Időutazás

Egyes elméletek, leginkább a speciális és az általános relativitáselmélet, azt sugallják, hogy a téridő megfelelő geometriái vagy a térben végzett bizonyos típusú mozgások lehetővé tennék az időutazást a múltba és a jövőbe, ha ezek a geometriák vagy mozgások lehetségesek lennének. 499 A fizikusok a szakcikkekben a zárt időgörbék lehetőségét tárgyalják, amelyek olyan világvonalak, amelyek zárt hurkokat alkotnak a téridőben, és lehetővé teszik, hogy a tárgyak visszatérjenek a saját múltjukba. Az általános relativitáselmélet egyenleteinek ismertek olyan megoldásai, amelyek olyan téridőket írnak le, amelyek zárt időszerű görbéket tartalmaznak, mint például a Gödel-téridő, de ezeknek a megoldásoknak a fizikai plauzibilitása bizonytalan.

A tudományos közösségben sokan úgy vélik, hogy a visszafelé történő időutazás nagyon valószínűtlen. Bármilyen elmélet, amely lehetővé tenné az időutazást, potenciális oksági problémákat vezetne be. A kauzalitással kapcsolatos probléma klasszikus példája a “nagyapa-paradoxon”: mi lenne, ha valaki visszamenne az időben, és megölné a saját nagyapját, mielőtt az apja megfogant volna? Néhány fizikus, mint például Novikov és Deutsch, azt javasolta, hogy az ilyen típusú időparadoxonok elkerülhetők a Novikov-féle önkonzisztencia elv vagy a sokvilág-értelmezés egy változata révén, kölcsönhatásban lévő világokkal.

Általános relativitáselmélet

A múltba való időutazás elméletileg lehetséges bizonyos általános relativitáselméleti téridőgeometriákban, amelyek lehetővé teszik a fénysebességnél gyorsabb utazást, mint például a kozmikus húr, az átjárható féreglyukak és az Alcubierre-hajtások.:33-130 Az általános relativitáselmélet valóban tudományos alapot sugall a visszafelé történő időutazás lehetőségére bizonyos szokatlan forgatókönyvekben, bár a félklasszikus gravitáció érvei arra utalnak, hogy amikor a kvantumhatásokat beépítik az általános relativitáselméletbe, ezek a kiskapuk bezárulhatnak. Ezek a félklasszikus érvek vezettek Stephen Hawkinghoz, hogy megfogalmazza a kronológiai védelem feltevését, amely szerint a természet alapvető törvényei megakadályozzák az időutazást, de a fizikusok nem tudnak végleges ítéletet alkotni a kérdésben a kvantumgravitáció elmélete nélkül, amely a kvantummechanikát és az általános relativitáselméletet egy teljesen egységes elméletté egyesíti. 150

Eltérő téridőgeometriák

Az általános relativitáselmélet a téridő metrikáját, vagyis távolságfüggvényét meghatározó mezőegyenletek rendszere alapján írja le a világegyetemet. Ezeknek az egyenleteknek léteznek olyan egzakt megoldásai, amelyek zárt időszerű görbéket, azaz önmagukat metsző világvonalakat tartalmaznak; a világvonal kauzális jövőjének valamely pontja egyben annak kauzális múltjában is van, ami időutazásként írható le. Ilyen megoldást először Kurt Gödel javasolt, a Gödel-metrika néven ismert megoldást, de az ő (és mások) megoldása megköveteli, hogy a világegyetem olyan fizikai tulajdonságokkal rendelkezzen, amelyekkel a jelek szerint nem rendelkezik:499 mint például a forgás és a Hubble-tágulás hiánya. Azt, hogy az általános relativitáselmélet minden reális feltétel esetén tiltja-e a zárt időszerű görbéket, még mindig kutatják.

Féreglyukak

A féreglyukak az általános relativitáselmélet Einstein-féle mezőegyenletei által megengedett, hipotetikusan eltorzult téridő. 100 Egy javasolt időutazó gép, amely egy átjárható féreglyukat használ, hipotetikusan a következőképpen működne: A féreglyuk egyik végét felgyorsítják a fénysebesség valamilyen jelentős hányadára, esetleg valamilyen fejlett meghajtórendszerrel, majd visszahozzák a kiindulási pontra. Másik lehetőség, hogy a féregjárat egyik bejáratát egy olyan objektum gravitációs mezejébe helyezik, amelynek nagyobb a gravitációja, mint a másik bejáraté, majd visszaviszik a másik bejárat közelében lévő helyre. Mindkét módszer esetében az időtágulás azt eredményezi, hogy a féreglyuk elmozdított vége kevésbé öregszik, vagy “fiatalabb” lesz, mint a külső megfigyelő által látott álló vége; azonban az idő másképp kapcsolódik a féreglyukon keresztül, mint azon kívül, így a féreglyuk bármelyik végén lévő szinkronizált órák mindig szinkronban maradnak a féreglyukon áthaladó megfigyelő által látva, függetlenül attól, hogy a két vége hogyan mozog.:502 Ez azt jelenti, hogy egy megfigyelő, aki a “fiatalabb” végébe lép be, olyan időpontban lépne ki a “régebbi” végéből, amikor az ugyanolyan idős volt, mint a “fiatalabb” végében, gyakorlatilag visszamegy az időben, ahogy egy kívülről jövő megfigyelő látja. Egy ilyen időgép egyik jelentős korlátja, hogy csak olyan messzire lehet visszamenni az időben, mint amilyen messzire a gép kezdeti létrehozása volt;:503 lényegében ez inkább egy út az időben, mint egy olyan eszköz, amely maga mozog az időben, és nem tenné lehetővé, hogy magát a technológiát visszamozgassák az időben.

A féreglyukak természetéről szóló jelenlegi elméletek szerint egy átjárható féreglyuk megépítéséhez egy negatív energiájú anyag létezésére lenne szükség, amelyet gyakran “egzotikus anyagnak” neveznek. Technikailag a féreglyuk téridőhöz olyan energiaeloszlásra van szükség, amely megsérti a különböző energiafeltételeket, például a nulla energiafeltételt a gyenge, erős és domináns energiafeltételekkel együtt. Ismert azonban, hogy a kvantumhatások a nulla energia feltételének kis mértékben mérhető megsértéséhez vezethetnek,:101 és sok fizikus úgy véli, hogy a kvantumfizikában a Casimir-hatás miatt a szükséges negatív energia valóban lehetséges. Bár a korai számítások azt sugallták, hogy nagyon nagy mennyiségű negatív energiára lenne szükség, a későbbi számítások azt mutatták, hogy a negatív energia mennyisége tetszőlegesen kicsire tehető.

Matt Visser 1993-ban azt állította, hogy egy féreglyuk két szája ilyen indukált órakülönbséggel nem hozható össze anélkül, hogy kvantumtér- és gravitációs hatásokat idézne elő, amelyek vagy a féreglyuk összeomlását idéznék elő, vagy a két száj taszítaná egymást. Emiatt a két szájat nem lehetne elég közel hozni egymáshoz ahhoz, hogy a kauzalitás megsértése bekövetkezzen. Egy 1997-es tanulmányában Visser azonban felvetette, hogy egy szimmetrikus sokszögben elrendezett N számú féreglyukból álló összetett “római gyűrű” (Tom Roman után elnevezett) konfiguráció még mindig időgépként működhet, bár arra a következtetésre jutott, hogy ez inkább a klasszikus kvantumgravitációs elmélet hibája, mintsem bizonyíték arra, hogy a kauzalitás megsértése lehetséges.

Az általános relativitáselméleten alapuló egyéb megközelítések

Egy másik megközelítés egy sűrű forgó hengert foglal magában, amelyet általában Tipler-hengernek neveznek, egy olyan GR-megoldást, amelyet Willem Jacob van Stockum 1936-ban és Lanczos Kornél 1924-ben fedezett fel, de Frank Tipler 1974-es elemzéséig nem ismerték fel, hogy zárt időgörbéket:21 tesz lehetővé. Ha egy henger végtelen hosszú és elég gyorsan forog a hosszú tengelye körül, akkor egy spirális pályán a henger körül repülő űrhajó visszautazhat az időben (vagy előre, a spirál irányától függően). A szükséges sűrűség és sebesség azonban olyan nagy, hogy a közönséges anyag nem elég erős a megépítéséhez. Hasonló eszközt lehetne építeni egy kozmikus húrból, de úgy tudjuk, hogy ilyen nem létezik, és úgy tűnik, hogy nem lehetséges új kozmikus húr létrehozása. Ronald Mallett fizikus gyűrűs lézerrel próbálja újraalkotni egy forgó fekete lyuk körülményeit, hogy meghajlítsa a téridőt és lehetővé tegye az időutazást.

Egy alapvetőbb ellenvetést a forgó hengereken vagy kozmikus húrokon alapuló időutazási sémákkal szemben Stephen Hawking fogalmazott meg, aki bebizonyított egy tételt, amely szerint az általános relativitáselmélet szerint lehetetlen egy speciális típusú időgépet (“időgép a kompaktan generált Cauchy-horizonttal”) építeni egy olyan régióban, ahol teljesül a gyenge energiafeltétel, vagyis a régió nem tartalmaz negatív energiasűrűségű anyagot (egzotikus anyag). A Tipleréhez hasonló megoldások végtelen hosszúságú hengereket feltételeznek, amelyeket könnyebb matematikailag elemezni, és bár Tipler felvetette, hogy egy véges henger zárt időgörbéket eredményezhet, ha a forgási sebesség elég gyors:169 ezt nem bizonyította. Hawking azonban rámutat, hogy az ő tétele miatt “nem lehet mindenhol pozitív energiasűrűséggel! Be tudom bizonyítani, hogy egy véges időgép megépítéséhez negatív energiára van szükség.”:96 Ez az eredmény Hawking 1992-es, az időrendvédelmi sejtésről szóló dolgozatából származik, amelyben megvizsgálja “azt az esetet, amikor a kauzalitás megsértése a téridő görbületi szingularitások nélküli véges régiójában jelenik meg”, és bizonyítja, hogy “lesz egy Cauchy-horizont, amely kompaktan generált, és amely általában egy vagy több zárt nullgeodézist tartalmaz, amelyek hiányosak lesznek. Meg lehet határozni olyan geometriai mennyiségeket, amelyek a Lorentz-erősítést és a területnövekedést mérik e zárt nullgeodézisek megkerülésével. Ha a kauzalitás megsértése egy nemkompakt kezdeti felületből alakult ki, akkor a Cauchy-horizonton az átlagolt gyenge energiafeltételnek sérülnie kell.” Ez a tétel nem zárja ki az időutazás lehetőségét a nemkompaktan generált Cauchy-horizontokkal rendelkező időgépek segítségével (mint például a Deutsch-Politzer-féle időgép) vagy egzotikus anyagot tartalmazó régiókban, amelyeken átjárható féreglyukak vagy az Alcubierre-hajtómű és a fekete lyuk lenne használható.”

Kvantumfizika

Nemkommunikációs tétel

Ha egy jelet egy helyről küldenek és egy másik helyen fogadnak, akkor mindaddig, amíg a jel fénysebességgel vagy annál lassabban mozog, a relativitáselméletben az egyidejűség matematikája azt mutatja, hogy minden vonatkoztatási keret egyetért abban, hogy az adás-történés a vétel-történés előtt történt. Ha a jel a fénynél gyorsabban halad, akkor minden vonatkoztatási keretben előbb érkezik meg, mint az elküldés. A jelről azt mondhatjuk, hogy időben visszafelé haladt. Ezt a hipotetikus forgatókönyvet néha tachionikus antitelefonnak nevezik.

A kvantummechanikai jelenségek, mint például a kvantumteleportáció, az EPR-paradoxon vagy a kvantum összefonódás látszólag olyan mechanizmust hozhat létre, amely lehetővé teszi a fénynél gyorsabb (FTL) kommunikációt vagy időutazást, és valójában a kvantummechanika néhány értelmezése, például a Bohm-értelmezés feltételezi, hogy a részecskék között pillanatnyi információcsere történik a részecskék közötti korrelációk fenntartása érdekében. Ezt a hatást Einstein “kísérteties távoli cselekvésnek” nevezte.

Mindamellett az a tény, hogy a kvantummechanikában a kauzalitás megmarad, a modern kvantumtérelméletek szigorú eredménye, és ezért a modern elméletek nem teszik lehetővé az időutazást vagy az FTL-kommunikációt. Minden olyan konkrét esetben, ahol FTL-t állítottak, a részletesebb elemzések bebizonyították, hogy a jel megszerzéséhez a klasszikus kommunikáció valamilyen formáját is alkalmazni kell. A nem-kommunikációs tétel általános bizonyítékot ad arra is, hogy a kvantum összefonódás nem használható a klasszikus jeleknél gyorsabb információátvitelre.

Interaktív sokvilág-értelmezés

A Hugh Everett által a kvantummechanika sokvilág-értelmezésének (MWI) egy változata megoldást kínál a nagyapa-paradoxonra, amely szerint az időutazó egy másik univerzumba érkezik, mint ahonnan jött; azzal érvelnek, hogy mivel az utazó egy másik univerzum történelmébe érkezik, és nem a saját történetébe, ez nem “valódi” időutazás. Az elfogadott sok-világ értelmezés azt sugallja, hogy minden lehetséges kvantumesemény előfordulhat egymást kizáró történetekben. Néhány variáció azonban lehetővé teszi, hogy a különböző univerzumok kölcsönhatásba lépjenek egymással. Ezt a koncepciót leggyakrabban a science-fictionben használják, de néhány fizikus, például David Deutsch azt javasolta, hogy az időutazónak egy másik történelemben kellene végeznie, mint ahonnan elindult. Másrészt Stephen Hawking amellett érvelt, hogy még ha az MWI helyes is, akkor is azt kellene várnunk, hogy minden időutazó egyetlen önkonzisztens történelmet tapasztaljon, így az időutazók a saját világukon belül maradnak, nem pedig egy másik világba utaznak. Allen Everett fizikus azzal érvelt, hogy Deutsch megközelítése “a kvantummechanika alapvető elveinek módosítását jelenti; ez minden bizonnyal túlmutat az MWI egyszerű elfogadásán”. Everett azt is állítja, hogy még ha Deutsch megközelítése helyes is, ez azt jelentené, hogy bármely több részecskéből álló makroszkopikus objektum kettészakadna, amikor egy féreglyukon keresztül visszautazik az időben, és a különböző részecskék különböző világokban bukkannának fel.

Kísérleti eredmények

Egyes elvégzett kísérletek a fordított kauzalitás benyomását keltik, de közelebbi vizsgálat során nem mutatják ki.

A Marlan Scully által végzett késleltetett választási kvantumradír kísérletben olyan összefonódott fotonpárokat használnak, amelyeket “jelző fotonokra” és “üres fotonokra” osztanak, a jelző fotonok két hely egyikéből lépnek ki, és helyzetüket később mérik, mint a kettős rés kísérletben. Attól függően, hogy az üres fotont hogyan mérik, a kísérletvezető vagy megtudja, hogy a két hely közül melyikből jött ki a jelző foton, vagy “kitörli” ezt az információt. Annak ellenére, hogy a jelfotonokat meg lehet mérni, mielőtt az üresjáró fotonokkal kapcsolatos választás megtörtént volna, úgy tűnik, hogy a választás visszamenőleg meghatározza, hogy megfigyelhető-e interferenciamintázat vagy sem, amikor az üresjáró fotonok méréseit a megfelelő jelfotonokkal korreláljuk. Mivel azonban az interferenciát csak azután lehet megfigyelni, hogy az üresjáró fotonokat megmérték és korrelálták a jelfotonokkal, a kísérletezők nem tudják előre megmondani, hogy milyen választás fog születni pusztán a jelfotonok megnézésével, csak a teljes rendszerről gyűjtött klasszikus információk alapján; így a kauzalitás megmarad.

Lijun Wang kísérlete is mutathatná a kauzalitás megsértését, mivel lehetővé tette, hogy hullámcsomagokat küldjenek át egy céziumgázból álló izzón úgy, hogy a csomag látszólag 62 nanoszekundummal előbb lép ki az izzóból, mint ahogy belépett, de egy hullámcsomag nem egyetlen jól definiált objektum, hanem több, különböző frekvenciájú hullám összege (lásd Fourier-analízis), és a csomag látszólag a fénynél gyorsabban vagy akár időben visszafelé haladhat, még ha az összegben lévő tiszta hullámok egyike sem teszi ezt. Ezzel a hatással nem lehet a fénynél gyorsabb anyagot, energiát vagy információt küldeni, így ez a kísérlet sem tekinthető a kauzalitás megsértésének.

A Koblenzi Egyetem fizikusai, Günter Nimtz és Alfons Stahlhofen azt állítják, hogy a fénysebességnél gyorsabb fotonok továbbításával megsértették Einstein relativitáselméletét. Elmondásuk szerint olyan kísérletet végeztek, amelyben mikrohullámú fotonok “pillanatok alatt” haladtak egy egymástól 0,91 m-re (3 láb) eltávolított prizmapár között, a kvantum-alagútként ismert jelenséget alkalmazva. Nimtz a New Scientist magazinnak nyilatkozott: “Egyelőre ez az egyetlen általam ismert megsértése a speciális relativitáselméletnek.” Más fizikusok szerint azonban ez a jelenség nem teszi lehetővé a fénynél gyorsabb információátvitelt. Aephraim Steinberg, a kanadai Torontói Egyetem kvantumoptika-szakértője egy olyan vonat analógiáját használja, amely Chicagóból New Yorkba utazik, de útközben minden állomáson leszállítja a vagonokat, így a vonat közepe minden megállóban előre halad; ily módon a vonat közepének sebessége meghaladja az egyes vagonok sebességét.

Shengwang Du egy lektorált folyóiratban azt állítja, hogy megfigyelte az egyes fotonok előidézőit, és azt állítja, hogy azok vákuumban nem haladnak c-nél gyorsabban. Kísérletében lassú fényt, valamint a fény vákuumon való áthaladását alkalmazta. Két egyedi fotont generált, az egyiket lézerrel hűtött rubídiumatomokon vezette át (így lassítva a fényt), a másikat pedig vákuumon. Úgy tűnik, mindkét alkalommal az előfény megelőzte a fotonok főtestét, és az előfény c sebességgel haladt a vákuumban. Du szerint ez azt jelenti, hogy nem lehetséges, hogy a fény c-nél gyorsabban haladjon, és így nem lehetséges a kauzalitás megsértése sem.

A jövőből jövő időutazók hiánya

Krononauták

Mások azt állítják, hogy a jövőből jövő időutazók hiánya azt mutatja, hogy ilyen technológiát soha nem fognak kifejleszteni, ami arra utal, hogy ez lehetetlen. Ez analóg a földönkívüli élet bizonyítékának hiányával kapcsolatos Fermi-paradoxonnal. Ahogy a földönkívüli látogatók hiánya nem bizonyítja kategorikusan, hogy nem léteznek, úgy az időutazók hiánya sem bizonyítja, hogy az időutazás fizikailag lehetetlen; lehet, hogy az időutazás fizikailag lehetséges, de soha nem fejlesztik ki, vagy csak óvatosan használják. Carl Sagan egyszer felvetette annak lehetőségét, hogy az időutazók itt lehetnek, de álcázzák a létezésüket, vagy nem ismerik fel őket időutazóként. Az általános relativitáselmélet egyes változatai azt sugallják, hogy az időutazás csak a téridő egy bizonyos módon eltorzult régiójában lehetséges, és ezért az időutazók nem lennének képesek visszautazni a téridő korábbi régióiba, mielőtt ez a régió létezett volna. Stephen Hawking kijelentette, hogy ez megmagyarázná, miért nem lepték még el a világot “a jövőből érkező turisták”.

Már több kísérletet is végeztek, hogy megpróbálják a jövő embereit, akik esetleg feltalálják az időutazás technológiáját, visszacsábítani, hogy visszatérjenek és bemutassák azt a jelen kor embereinek. Az olyan rendezvények, mint a Perth’s Destination Day vagy az MIT Time Traveler Convention erősen reklámozott állandó “reklámok” egy találkozási időpontról és helyről, ahol a jövő időutazói találkozhatnak. 1982-ben a marylandi Baltimore-ban egy magát Krononauts néven azonosító csoport ilyen típusú, a jövőből érkező látogatókat fogadó rendezvényt tartott. Ezek a kísérletek csak az időutazás létezését bizonyító pozitív eredményt hoztak volna, de eddig kudarcot vallottak – egyetlen időutazóról sem tudunk, aki részt vett volna bármelyik rendezvényen. A sokvilág-értelmezés egyes változatai arra engednek következtetni, hogy a jövő emberei visszautaztak az időben, de a találkozás idejére és helyére egy párhuzamos univerzumban utaztak vissza.