Aikamatkailu

Joidenkin teorioiden, erityisesti erityisen ja yleisen suhteellisuusteorian, mukaan sopivat avaruusajan geometriat tai tietyntyyppiset liikkeet avaruudessa saattaisivat mahdollistaa aikamatkailun menneisyyteen ja tulevaisuuteen, jos nämä geometriat tai liikkeet olisivat mahdollisia. 499 Fyysikot keskustelevat teknisissä artikkeleissa suljetuista timelike-käyrästöistä, jotka ovat suljettuja silmukoita avaruusaikaan muodostaen maailmalinjoja, jotka mahdollistavat objektien paluun omaan menneisyyteen. Yleisen suhteellisuusteorian yhtälöille tiedetään olevan ratkaisuja, jotka kuvaavat suljettuja timelike-käyriä sisältäviä avaruusaikoja, kuten Gödelin avaruusaikaa, mutta näiden ratkaisujen fysikaalinen uskottavuus on epävarmaa.

Monien tiedeyhteisön jäsenten mielestä aikamatkailu taaksepäin on erittäin epätodennäköistä. Mikä tahansa teoria, joka sallisi aikamatkustamisen, toisi mukanaan mahdollisia kausaliteettiongelmia. Klassinen esimerkki kausaalisuuteen liittyvästä ongelmasta on ”isoisäparadoksi”: entä jos palattaisiin ajassa taaksepäin ja tapettaisiin oma isoisä ennen kuin oma isä sai alkunsa? Jotkut fyysikot, kuten Novikov ja Deutsch, ovat ehdottaneet, että tällaiset ajalliset paradoksit voidaan välttää Novikovin itsekonsistenssiperiaatteella tai monimaailmatulkinnan muunnelmalla, jossa on vuorovaikutteisia maailmoja.

Yleinen suhteellisuusteoria

Aikamatkustaminen menneisyyteen on teoreettisesti mahdollista tietyissä yleisen suhteellisuusteorian mukaisissa avaruusaikageometriatyypeissä, jotka mahdollistavat valon nopeutta nopeamman matkan, kuten kosmisissa säikeissä, läpäisevissä madonrei’issä ja Alcubierren asemissa.:33-130 Yleinen suhteellisuusteoria antaa tieteellisen perustan aikamatkailun mahdollisuudelle taaksepäin tietyissä epätavallisissa skenaarioissa, vaikka semiklassisen gravitaation argumentit viittaavat siihen, että kun kvanttiefektit sisällytetään yleiseen suhteellisuusteoriaan, nämä porsaanreiät voidaan sulkea. Nämä semiklassiset argumentit saivat Stephen Hawkingin muotoilemaan kronologisen suojateorian, jonka mukaan luonnon peruslait estävät aikamatkustamisen, mutta fyysikot eivät voi päätyä lopulliseen tuomioon asiasta ilman kvanttigravitaatioteoriaa, joka yhdistäisi kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian täysin yhtenäiseksi teoriaksi. 150

Erottelevainen avaruusaikageometria

Yleisen suhteellisuusteorian teoria kuvaa maailmankaikkeutta kenttäyhtälöiden järjestelmällä, joka määrittelee metriikan, eli etäisyyksiä mittaavan funktion. Näille yhtälöille on olemassa täsmällisiä ratkaisuja, jotka sisältävät suljettuja ajan kaltaisia käyriä, jotka ovat maailmansuoria, jotka leikkaavat itsensä; jokin piste maailmansuoran kausaalisessa tulevaisuudessa on myös sen kausaalisessa menneisyydessä, tilanne, jota voidaan kuvata aikamatkailuna. Tällaisen ratkaisun ehdotti ensimmäisenä Kurt Gödel, ratkaisu tunnetaan nimellä Gödelin metriikka, mutta hänen (ja muiden) ratkaisu edellyttää, että maailmankaikkeudella on fysikaalisia ominaisuuksia, joita sillä ei näytä olevan,:499 kuten pyöriminen ja Hubble-laajenemisen puuttuminen. Sitä, kieltääkö yleinen suhteellisuusteoria suljetun ajan kaltaiset käyrät kaikissa realistisissa olosuhteissa, tutkitaan edelleen.

Madonreiät

Madonreiät ovat yleisen suhteellisuusteorian Einsteinin kenttäyhtälöiden sallima hypoteettinen vääristynyt avaruusaika. 100 Ehdotettu aikamatkakone, joka käyttää kulkukelpoista madonreikää, toimisi hypoteettisesti seuraavasti: Madonreiän toinen pää kiihdytetään johonkin merkittävään osaan valonnopeudesta, kenties jonkin kehittyneen työntövoimajärjestelmän avulla, ja sitten se tuodaan takaisin lähtöpaikkaan. Vaihtoehtoisesti toinen tapa on ottaa madonreiän toinen sisäänkäynti ja siirtää se sellaisen kohteen painovoimakenttään, jonka painovoima on suurempi kuin toisella sisäänkäynnillä, ja palauttaa se sitten toisen sisäänkäynnin lähelle. Molemmissa näissä menetelmissä aikadilataatio aiheuttaa sen, että madonreiän siirretty pää on vanhentunut vähemmän tai tullut ”nuoremmaksi” kuin paikallaan oleva pää ulkoisen tarkkailijan havaitsemana; aika kulkee kuitenkin eri tavalla madonreiän läpi kuin sen ulkopuolella, joten synkronoidut kellot madonreiän kummassakin päässä pysyvät aina synkronoituina madonreiän läpi kulkevan tarkkailijan havaitsemana riippumatta siitä, miten päädyt liikkuvat.:502 Tämä tarkoittaa sitä, että ”nuorempaan” päähän tuleva havaitsija poistuu ”vanhemmasta” päästä ajankohtana, jolloin se oli samanikäinen kuin ”nuorempi” pää, eli hän siirtyisi käytännössä ajassa taaksepäin ulkopuolelta tulevan havaitsijan näkökulmasta. Yksi tällaisen aikakoneen merkittävä rajoitus on se, että sillä on mahdollista mennä ajassa taaksepäin vain niin pitkälle kuin koneen alkuperäinen luominen;:503 pohjimmiltaan se on pikemminkin polku ajassa kuin laite, joka itse liikkuu ajassa, eikä se sallisi itse teknologian siirtämistä ajassa taaksepäin.

Nykyaikaisten madonreikien luonnetta koskevien teorioiden mukaan kulkukelpoisen madonreiän rakentaminen edellyttäisi negatiivista energiaa sisältävän aineen olemassaoloa, johon usein viitataan nimellä ”eksoottinen aine”. Teknisesti ottaen madonreiän avaruusaika edellyttää sellaista energiajakaumaa, joka rikkoo erilaisia energiaehtoja, kuten nollaenergiaehtoa sekä heikon, vahvan ja hallitsevan energian ehtoja. Tiedetään kuitenkin, että kvanttiefektit voivat johtaa pieniin mitattavissa oleviin nollaenergiaehdon rikkomuksiin,:101 ja monet fyysikot uskovat, että vaadittu negatiivinen energia voi itse asiassa olla mahdollista kvanttifysiikan Casimir-ilmiön ansiosta. Vaikka ensimmäiset laskelmat osoittivat, että tarvittaisiin hyvin suuri määrä negatiivista energiaa, myöhemmät laskelmat osoittivat, että negatiivisen energian määrä voidaan saada mielivaltaisen pieneksi.

Matti Visser väitti vuonna 1993, että madonreiän kahta suuta, joilla on tällainen indusoitu kelloero, ei voida saattaa yhteen ilman, että aiheutetaan kvanttikenttä- ja gravitaatioefektejä, jotka joko saavat madonreiän romahtamaan tai kaksi suuta hylkivät toisiaan. Tämän vuoksi kahta suuta ei voitaisi tuoda niin lähelle toisiaan, että kausaliteettirikkomus tapahtuisi. Vuonna 1997 julkaistussa artikkelissa Visser kuitenkin esitti hypoteesin, että monimutkainen ”roomalainen rengas” (nimetty Tom Romanin mukaan), joka koostuu N:stä symmetriseen monikulmioon järjestetystä madonreiästä, voisi silti toimia aikakoneena, vaikka hän päättelee, että tämä on todennäköisemmin klassisen kvanttigravitaatioteorian virhe kuin todiste siitä, että kausaliteetin rikkominen on mahdollista.

Muut yleiseen suhteellisuusteoriaan perustuvat lähestymistavat

Toisessa lähestymistavassa käytetään tiheää pyörivää sylinteriä, jota tavallisesti kutsutaan Tiplerin sylinteriksi, GR-ratkaisuksi, jonka löysivät Willem Jacob van Stockum vuonna 1936 ja Kornel Lanczos vuonna 1924, mutta jonka ei tunnustettu mahdollistavan suljettuja aikamatkakäyriä:21 ennen kuin Frank Tipler analysoi sen vuonna 1974. Jos sylinteri on äärettömän pitkä ja pyörii riittävän nopeasti pitkän akselinsa ympäri, sylinterin ympäri spiraalimaisesti lentävä avaruusalus voisi matkustaa ajassa taaksepäin (tai eteenpäin, riippuen spiraalin suunnasta). Vaadittava tiheys ja nopeus on kuitenkin niin suuri, että tavallinen aine ei ole tarpeeksi vahvaa sen rakentamiseen. Vastaavanlainen laite voitaisiin rakentaa kosmisesta säikeestä, mutta sellaista ei tiedetä olevan olemassa, eikä uutta kosmista säiettä näytä olevan mahdollista luoda. Fyysikko Ronald Mallett yrittää luoda pyörivän mustan aukon olosuhteet uudelleen rengaslasereilla, jotta avaruusaikaa voitaisiin taivuttaa ja mahdollistaa aikamatkailu.

Fundamentaalisemman vastalauseen pyöriviin sylintereihin tai kosmisiin säikeisiin perustuville aikamatkustusjärjestelmille on esittänyt Stephen Hawking, joka todisti lauseen, joka osoittaa, että yleisen suhteellisuusteorian mukaan on mahdotonta rakentaa erityyppistä aikakonetta (”aikakone, jolla on kompaktisti luotu Cauchyn horisontti”) alueelle, jossa heikon energian ehto täyttyy, mikä tarkoittaa sitä, että alueella ei ole mitään ainetta, jolla on negatiivinen energiatiheys (”eksoottinen aine”). Tiplerin kaltaiset ratkaisut edellyttävät äärettömän pituisia sylintereitä, joita on helpompi analysoida matemaattisesti, ja vaikka Tipler ehdotti, että äärellinen sylinteri voisi tuottaa suljettuja aikakäyriä, jos pyörimisnopeus olisi riittävän nopea,:169 hän ei todistanut tätä. Mutta Hawking huomauttaa, että hänen teoreemansa vuoksi ”se ei voi tapahtua positiivisella energiatiheydellä kaikkialla”! Voin todistaa, että äärellisen aikakoneen rakentamiseen tarvitaan negatiivista energiaa.”:96 Tämä tulos on peräisin Hawkingin vuonna 1992 julkaisemasta artikkelista, joka käsitteli aikasuojauskonjektuuria, jossa hän tutkii ”tapausta, jossa kausaalisuusrikkomukset esiintyvät äärellisellä avaruusajan alueella, jossa ei ole kaarevuussingulariteetteja”, ja todistaa, että ”on olemassa Cauchyn horisontti, joka on kompaktisti generoitu ja joka yleensä sisältää yhden tai useamman suljetun nolla-geodeettisen radan, joka on epätäydellinen. Voidaan määritellä geometrisia suureita, jotka mittaavat Lorentz-vahvistusta ja pinta-alan kasvua kierrettäessä näitä suljettuja nollageodeeseja. Jos kausaalisuusrikkomus kehittyi ei-kompaktista alkupinnasta, keskimääräisen heikon energian ehtoa on rikottava Cauchyn horisontissa.” Tämä teoreema ei sulje pois aikamatkustamisen mahdollisuutta aikakoneilla, joissa on ei-kompaktisti syntynyt Cauchyn horisontti (kuten Deutsch-Politzerin aikakone) tai alueilla, jotka sisältävät eksoottista ainetta, jota käytettäisiin läpikuljettaviin madonreikiin tai Alcubierren ajoon ja mustaan aukkoon.

Kvanttifysiikka

Ei-viestintäteoreema

Kun signaali lähetetään yhdestä paikasta ja vastaanotetaan toisesta paikasta, niin niin kauan kuin signaali liikkuu valon nopeudella tai hitaammin, suhteellisuusteorian samanaikaisuusmatematiikka osoittaa, että kaikki viitekehykset ovat yhtä mieltä siitä, että lähetystapahtuma tapahtui ennen vastaanottotapahtumaa. Kun signaali kulkee valoa nopeammin, se vastaanotetaan kaikissa viitekehyksissä ennen sen lähettämistä. Signaalin voidaan sanoa liikkuneen ajassa taaksepäin. Tähän hypoteettiseen skenaarioon viitataan joskus takionisena antitelefonina.

Kvanttimekaaniset ilmiöt, kuten kvanttiteleportaatio, EPR-paradoksi tai kvanttikietoutuminen, saattavat näyttää luovan mekanismin, joka mahdollistaa valoa nopeamman viestinnän tai aikamatkustamisen, ja itse asiassa joissakin kvanttimekaniikan tulkinnoissa, kuten Bohmin tulkinnassa, oletetaankin, että hiukkasten välillä vaihdetaan jonkin verran informaatiota hetkessä hiukkasten välisten korrelaatioiden ylläpitämiseksi. Einstein kutsui tätä efektiä ”aavemaiseksi toiminnaksi etäisyydellä”.

Nykyaikaisissa kvanttikenttäteorioissa se, että kausaalisuus säilyy kvanttimekaniikassa, on kuitenkin tiukka tulos, ja siksi nykyaikaiset teoriat eivät salli aikamatkailua tai ylivalonnopeaa viestintää. Kaikissa erityistapauksissa, joissa on väitetty FTL:ää, tarkempi analyysi on osoittanut, että signaalin saamiseksi on käytettävä myös jonkinlaista klassista viestintää. Viestimättömyysteoreema antaa myös yleisen todisteen siitä, että kvanttikietoutumista ei voida käyttää informaation siirtämiseen klassisia signaaleja nopeammin.

Vuorovaikutteinen monimaailmatulkinta

Variaatio Hugh Everettin kvanttimekaniikan monimaailmatulkinnasta (MWI) tarjoaa ratkaisun isoisäparadoksiin, jossa aikamatkustaja saapuu eri universumiin kuin mistä hän on tullut; on väitetty, että koska aikamatkustaja saapuu toisen universumin historiaan eikä omaan historiaansa, kyseessä ei ole ”aito” aikamatkailu. Hyväksytyn monimaailmatulkinnan mukaan kaikki mahdolliset kvanttitapahtumat voivat tapahtua toisensa poissulkevissa historioissa. Joissakin muunnelmissa eri universumit voivat kuitenkin olla vuorovaikutuksessa keskenään. Tätä käsitettä käytetään useimmiten tieteiskirjallisuudessa, mutta jotkut fyysikot, kuten David Deutsch, ovat ehdottaneet, että aikamatkustajan pitäisi päätyä eri historiaan kuin mihin hän on lähtenyt. Toisaalta Stephen Hawking on väittänyt, että vaikka MWI pitäisikin paikkansa, meidän pitäisi olettaa jokaisen aikamatkustajan kokevan vain yhden itseään johdonmukaisen historian, jotta aikamatkustajat pysyisivät omassa maailmassaan sen sijaan, että matkustaisivat eri maailmaan. Fyysikko Allen Everett väitti, että Deutschin lähestymistapa ”edellyttää kvanttimekaniikan perusperiaatteiden muuttamista; se menee varmasti pidemmälle kuin pelkkä MWI:n hyväksyminen”. Everett väittää myös, että vaikka Deutschin lähestymistapa olisikin oikea, se merkitsisi sitä, että mikä tahansa makroskooppinen objekti, joka koostuu useista hiukkasista, jakautuisi kahtia matkatessaan ajassa taaksepäin madonreiän kautta, jolloin eri hiukkaset syntyisivät eri maailmoihin.

Kokeelliset tulokset

Tietyissä tehdyissä kokeissa annetaan vaikutelma käänteisestä kausaalisuudesta, mutta tarkemmassa tarkastelussa se ei näy.

Marlan Scullyn suorittamassa viivästetyn valinnan kvanttipyyhkäisykokeessa käytetään kietoutuneita fotonipareja, jotka jaetaan ”signaalifotoneihin” ja ”tyhjäkäyntifotoneihin”, jolloin signaalifotonit syntyvät jommastakummasta paikasta ja niiden sijainti mitataan myöhemmin kuten kaksoissaljakokeessa. Riippuen siitä, miten tyhjäkäyntifotoni mitataan, kokeen suorittaja voi joko oppia, mistä kahdesta paikasta signaalifotoni lähti, tai ”pyyhkiä” tämän tiedon. Vaikka signaalifotonit voidaan mitata ennen kuin tyhjäkäyntifotoneja koskeva valinta on tehty, valinta näyttää takautuvasti määrittävän sen, havaitaanko interferenssikuvio vai ei, kun tyhjäkäyntifotonien mittauksia korreloidaan vastaavien signaalifotonien kanssa. Koska interferenssiä voidaan kuitenkin havaita vasta sen jälkeen, kun tyhjäkäyntifotonit on mitattu ja ne on korreloitu signaalifotonien kanssa, kokeen tekijät eivät voi mitenkään kertoa etukäteen, mikä valinta tehdään pelkästään signaalifotoneja tarkastelemalla, vaan ainoastaan keräämällä klassista tietoa koko järjestelmästä; näin kausaalisuus säilyy.

Lijun Wangin kokeessa saattaisi myös näkyä kausaalisuuden loukkaus, koska sen avulla pystyttiin lähettämään aaltopaketteja cesiumkaasulampun läpi siten, että paketti näytti poistuvan lampusta 62 nanosekuntia ennen sen sisääntuloa, mutta aaltopaketti ei ole yksittäinen tarkkaan määritelty objekti vaan useiden eri taajuuksien aaltojen summa (vrt. Fourier-analyysi), ja paketti voi näennäisesti liikkua valoa nopeammin kuin valon nopeus, tai peräti taantua ajassa, vaikkei yksikään puhtaista aalloista summassa niin tekisi. Tämän efektin avulla ei voida lähettää mitään ainetta, energiaa tai informaatiota valoa nopeammin, joten tämänkään kokeen ei ymmärretä rikkovan kausaliteettia.

Koblenzin yliopiston fyysikot Günter Nimtz ja Alfons Stahlhofen väittävät rikkoneensa Einsteinin suhteellisuusteoriaa lähettämällä fotoneja valonnopeutta nopeammin. He sanovat tehneensä kokeen, jossa mikroaaltofotonit kulkivat ”hetkessä” parin prisman välillä, jotka oli siirretty 0,91 metrin etäisyydelle toisistaan, käyttäen ilmiötä, jota kutsutaan kvanttitunneloinniksi. Nimtz kertoi New Scientist -lehdelle: ”Tämä on toistaiseksi ainoa tietämäni erityissuhteellisuusteorian rikkomus.” Toiset fyysikot sanovat kuitenkin, että tämä ilmiö ei mahdollista valoa nopeampaa tiedonsiirtoa. Kanadalaisen Toronton yliopiston kvanttioptiikan asiantuntija Aephraim Steinberg käyttää vertauksena junaa, joka matkustaa Chicagosta New Yorkiin, mutta jättää junan vaunuja jokaisella matkan varrella olevalla asemalla niin, että junan keskipiste liikkuu eteenpäin jokaisella pysäkillä; näin junan keskipisteen nopeus ylittää kaikkien yksittäisten vaunujen nopeuden.

Shengwang Du väittää vertaisarvioidussa lehdessä havainneensa yksittäisten fotonien esiasteet ja sanoo, että ne eivät kulje tyhjiössä nopeammin kuin c. Hänen kokeessaan käytettiin hidasta valoa sekä valon kulkua tyhjiön läpi. Hän synnytti kaksi yksittäistä fotonia kuljettamalla toisen laserin avulla jäähdytettyjen rubidiumatomien läpi (jolloin valo hidastui) ja toisen tyhjiön läpi. Molemmilla kerroilla esiasteet ilmeisesti edelsivät fotonien pääkappaleita, ja esiaste kulki tyhjiössä c:n nopeudella. Du:n mukaan tämä merkitsee sitä, että ei ole mahdollista, että valo kulkisi nopeammin kuin c, eikä siten ole mahdollista rikkoa kausaliteettia.

Aikamatkustajien puuttuminen tulevaisuudesta

Krononautit

Monet ovat väittäneet, että aikamatkustajien poissaolo tulevaisuudesta osoittaa, että sellaista teknologiaa ei tulla koskaan kehittämään, ja viittaa siten sen mahdottomuuteen. Tämä on analoginen Fermi-paradoksin kanssa, joka liittyy todisteiden puuttumiseen maan ulkopuolisesta elämästä. Kuten maan ulkopuolisten vierailijoiden puuttuminen ei kategorisesti todista, ettei heitä ole olemassa, aikamatkustajien puuttuminen ei myöskään todista, että aikamatkailu on fyysisesti mahdotonta; voi olla, että aikamatkailu on fyysisesti mahdollista, mutta sitä ei koskaan kehitetä tai sitä käytetään varovaisesti. Carl Sagan ehdotti kerran mahdollisuutta, että aikamatkustajia voisi olla täällä, mutta he peittelevät olemassaolonsa tai heitä ei tunnisteta aikamatkustajiksi. Eräät yleisen suhteellisuusteorian versiot viittaavat siihen, että aikamatkustaminen voisi olla mahdollista vain tietyllä tavalla vääristyneellä avaruusajan alueella, ja näin ollen aikamatkustajat eivät voisi matkustaa takaisin avaruusajan aikaisemmille alueille, ennen kuin tämä alue oli olemassa. Stephen Hawking totesi, että tämä selittäisi sen, miksi maailma ei ole vielä joutunut ”tulevaisuudesta tulleiden turistien” valtaamaksi.

Monissa kokeissa on yritetty houkutella tulevaisuuden ihmisiä, jotka saattavat keksiä aikamatkustusteknologian, palaamaan takaisin ja esittelemään sitä nykyajan ihmisille. Perthin Destination Dayn tai MIT:n Time Traveler Conventionin kaltaiset tapahtumat mainostivat voimakkaasti pysyviä ”mainoksia” tapaamisajankohdasta ja -paikasta, jossa tulevat aikamatkustajat voisivat tavata. Vuonna 1982 Marylandin Baltimoressa sijaitseva ryhmä, joka tunnistautui nimellä Krononauts, järjesti tämäntyyppisen tapahtuman, jossa toivotettiin tervetulleeksi vierailijoita tulevaisuudesta. Näillä kokeiluilla oli vain mahdollisuus saada aikaan positiivinen tulos, joka osoittaisi aikamatkustamisen olemassaolon, mutta ne ovat toistaiseksi epäonnistuneet – yhdenkään aikamatkustajan ei tiedetä osallistuneen kumpaankaan tapahtumaan. Joidenkin monien maailmojen tulkinnan versioiden avulla voidaan olettaa, että tulevaisuuden ihmiset ovat matkustaneet ajassa taaksepäin, mutta matkustaneet takaisin tapaamisaikaan ja -paikkaan rinnakkaisuniversumissa.