Zeitreisen

Einige Theorien, insbesondere die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie, legen nahe, dass geeignete Geometrien der Raumzeit oder bestimmte Arten von Bewegungen im Raum Zeitreisen in die Vergangenheit und die Zukunft ermöglichen könnten, wenn diese Geometrien oder Bewegungen möglich wären:499 In Fachaufsätzen diskutieren Physiker die Möglichkeit geschlossener zeitähnlicher Kurven, d. h. Weltlinien, die geschlossene Schleifen in der Raumzeit bilden und es Objekten ermöglichen, in ihre eigene Vergangenheit zurückzukehren. Es ist bekannt, dass es Lösungen für die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie gibt, die Raumzeiten beschreiben, die geschlossene zeitähnliche Kurven enthalten, wie z.B. die Gödel-Raumzeit, aber die physikalische Plausibilität dieser Lösungen ist ungewiss.

Viele in der wissenschaftlichen Gemeinschaft glauben, dass Zeitreisen in die Vergangenheit höchst unwahrscheinlich sind. Jede Theorie, die Zeitreisen zulässt, würde potenzielle Kausalitätsprobleme aufwerfen. Das klassische Beispiel für ein Kausalitätsproblem ist das „Großvater-Paradoxon“: Was wäre, wenn man in der Zeit zurückreisen und seinen eigenen Großvater töten würde, bevor der eigene Vater gezeugt wurde? Einige Physiker, wie Novikov und Deutsch, schlugen vor, dass diese Art von zeitlichen Paradoxen durch das Novikov-Selbstkonsistenzprinzip oder eine Variation der Viele-Welten-Interpretation mit interagierenden Welten vermieden werden kann.

Allgemeine Relativitätstheorie

Zeitreisen in die Vergangenheit sind theoretisch in bestimmten Raumzeitgeometrien der Allgemeinen Relativitätstheorie möglich, die Reisen schneller als die Lichtgeschwindigkeit erlauben, wie kosmische Strings, durchfahrbare Wurmlöcher und Alcubierre-Antriebe.33-130 Die allgemeine Relativitätstheorie bietet eine wissenschaftliche Grundlage für die Möglichkeit von Zeitreisen in die Vergangenheit in bestimmten ungewöhnlichen Szenarien, obwohl die Argumente der semiklassischen Gravitation nahelegen, dass diese Lücken geschlossen werden können, wenn Quanteneffekte in die allgemeine Relativitätstheorie einbezogen werden. Diese semiklassischen Argumente brachten Stephen Hawking dazu, die Chronologie-Schutz-Vermutung zu formulieren, die besagt, dass die fundamentalen Naturgesetze Zeitreisen verhindern, aber Physiker können ohne eine Theorie der Quantengravitation, die die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie zu einer vollständig vereinheitlichten Theorie verbindet, nicht zu einem endgültigen Urteil in dieser Frage kommen.:150

Unterschiedliche Raumzeitgeometrien

Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt das Universum anhand eines Systems von Feldgleichungen, die die Metrik oder Abstandsfunktion der Raumzeit bestimmen. Es gibt exakte Lösungen dieser Gleichungen, die geschlossene zeitähnliche Kurven enthalten, d.h. Weltlinien, die sich selbst schneiden; irgendein Punkt in der kausalen Zukunft der Weltlinie liegt auch in ihrer kausalen Vergangenheit, eine Situation, die als Zeitreise beschrieben werden kann. Eine solche Lösung wurde zuerst von Kurt Gödel vorgeschlagen, eine Lösung, die als Gödel-Metrik bekannt ist, aber seine (und andere) Lösung setzt voraus, dass das Universum physikalische Eigenschaften hat, die es nicht zu haben scheint:499 , wie Rotation und fehlende Hubble-Expansion. Ob die allgemeine Relativitätstheorie geschlossene zeitähnliche Kurven für alle realistischen Bedingungen verbietet, wird noch erforscht.

Wurmlöcher

Wurmlöcher sind eine hypothetische verzerrte Raumzeit, die durch die Einsteinschen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ermöglicht wird:100 Eine vorgeschlagene Zeitreisemaschine, die ein durchquerbares Wurmloch verwendet, würde hypothetisch folgendermaßen funktionieren: Ein Ende des Wurmlochs wird auf einen signifikanten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, vielleicht mit einem fortschrittlichen Antriebssystem, und dann zum Ausgangspunkt zurückgebracht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den einen Eingang des Wurmlochs in das Gravitationsfeld eines Objekts zu bringen, das eine höhere Schwerkraft als der andere Eingang hat, und es dann an eine Position in der Nähe des anderen Eingangs zurückzubringen. Bei beiden Methoden führt die Zeitdilatation dazu, dass das Ende des Wurmlochs, das bewegt wurde, weniger gealtert oder „jünger“ geworden ist als das stationäre Ende, wie es von einem externen Beobachter gesehen wird; allerdings verbindet sich die Zeit durch das Wurmloch anders als außerhalb, so dass synchronisierte Uhren an beiden Enden des Wurmlochs immer synchron bleiben, wie sie von einem Beobachter gesehen werden, der das Wurmloch durchquert, egal wie die beiden Enden sich bewegen.502 Das bedeutet, dass ein Beobachter, der in das „jüngere“ Ende eintritt, das „ältere“ Ende zu einem Zeitpunkt verlässt, an dem es genauso alt ist wie das „jüngere“ Ende, so dass er von einem Beobachter von außen gesehen in der Zeit zurückgeht. Eine wesentliche Einschränkung einer solchen Zeitmaschine besteht darin, dass sie nur so weit in der Zeit zurückgehen kann, wie die ursprüngliche Erschaffung der Maschine;:503 im Wesentlichen ist sie eher ein Weg durch die Zeit als ein Gerät, das sich selbst durch die Zeit bewegt, und sie würde es nicht erlauben, die Technologie selbst in der Zeit zurück zu bewegen.

Nach den derzeitigen Theorien über die Natur von Wurmlöchern würde die Konstruktion eines durchquerbaren Wurmlochs die Existenz einer Substanz mit negativer Energie erfordern, die oft als „exotische Materie“ bezeichnet wird. Technisch gesehen erfordert die Wurmloch-Raumzeit eine Energieverteilung, die gegen verschiedene Energiebedingungen verstößt, z. B. die Null-Energie-Bedingung sowie die Bedingungen der schwachen, starken und dominanten Energie. Es ist jedoch bekannt, dass Quanteneffekte zu kleinen, messbaren Verletzungen der Null-Energie-Bedingung führen können:101 und viele Physiker glauben, dass die erforderliche negative Energie aufgrund des Casimir-Effekts in der Quantenphysik tatsächlich möglich sein könnte. Obwohl frühe Berechnungen nahelegten, dass eine sehr große Menge an negativer Energie erforderlich wäre, zeigten spätere Berechnungen, dass die Menge an negativer Energie beliebig klein gemacht werden kann.

1993 argumentierte Matt Visser, dass die beiden Mündungen eines Wurmlochs mit einer solchen induzierten Taktdifferenz nicht zusammengebracht werden könnten, ohne Quantenfeld- und Gravitationseffekte zu induzieren, die entweder das Wurmloch zum Kollabieren bringen oder die beiden Mündungen voneinander abstoßen würden. Aus diesem Grund könnten die beiden Mündungen nicht nahe genug zusammengebracht werden, um eine Kausalitätsverletzung zu bewirken. In einem Aufsatz von 1997 stellte Visser jedoch die Hypothese auf, dass eine komplexe „römische Ring“-Konfiguration (benannt nach Tom Roman) aus einer Anzahl N von Wurmlöchern, die in einem symmetrischen Vieleck angeordnet sind, dennoch als Zeitmaschine fungieren könnte, obwohl er zu dem Schluss kommt, dass dies eher ein Fehler in der klassischen Quantengravitationstheorie als ein Beweis dafür ist, dass eine Kausalitätsverletzung möglich ist.

Andere Ansätze, die auf der allgemeinen Relativitätstheorie basieren

Ein anderer Ansatz beinhaltet einen dichten, sich drehenden Zylinder, der gewöhnlich als Tipler-Zylinder bezeichnet wird, eine GR-Lösung, die 1936 von Willem Jacob van Stockum und 1924 von Kornel Lanczos entdeckt wurde, aber bis zu einer Analyse von Frank Tipler im Jahr 1974 nicht als Möglichkeit für geschlossene zeitähnliche Kurven erkannt wurde:21. Wenn ein Zylinder unendlich lang ist und sich schnell genug um seine Längsachse dreht, könnte ein Raumschiff, das auf einer spiralförmigen Bahn um den Zylinder fliegt, in der Zeit zurückreisen (oder vorwärts, je nach Richtung der Spirale). Die erforderliche Dichte und Geschwindigkeit ist jedoch so groß, dass gewöhnliche Materie nicht stark genug ist, um es zu bauen. Ein ähnliches Gerät könnte aus einem kosmischen String gebaut werden, aber es ist nicht bekannt, dass es einen solchen gibt, und es scheint auch nicht möglich zu sein, einen neuen kosmischen String zu erzeugen. Der Physiker Ronald Mallett versucht, die Bedingungen eines rotierenden Schwarzen Lochs mit Ringlasern nachzubilden, um die Raumzeit zu krümmen und Zeitreisen zu ermöglichen.

Ein grundlegenderer Einwand gegen Zeitreiseschemata, die auf rotierenden Zylindern oder kosmischen Strings basieren, wurde von Stephen Hawking vorgebracht, der ein Theorem bewies, das zeigt, dass es nach der allgemeinen Relativitätstheorie unmöglich ist, eine Zeitmaschine eines speziellen Typs (eine „Zeitmaschine mit kompakt erzeugtem Cauchy-Horizont“) in einer Region zu bauen, in der die Bedingung der schwachen Energie erfüllt ist, was bedeutet, dass die Region keine Materie mit negativer Energiedichte (exotische Materie) enthält. Lösungen wie die von Tipler gehen von Zylindern unendlicher Länge aus, die mathematisch leichter zu analysieren sind, und obwohl Tipler vorschlug, dass ein endlicher Zylinder geschlossene zeitähnliche Kurven erzeugen könnte, wenn die Rotationsrate schnell genug wäre,:169 hat er dies nicht bewiesen. Aber Hawking weist darauf hin, dass es aufgrund seines Theorems „nicht überall mit positiver Energiedichte möglich ist! Ich kann beweisen, dass man negative Energie braucht, um eine endliche Zeitmaschine zu bauen“:96 Dieses Ergebnis stammt aus Hawkings Arbeit von 1992 über die Chronologie-Schutz-Vermutung, in der er „den Fall untersucht, dass die Kausalitätsverletzungen in einer endlichen Region der Raumzeit ohne Krümmungssingularitäten auftreten“ und beweist, dass „es einen Cauchy-Horizont geben wird, der kompakt generiert ist und der im Allgemeinen eine oder mehrere geschlossene Null-Geodäten enthält, die unvollständig sein werden. Man kann geometrische Größen definieren, die den Lorentz-Boost und die Flächenzunahme beim Umrunden dieser geschlossenen Null-Geodäten messen. Wenn sich die Kausalitätsverletzung aus einer nicht kompakten Anfangsfläche entwickelt hat, muss die gemittelte schwache Energiebedingung am Cauchy-Horizont verletzt werden.“ Dieses Theorem schließt die Möglichkeit von Zeitreisen mittels Zeitmaschinen mit nicht kompakt erzeugten Cauchy-Horizonten (wie die Deutsch-Politzer-Zeitmaschine) oder in Regionen, die exotische Materie enthalten, nicht aus, was für durchfahrbare Wurmlöcher oder den Alcubierre-Antrieb und Schwarze Löcher genutzt würde.

Quantenphysik

No-communication-Theorem

Wenn ein Signal von einem Ort gesendet und an einem anderen Ort empfangen wird, dann zeigt die Mathematik der Gleichzeitigkeit in der Relativitätstheorie, dass alle Bezugsrahmen darin übereinstimmen, dass das Sende-Ereignis vor dem Empfangs-Ereignis stattfand, solange sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit oder langsamer bewegt. Wenn sich das Signal schneller als das Licht bewegt, wird es in allen Bezugssystemen empfangen, bevor es gesendet wird. Man könnte sagen, dass sich das Signal in der Zeit rückwärts bewegt hat. Dieses hypothetische Szenario wird manchmal als tachyonisches Antitelefon bezeichnet.

Quantenmechanische Phänomene wie die Quantenteleportation, das EPR-Paradoxon oder die Quantenverschränkung scheinen einen Mechanismus zu schaffen, der eine Kommunikation über Lichtgeschwindigkeit oder Zeitreisen ermöglicht, und in der Tat gehen einige Interpretationen der Quantenmechanik wie die Bohm-Interpretation davon aus, dass einige Informationen zwischen Teilchen sofort ausgetauscht werden, um Korrelationen zwischen Teilchen aufrechtzuerhalten. Dieser Effekt wurde von Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet.

Dennoch ist die Tatsache, dass die Kausalität in der Quantenmechanik erhalten bleibt, ein strenges Ergebnis der modernen Quantenfeldtheorien, und daher lassen moderne Theorien keine Zeitreisen oder FTL-Kommunikation zu. In jedem konkreten Fall, in dem FTL behauptet wurde, hat eine genauere Analyse gezeigt, dass zum Erhalt eines Signals auch eine Form der klassischen Kommunikation verwendet werden muss. Der Satz von der Nicht-Kommunikation liefert auch einen allgemeinen Beweis dafür, dass Quantenverschränkung nicht verwendet werden kann, um Informationen schneller als klassische Signale zu übertragen.

Interaktive Vielwelten-Interpretation

Eine Variante von Hugh Everetts Vielwelten-Interpretation (MWI) der Quantenmechanik bietet eine Lösung für das Großvater-Paradoxon, bei dem der Zeitreisende in einem anderen Universum ankommt als dem, aus dem er gekommen ist; es wurde argumentiert, dass es sich nicht um eine „echte“ Zeitreise handelt, da der Reisende in der Geschichte eines anderen Universums und nicht in seiner eigenen Geschichte ankommt. Die akzeptierte Viele-Welten-Interpretation besagt, dass alle möglichen Quantenereignisse in sich gegenseitig ausschließenden Geschichten auftreten können. In einigen Varianten können jedoch verschiedene Universen miteinander interagieren. Dieses Konzept wird am häufigsten in der Science-Fiction verwendet, aber einige Physiker wie David Deutsch haben vorgeschlagen, dass ein Zeitreisender in einer anderen Geschichte landen sollte als der, in der er gestartet ist. Andererseits hat Stephen Hawking argumentiert, dass wir, selbst wenn die MWI korrekt ist, erwarten sollten, dass jeder Zeitreisende eine einzige, in sich konsistente Geschichte erlebt, so dass Zeitreisende in ihrer eigenen Welt bleiben und nicht in eine andere Welt reisen. Der Physiker Allen Everett argumentierte, dass Deutschs Ansatz „eine Modifizierung grundlegender Prinzipien der Quantenmechanik beinhaltet; er geht sicherlich über die einfache Annahme der MWI hinaus“. Everett argumentiert auch, dass, selbst wenn Deutschs Ansatz korrekt ist, er implizieren würde, dass jedes makroskopische Objekt, das aus mehreren Teilchen besteht, bei einer Zeitreise durch ein Wurmloch aufgespalten würde, wobei verschiedene Teilchen in verschiedenen Welten auftauchen würden.

Experimentelle Ergebnisse

Einige durchgeführte Experimente erwecken den Eindruck einer umgekehrten Kausalität, zeigen sie aber bei genauerer Untersuchung nicht.

Beim Delayed-Choice-Quantum-Radiergummi-Experiment von Marlan Scully werden verschränkte Photonenpaare in „Signalphotonen“ und „Leerlaufphotonen“ aufgeteilt, wobei die Signalphotonen an einem von zwei Orten entstehen und ihre Position später wie beim Doppelspaltexperiment gemessen wird. Je nachdem, wie das Leerlaufphoton gemessen wird, kann der Experimentator entweder erfahren, von welchem der beiden Orte das Signalphoton ausgegangen ist, oder diese Information „auslöschen“. Obwohl die Signalphotonen gemessen werden können, bevor die Entscheidung über die Idler-Photonen getroffen wurde, scheint die Entscheidung rückwirkend zu bestimmen, ob ein Interferenzmuster beobachtet wird oder nicht, wenn man die Messungen der Idler-Photonen mit den entsprechenden Signalphotonen korreliert. Da Interferenzen jedoch erst beobachtet werden können, nachdem die Idler-Photonen gemessen und mit den Signal-Photonen korreliert wurden, gibt es für die Experimentatoren keine Möglichkeit, im Voraus zu sagen, welche Wahl getroffen wird, nur indem sie die Signal-Photonen betrachten, sondern nur, indem sie klassische Informationen aus dem gesamten System sammeln; somit bleibt die Kausalität erhalten.

Das Experiment von Lijun Wang könnte auch eine Verletzung der Kausalität zeigen, da es möglich war, Wellenpakete so durch eine Cäsium-Gaslampe zu schicken, dass das Paket die Lampe 62 Nanosekunden vor seinem Eintritt zu verlassen schien, aber ein Wellenpaket ist kein einzelnes wohldefiniertes Objekt, sondern eine Summe mehrerer Wellen unterschiedlicher Frequenzen (siehe Fourier-Analyse), und das Paket kann sich scheinbar schneller als das Licht oder sogar rückwärts in der Zeit bewegen, selbst wenn keine der reinen Wellen in der Summe dies tut. Dieser Effekt kann nicht genutzt werden, um Materie, Energie oder Informationen schneller als das Licht zu übertragen, so dass auch dieses Experiment nicht gegen die Kausalität verstößt.

Die Physiker Günter Nimtz und Alfons Stahlhofen von der Universität Koblenz behaupten, Einsteins Relativitätstheorie verletzt zu haben, indem sie Photonen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen haben. Sie geben an, ein Experiment durchgeführt zu haben, bei dem Mikrowellenphotonen „augenblicklich“ zwischen zwei Prismen, die bis zu 0,91 m voneinander entfernt waren, übertragen wurden, wobei ein als Quantentunnelung bekanntes Phänomen zum Einsatz kam. Nimtz sagte der Zeitschrift New Scientist: „Dies ist die einzige Verletzung der speziellen Relativitätstheorie, von der ich bisher weiß.“ Andere Physiker sind jedoch der Meinung, dass dieses Phänomen nicht dazu führt, dass Informationen schneller als das Licht übertragen werden können. Aephraim Steinberg, ein Experte für Quantenoptik an der Universität von Toronto, Kanada, verwendet die Analogie eines Zuges, der von Chicago nach New York fährt, aber an jeder Station auf dem Weg Waggons aussteigen lässt, so dass sich das Zentrum des Zuges an jedem Halt vorwärts bewegt; auf diese Weise übersteigt die Geschwindigkeit des Zentrums des Zuges die Geschwindigkeit der einzelnen Waggons.

Shengwang Du behauptet in einer von Fachleuten begutachteten Zeitschrift, er habe die Vorläufer einzelner Photonen beobachtet und festgestellt, dass sie sich im Vakuum nicht schneller als c bewegen. Bei seinem Experiment verwendete er sowohl langsames Licht als auch Licht, das durch ein Vakuum geleitet wurde. Er erzeugte zwei einzelne Photonen, indem er eines durch Rubidiumatome schickte, die mit einem Laser gekühlt worden waren (wodurch das Licht verlangsamt wurde), und eines durch ein Vakuum. In beiden Fällen waren die Vorläufer offenbar den Hauptkörpern der Photonen voraus, und der Vorläufer bewegte sich mit c im Vakuum. Laut Du bedeutet dies, dass es keine Möglichkeit gibt, dass sich Licht schneller als c bewegt, und somit auch keine Möglichkeit, die Kausalität zu verletzen.

Abwesenheit von Zeitreisenden aus der Zukunft

Krononauten

Viele haben argumentiert, dass die Abwesenheit von Zeitreisenden aus der Zukunft zeigt, dass eine solche Technologie niemals entwickelt werden wird, was darauf hindeutet, dass sie unmöglich ist. Dies ist eine Analogie zum Fermi-Paradoxon, das sich auf das Fehlen von Beweisen für außerirdisches Leben bezieht. So wie die Abwesenheit außerirdischer Besucher nicht kategorisch beweist, dass es sie nicht gibt, so beweist die Abwesenheit von Zeitreisenden nicht, dass Zeitreisen physikalisch unmöglich sind. Carl Sagan schlug einmal die Möglichkeit vor, dass Zeitreisende hier sein könnten, aber ihre Existenz verschleiern oder nicht als Zeitreisende erkannt werden. Einige Versionen der allgemeinen Relativitätstheorie legen nahe, dass Zeitreisen nur in einer Region der Raumzeit möglich sind, die auf eine bestimmte Weise verformt ist, und dass Zeitreisende daher nicht in frühere Regionen der Raumzeit zurückreisen können, bevor diese Region existiert. Stephen Hawking erklärte, dass dies erklären würde, warum die Welt noch nicht von „Touristen aus der Zukunft“ überrannt wurde.

Es wurden mehrere Experimente durchgeführt, um zukünftige Menschen, die die Zeitreisetechnologie erfinden könnten, dazu zu bewegen, zurückzukehren und sie den Menschen der Gegenwart vorzuführen. Veranstaltungen wie der „Destination Day“ in Perth oder die „Time Traveler Convention“ des MIT warben mit ständiger „Werbung“ für eine Zeit und einen Ort, an dem sich zukünftige Zeitreisende treffen können. 1982 veranstaltete eine Gruppe in Baltimore, Maryland, die sich selbst als Krononauten bezeichnete, eine derartige Veranstaltung, bei der Besucher aus der Zukunft willkommen geheißen wurden. Diese Experimente boten nur die Möglichkeit, ein positives Ergebnis zu erzielen, das die Existenz von Zeitreisen beweist, sind aber bisher gescheitert – es ist nicht bekannt, dass Zeitreisende an einer der Veranstaltungen teilgenommen haben. Einige Versionen der Viele-Welten-Interpretation lassen den Schluss zu, dass Menschen aus der Zukunft zwar in der Zeit zurückgereist sind, aber zum Ort und zur Zeit des Treffens in einem Paralleluniversum.