mellem partikler øjeblikkeligt for at opretholde korrelationer mellem partikler. Denne effekt blev af Einstein omtalt som “spooky action at a distance”.

Det faktum, at kausaliteten bevares i kvantemekanikken, er ikke desto mindre et stringent resultat i moderne kvantefeltteorier, og derfor tillader moderne teorier ikke tidsrejser eller FTL-kommunikation. I alle specifikke tilfælde, hvor FTL er blevet hævdet, har en mere detaljeret analyse vist, at for at få et signal skal der også bruges en form for klassisk kommunikation. Teoremet om ingen kommunikation giver også et generelt bevis for, at kvanteforvikling ikke kan bruges til at overføre information hurtigere end klassiske signaler.

Interagerende mange-verdener fortolkning

En variant af Hugh Everetts mange-verdener fortolkning (MWI) af kvantemekanikken giver en løsning på bedstefar-paradokset, der indebærer, at tidsrejsende ankommer i et andet univers end det, de kom fra. Det er blevet hævdet, at da den rejsende ankommer i et andet univers historie og ikke i deres egen historie, er der ikke tale om “ægte” tidsrejser. Den accepterede fortolkning af mange verdener antyder, at alle mulige kvantebegivenheder kan forekomme i historier, der gensidigt udelukker hinanden. Nogle varianter tillader dog, at forskellige universer kan interagere. Dette koncept anvendes oftest i science fiction, men nogle fysikere som David Deutsch har foreslået, at en tidsrejsende bør ende i en anden historie end den, han startede i. På den anden side har Stephen Hawking argumenteret for, at selv hvis MWI er korrekt, bør vi forvente, at hver tidsrejsende oplever en enkelt selvkonsistent historie, således at tidsrejsende forbliver i deres egen verden i stedet for at rejse til en anden. Fysikeren Allen Everett hævdede, at Deutschs tilgang “indebærer en ændring af grundlæggende principper i kvantemekanikken; den går helt sikkert videre end blot at vedtage MWI”. Everett hævder også, at selv hvis Deutschs tilgang er korrekt, ville det indebære, at ethvert makroskopisk objekt, der består af flere partikler, ville blive splittet op, når man rejser tilbage i tiden gennem et ormehul, og at forskellige partikler ville dukke op i forskellige verdener.

Eksperimentelle resultater

Visse eksperimenter, der er udført, giver indtryk af omvendt kausalitet, men viser det ikke ved en nærmere undersøgelse.

Det delayed choice quantum eraser-eksperiment udført af Marlan Scully involverer par af sammenfiltrede fotoner, der opdeles i “signalfotoner” og “idler-fotoner”, hvor signalfotonerne udgår fra et af to steder, og deres position senere måles som i dobbeltspalteeksperimentet. Afhængigt af, hvordan idler-fotonerne måles, kan eksperimentatoren enten finde ud af, hvilket af de to steder signalfotonen kom fra, eller “slette” denne information. Selv om signalfotonerne kan måles, før der er truffet et valg om idlerfotonerne, synes valget retroaktivt at bestemme, om der observeres et interferensmønster eller ej, når man korrelerer målinger af idlerfotoner med de tilsvarende signalfotoner. Da interferens imidlertid først kan observeres, efter at idler-fotonerne er blevet målt og korreleret med signal-fotonerne, kan eksperimentatorerne ikke på forhånd vide, hvilket valg der vil blive truffet blot ved at se på signal-fotonerne, men kun ved at indsamle klassisk information fra hele systemet; kausaliteten er således bevaret.

Lijun Wangs eksperiment kunne også vise kausalitetsbrud, da det gjorde det muligt at sende pakker af bølger gennem en pære af cæsiumgas på en sådan måde, at pakken syntes at forlade pæren 62 nanosekunder før dens indgang, men en bølgepakke er ikke et enkelt veldefineret objekt, men snarere en sum af flere bølger med forskellige frekvenser (se Fourier-analyse), og pakken kan synes at bevæge sig hurtigere end lyset eller endda baglæns i tiden, selv om ingen af de rene bølger i summen gør det. Denne effekt kan ikke bruges til at sende noget stof, energi eller information hurtigere end lyset, så dette eksperiment forstås heller ikke som en overtrædelse af kausaliteten.

Fysikerne Günter Nimtz og Alfons Stahlhofen fra universitetet i Koblenz hævder at have overtrådt Einsteins relativitetsteori ved at sende fotoner hurtigere end lysets hastighed. De siger, at de har udført et eksperiment, hvor mikrobølgefotoner rejste “øjeblikkeligt” mellem et par prismer, der var blevet flyttet op til 0,91 m fra hinanden, ved hjælp af et fænomen, der er kendt som kvantetunnelføring. Nimtz fortalte til magasinet New Scientist: “Foreløbig er dette den eneste overtrædelse af den specielle relativitetsteori, som jeg kender til.” Andre fysikere siger imidlertid, at dette fænomen ikke gør det muligt at overføre information hurtigere end lys. Aephraim Steinberg, der er ekspert i kvanteoptik ved University of Toronto i Canada, bruger analogien med et tog, der kører fra Chicago til New York, men sætter togvogne af på hver station undervejs, så togets centrum bevæger sig fremad ved hvert stop; på denne måde overstiger hastigheden i togets centrum hastigheden i de enkelte vogne.

Shengwang Du hævder i et peer-reviewed tidsskrift at have observeret enkelte fotoners forløbere og siger, at de ikke bevæger sig hurtigere end c i et vakuum. Hans eksperiment involverede langsomt lys samt at lade lyset passere gennem et vakuum. Han genererede to enkeltfotoner, idet han lod den ene passere gennem rubidiumatomer, der var blevet afkølet med en laser (hvilket bremsede lyset), og lod den anden passere gennem et vakuum. Begge gange gik forløberne tilsyneladende forud for fotonernes hovedlegemer, og forløberen bevægede sig med c i et vakuum. Ifølge Du indebærer dette, at der ikke er nogen mulighed for, at lys kan bevæge sig hurtigere end c og dermed ingen mulighed for at overtræde kausaliteten.

Afvær af tidsrejsende fra fremtiden

Krononauts

Mange har hævdet, at fraværet af tidsrejsende fra fremtiden viser, at en sådan teknologi aldrig vil blive udviklet, hvilket tyder på, at den er umulig. Dette er en analogi til Fermi-paradokset i forbindelse med fraværet af beviser for extraterrestrisk liv. Ligesom fraværet af udenjordiske besøgende ikke kategorisk beviser, at de ikke eksisterer, beviser fraværet af tidsrejsende ikke, at tidsrejser er fysisk umulige; det kan være, at tidsrejser er fysisk mulige, men at de aldrig udvikles eller anvendes med forsigtighed. Carl Sagan foreslog engang den mulighed, at tidsrejsende kunne være her, men at de skjuler deres eksistens eller ikke bliver genkendt som tidsrejsende. Nogle versioner af den generelle relativitetsteori antyder, at tidsrejser måske kun er mulige i et område af rumtiden, der er forvredet på en bestemt måde, og at tidsrejsende derfor ikke ville være i stand til at rejse tilbage til tidligere områder i rumtiden, før dette område eksisterede. Stephen Hawking udtalte, at dette ville forklare, hvorfor verden ikke allerede er blevet overrendt af “turister fra fremtiden”.

Der er blevet udført flere eksperimenter for at forsøge at lokke fremtidige mennesker, som måske opfinder tidsrejseteknologien, til at komme tilbage og demonstrere den for mennesker i nutiden. Arrangementer som Perth’s Destination Day eller MIT’s Time Traveler Convention har i høj grad offentliggjort permanente “reklamer” for et mødetidspunkt og -sted, hvor fremtidige tidsrejsende kan mødes. I 1982 var en gruppe i Baltimore, Maryland, der identificerede sig selv som Krononauts, vært for en begivenhed af denne type, hvor de bød besøgende fra fremtiden velkommen. Disse eksperimenter havde kun mulighed for at skabe et positivt resultat, der kunne påvise eksistensen af tidsrejser, men er indtil videre mislykkedes – ingen tidsrejsende er kendt for at have deltaget i nogen af disse begivenheder. Nogle versioner af fortolkningen af mange-verdener kan bruges til at antyde, at fremtidige mennesker er rejst tilbage i tiden, men at de er rejst tilbage til mødetidspunktet og -stedet i et parallelt univers.