Viaggi nel tempo

Alcune teorie, in particolare la relatività speciale e generale, suggeriscono che opportune geometrie dello spaziotempo o specifici tipi di movimento nello spazio potrebbero consentire viaggi nel tempo nel passato e nel futuro, se queste geometrie o movimenti fossero possibili.:499 In articoli tecnici, i fisici discutono la possibilità di curve temporali chiuse, che sono linee del mondo che formano anelli chiusi nello spaziotempo, permettendo agli oggetti di tornare al proprio passato. Si sa che esistono soluzioni alle equazioni della relatività generale che descrivono spazi che contengono curve temporali chiuse, come lo spaziotempo di Gödel, ma la plausibilità fisica di queste soluzioni è incerta.

Molti nella comunità scientifica credono che i viaggi nel tempo all’indietro siano altamente improbabili. Qualsiasi teoria che permetta i viaggi nel tempo introdurrebbe potenziali problemi di causalità. L’esempio classico di un problema che coinvolge la causalità è il “paradosso del nonno”: cosa succederebbe se uno tornasse indietro nel tempo e uccidesse il proprio nonno prima che il padre sia stato concepito? Alcuni fisici, come Novikov e Deutsch, hanno suggerito che questo tipo di paradossi temporali possono essere evitati attraverso il principio di autoconsistenza di Novikov o una variazione dell’interpretazione dei molti mondi con mondi interagenti.

Relatività generale

I viaggi nel tempo al passato sono teoricamente possibili in certe geometrie dello spazio-tempo della relatività generale che permettono di viaggiare più velocemente della velocità della luce, come le stringhe cosmiche, i wormholes attraversabili e le unità Alcubierre.33-130 La teoria della relatività generale suggerisce una base scientifica per la possibilità di viaggi nel tempo all’indietro in alcuni scenari insoliti, anche se gli argomenti della gravità semiclassica suggeriscono che quando gli effetti quantistici sono incorporati nella relatività generale, queste scappatoie possono essere chiuse. Questi argomenti semiclassici hanno portato Stephen Hawking a formulare la congettura della protezione cronologica, suggerendo che le leggi fondamentali della natura impediscono i viaggi nel tempo, ma i fisici non possono giungere a un giudizio definitivo sulla questione senza una teoria della gravità quantistica che unisca la meccanica quantistica e la relatività generale in una teoria completamente unificata.:150

Diverse geometrie dello spaziotempo

La teoria della relatività generale descrive l’universo secondo un sistema di equazioni di campo che determina la metrica, o funzione di distanza, dello spaziotempo. Esistono soluzioni esatte a queste equazioni che includono curve chiuse simili al tempo, che sono linee del mondo che si intersecano; qualche punto nel futuro causale della linea del mondo è anche nel suo passato causale, una situazione che può essere descritta come viaggio nel tempo. Una tale soluzione fu proposta per la prima volta da Kurt Gödel, una soluzione conosciuta come la metrica di Gödel, ma la sua soluzione (e quella di altri) richiede che l’universo abbia caratteristiche fisiche che non sembra avere,:499 come la rotazione e la mancanza di espansione di Hubble. Se la relatività generale proibisca curve temporali chiuse per tutte le condizioni realistiche è ancora oggetto di ricerca.

Wormholes

I wormhole sono un ipotetico spazio-tempo deformato permesso dalle equazioni di campo di Einstein della relatività generale:100 Una proposta di macchina per il viaggio nel tempo che utilizza un wormhole attraversabile funzionerebbe ipoteticamente nel modo seguente: Un’estremità del wormhole viene accelerata a qualche frazione significativa della velocità della luce, forse con qualche sistema di propulsione avanzato, e poi riportata al punto di origine. In alternativa, un altro modo è quello di prendere un ingresso del wormhole e spostarlo all’interno del campo gravitazionale di un oggetto che ha una gravità maggiore dell’altro ingresso, e poi riportarlo in una posizione vicina all’altro ingresso. Per entrambi questi metodi, la dilatazione del tempo fa sì che l’estremità del wormhole che è stata spostata sia invecchiata meno, o diventi più “giovane”, rispetto all’estremità stazionaria, come visto da un osservatore esterno; tuttavia, il tempo si connette in modo diverso attraverso il wormhole rispetto all’esterno di esso, così che gli orologi sincronizzati alle due estremità del wormhole rimarranno sempre sincronizzati come visto da un osservatore che passa attraverso il wormhole, non importa come le due estremità si spostino.Questo significa che un osservatore che entra nell’estremità “più giovane” uscirebbe dall’estremità “più vecchia” in un momento in cui aveva la stessa età dell’estremità “più giovane”, andando effettivamente indietro nel tempo come visto da un osservatore dall’esterno. Una limitazione significativa di una tale macchina del tempo è che è possibile andare indietro nel tempo solo fino alla creazione iniziale della macchina;:503 in sostanza, è più un percorso nel tempo che un dispositivo che si muove nel tempo, e non permetterebbe alla tecnologia stessa di essere spostata indietro nel tempo.

Secondo le attuali teorie sulla natura dei wormhole, la costruzione di un wormhole attraversabile richiederebbe l’esistenza di una sostanza con energia negativa, spesso indicata come “materia esotica”. Più tecnicamente, il wormhole spacetime richiede una distribuzione di energia che violi varie condizioni di energia, come la condizione di energia nulla insieme alle condizioni di energia debole, forte e dominante. Tuttavia, è noto che gli effetti quantistici possono portare a piccole violazioni misurabili della condizione di energia nulla:101 e molti fisici credono che l’energia negativa richiesta possa essere effettivamente possibile a causa dell’effetto Casimir nella fisica quantistica. Anche se i primi calcoli suggerivano che sarebbe stata necessaria una quantità molto grande di energia negativa, i calcoli successivi hanno dimostrato che la quantità di energia negativa può essere resa arbitrariamente piccola.

Nel 1993, Matt Visser sostenne che le due bocche di un wormhole con una tale differenza di clock indotta non potevano essere riunite senza indurre effetti di campo quantico e gravitazionali che avrebbero fatto collassare il wormhole o che le due bocche si sarebbero respinte a vicenda. A causa di questo, le due bocche non potrebbero essere avvicinate abbastanza per far sì che la violazione della causalità abbia luogo. Tuttavia, in un articolo del 1997, Visser ha ipotizzato che una complessa configurazione ad “anello romano” (dal nome di Tom Roman) di un numero N di wormhole disposti in un poligono simmetrico potrebbe ancora agire come una macchina del tempo, anche se conclude che questo è più probabilmente un difetto nella teoria classica della gravità quantistica piuttosto che la prova che la violazione della causalità è possibile.

Altri approcci basati sulla relatività generale

Un altro approccio coinvolge un cilindro denso che gira, solitamente indicato come cilindro di Tipler, una soluzione GR scoperta da Willem Jacob van Stockum nel 1936 e da Kornel Lanczos nel 1924, ma non riconosciuta come capace di consentire curve temporali chiuse:21 fino a un’analisi di Frank Tipler nel 1974. Se un cilindro è infinitamente lungo e gira abbastanza velocemente intorno al suo asse lungo, allora un’astronave che vola intorno al cilindro su un percorso a spirale potrebbe viaggiare indietro nel tempo (o in avanti, a seconda della direzione della sua spirale). Tuttavia, la densità e la velocità richieste sono così grandi che la materia ordinaria non è abbastanza forte per costruirla. Un dispositivo simile potrebbe essere costruito da una stringa cosmica, ma non se ne conosce l’esistenza, e non sembra possibile creare una nuova stringa cosmica. Il fisico Ronald Mallett sta tentando di ricreare le condizioni di un buco nero rotante con laser ad anello, per piegare lo spaziotempo e permettere i viaggi nel tempo.

Un’obiezione più fondamentale agli schemi di viaggio nel tempo basati su cilindri rotanti o stringhe cosmiche è stata avanzata da Stephen Hawking, che ha dimostrato un teorema che dimostra che secondo la relatività generale è impossibile costruire una macchina del tempo di un tipo speciale (una “macchina del tempo con l’orizzonte di Cauchy generato in modo compatto”) in una regione dove la condizione di energia debole è soddisfatta, cioè la regione non contiene materia con densità energetica negativa (materia esotica). Soluzioni come quella di Tipler presuppongono cilindri di lunghezza infinita, che sono più facili da analizzare matematicamente, e sebbene Tipler abbia suggerito che un cilindro finito potrebbe produrre curve temporali chiuse se la velocità di rotazione fosse abbastanza veloce,:169 non lo ha dimostrato. Ma Hawking sottolinea che a causa del suo teorema, “non può essere fatto con densità di energia positiva ovunque! Posso dimostrare che per costruire una macchina del tempo finita, hai bisogno di energia negativa”:96 Questo risultato proviene dall’articolo di Hawking del 1992 sulla congettura della protezione cronologica, dove esamina “il caso in cui le violazioni di causalità appaiono in una regione finita di spaziotempo senza singolarità di curvatura” e dimostra che “ci sarà un orizzonte di Cauchy che è generato in modo compatto e che in generale contiene una o più geodetiche chiuse nulle che saranno incomplete. Si possono definire quantità geometriche che misurano la spinta di Lorentz e l’aumento dell’area girando intorno a queste geodetiche nulle chiuse. Se la violazione della causalità si è sviluppata da una superficie iniziale non compatta, la condizione di energia debole media deve essere violata sull’orizzonte di Cauchy”. Questo teorema non esclude la possibilità di viaggi nel tempo per mezzo di macchine del tempo con gli orizzonti di Cauchy generati in modo non compatto (come la macchina del tempo di Deutsch-Politzer) o in regioni che contengono materia esotica, che verrebbero utilizzate per i wormhole attraversabili o il drive Alcubierre e il buco nero.

Fisica quantistica

Teorema di non comunicazione

Quando un segnale viene inviato da un luogo e ricevuto in un altro luogo, allora finché il segnale si muove alla velocità della luce o più lentamente, la matematica della simultaneità nella teoria della relatività mostra che tutti i frame di riferimento concordano sul fatto che l’evento di trasmissione è avvenuto prima dell’evento di ricezione. Quando il segnale viaggia più veloce della luce, viene ricevuto prima di essere inviato, in tutti i quadri di riferimento. Si potrebbe dire che il segnale si è spostato indietro nel tempo. Questo scenario ipotetico è talvolta indicato come un antitelefono tachionico.

Fenomeni di meccanica quantistica come il teletrasporto quantistico, il paradosso EPR o l’entanglement quantistico potrebbero sembrare creare un meccanismo che permette una comunicazione più veloce della luce (FTL) o un viaggio nel tempo, e in effetti alcune interpretazioni della meccanica quantistica come l’interpretazione di Bohm presumono che alcune informazioni vengano scambiate tra le particelle istantaneamente per mantenere le correlazioni tra le particelle. Questo effetto è stato definito da Einstein come “azione spettrale a distanza”.

Nonostante, il fatto che la causalità sia preservata nella meccanica quantistica è un risultato rigoroso nelle moderne teorie quantistiche di campo, e quindi le teorie moderne non permettono viaggi nel tempo o comunicazioni FTL. In ogni caso specifico in cui è stato affermato l’FTL, un’analisi più dettagliata ha dimostrato che per ottenere un segnale, deve essere utilizzata anche qualche forma di comunicazione classica. Il teorema della non comunicazione fornisce anche una prova generale che l’entanglement quantistico non può essere usato per trasmettere informazioni più velocemente dei segnali classici.

Interpretazione di molti mondi

Una variante dell’interpretazione di molti mondi (MWI) della meccanica quantistica di Hugh Everett fornisce una risoluzione al paradosso del nonno che coinvolge il viaggiatore del tempo che arriva in un universo diverso da quello da cui proviene; è stato argomentato che poiché il viaggiatore arriva nella storia di un universo diverso e non nella propria storia, questo non è un “genuino” viaggio nel tempo. L’interpretazione accettata dei molti mondi suggerisce che tutti i possibili eventi quantistici possono verificarsi in storie che si escludono a vicenda. Tuttavia, alcune varianti permettono a diversi universi di interagire. Questo concetto è più spesso usato nella fantascienza, ma alcuni fisici come David Deutsch hanno suggerito che un viaggiatore nel tempo dovrebbe finire in una storia diversa da quella da cui è partito. D’altra parte, Stephen Hawking ha sostenuto che anche se il MWI è corretto, dovremmo aspettarci che ogni viaggiatore del tempo sperimenti una singola storia autoconsistente, in modo che i viaggiatori del tempo rimangano all’interno del loro mondo piuttosto che viaggiare in uno diverso. Il fisico Allen Everett ha sostenuto che l’approccio di Deutsch “comporta la modifica dei principi fondamentali della meccanica quantistica; certamente va oltre la semplice adozione del MWI”. Everett sostiene anche che anche se l’approccio di Deutsch è corretto, implicherebbe che qualsiasi oggetto macroscopico composto da più particelle sarebbe diviso quando viaggia indietro nel tempo attraverso un wormhole, con particelle diverse che emergono in mondi diversi.

Risultati sperimentali

Alcuni esperimenti eseguiti danno l’impressione di causalità invertita, ma non riescono a mostrarla sotto un esame più attento.

L’esperimento di cancellazione quantistica a scelta ritardata eseguito da Marlan Scully coinvolge coppie di fotoni entangled che sono divisi in “fotoni segnale” e “fotoni oziosi”, con i fotoni segnale che emergono da una delle due posizioni e la loro posizione misurata successivamente come nell’esperimento della doppia fenditura. A seconda di come viene misurato il fotone ozioso, lo sperimentatore può imparare da quale delle due posizioni è emerso il fotone segnale o “cancellare” questa informazione. Anche se i fotoni di segnale possono essere misurati prima che sia stata fatta la scelta sui fotoni folli, la scelta sembra determinare retroattivamente se un modello di interferenza è osservato o meno quando si correlano le misure dei fotoni folli ai corrispondenti fotoni di segnale. Tuttavia, poiché l’interferenza può essere osservata solo dopo che i fotoni folli sono misurati e sono correlati con i fotoni del segnale, non c’è modo per gli sperimentatori di dire quale scelta sarà fatta in anticipo solo guardando i fotoni del segnale, solo raccogliendo informazioni classiche dall’intero sistema; così la causalità è preservata.

L’esperimento di Lijun Wang potrebbe anche mostrare una violazione della causalità, poiché ha reso possibile inviare pacchetti di onde attraverso una lampadina di gas di cesio in modo tale che il pacchetto sembrava uscire dalla lampadina 62 nanosecondi prima del suo ingresso, ma un pacchetto di onde non è un singolo oggetto ben definito, ma piuttosto una somma di più onde di diverse frequenze (vedi analisi di Fourier), e il pacchetto può sembrare muoversi più velocemente della luce o addirittura indietro nel tempo anche se nessuna delle onde pure nella somma lo fa. Questo effetto non può essere usato per inviare materia, energia o informazioni più velocemente della luce, quindi questo esperimento è inteso per non violare nemmeno la causalità.

I fisici Günter Nimtz e Alfons Stahlhofen, dell’Università di Coblenza, sostengono di aver violato la teoria della relatività di Einstein trasmettendo fotoni più velocemente della velocità della luce. Dicono di aver condotto un esperimento in cui i fotoni a microonde hanno viaggiato “istantaneamente” tra una coppia di prismi che erano stati spostati fino a 3 piedi (0,91 m) di distanza, utilizzando un fenomeno noto come tunneling quantistico. Nimtz ha detto alla rivista New Scientist: “Per il momento, questa è l’unica violazione della relatività speciale di cui sono a conoscenza.” Tuttavia, altri fisici dicono che questo fenomeno non permette di trasmettere informazioni più velocemente della luce. Aephraim Steinberg, un esperto di ottica quantistica all’Università di Toronto, Canada, usa l’analogia di un treno che viaggia da Chicago a New York, ma che lascia i vagoni ad ogni stazione lungo il percorso, in modo che il centro del treno si muova in avanti ad ogni fermata; in questo modo, la velocità del centro del treno supera la velocità di ogni singolo vagone.

Shengwang Du sostiene in una rivista peer-reviewed di aver osservato i precursori dei singoli fotoni, dicendo che non viaggiano più velocemente di c nel vuoto. Il suo esperimento ha coinvolto la luce lenta e il passaggio della luce nel vuoto. Ha generato due fotoni singoli, facendone passare uno attraverso atomi di rubidio che erano stati raffreddati con un laser (rallentando così la luce) e facendone passare uno attraverso il vuoto. Entrambe le volte, apparentemente, i precursori hanno preceduto i corpi principali dei fotoni, e il precursore ha viaggiato a c nel vuoto. Secondo Du, questo implica che non c’è alcuna possibilità che la luce viaggi più veloce di c e, quindi, nessuna possibilità di violare la causalità.

Assenza di viaggiatori del tempo dal futuro

Krononauts

Molti hanno sostenuto che l’assenza di viaggiatori del tempo dal futuro dimostra che tale tecnologia non sarà mai sviluppata, suggerendo che è impossibile. Questo è analogo al paradosso di Fermi relativo all’assenza di prove di vita extraterrestre. Come l’assenza di visitatori extraterrestri non prova categoricamente che non esistano, così l’assenza di viaggiatori nel tempo non prova che i viaggi nel tempo siano fisicamente impossibili; potrebbe essere che i viaggi nel tempo siano fisicamente possibili ma non siano mai sviluppati o siano usati con cautela. Carl Sagan una volta ha suggerito la possibilità che i viaggiatori del tempo potrebbero essere qui ma stanno mascherando la loro esistenza o non sono riconosciuti come viaggiatori del tempo. Alcune versioni della relatività generale suggeriscono che i viaggi nel tempo potrebbero essere possibili solo in una regione del tempo spaziale che è deformata in un certo modo, e quindi i viaggiatori nel tempo non sarebbero in grado di viaggiare indietro a regioni precedenti nel tempo spaziale, prima che questa regione esistesse. Stephen Hawking ha dichiarato che questo spiegherebbe perché il mondo non è ancora stato invaso da “turisti dal futuro”.

Sono stati condotti diversi esperimenti per cercare di invogliare gli umani del futuro, che potrebbero inventare la tecnologia dei viaggi nel tempo, a tornare indietro e dimostrarla alla gente del tempo presente. Eventi come il Destination Day di Perth o la Time Traveler Convention del MIT hanno pesantemente pubblicizzato la “pubblicità” permanente di un tempo e di un luogo d’incontro per i futuri viaggiatori del tempo. Nel 1982, un gruppo di Baltimora, Maryland, identificandosi come i Krononauti, ha ospitato un evento di questo tipo accogliendo visitatori dal futuro. Questi esperimenti avevano solo la possibilità di generare un risultato positivo che dimostrasse l’esistenza dei viaggi nel tempo, ma finora hanno fallito: non si sa che nessun viaggiatore del tempo abbia partecipato a nessuno dei due eventi. Alcune versioni dell’interpretazione dei molti mondi possono essere usate per suggerire che gli umani del futuro hanno viaggiato indietro nel tempo, ma hanno viaggiato indietro al tempo e al luogo dell’incontro in un universo parallelo.