Tijdreizen

In sommige theorieën, met name de speciale en algemene relativiteit, wordt gesuggereerd dat geschikte geometrieën van ruimtetijd of specifieke soorten bewegingen in de ruimte tijdreizen naar het verleden en de toekomst mogelijk zouden kunnen maken, indien deze geometrieën of bewegingen mogelijk waren.:499 In technische documenten bespreken natuurkundigen de mogelijkheid van gesloten tijdelike krommen, dat zijn wereldlijnen die gesloten lussen in ruimtetijd vormen, waardoor objecten naar hun eigen verleden kunnen terugkeren. Er zijn oplossingen van de algemene relativiteitsvergelijkingen bekend die ruimtetijden beschrijven die gesloten tijdelike krommen bevatten, zoals de Gödel ruimtetijd, maar de fysische plausibiliteit van deze oplossingen is onzeker.

Velen in de wetenschappelijke gemeenschap geloven dat terugwaarts tijdreizen zeer onwaarschijnlijk is. Elke theorie die tijdreizen mogelijk zou maken, zou potentiële causaliteitsproblemen introduceren. Het klassieke voorbeeld van een causaliteitsprobleem is de “grootvader-paradox”: wat als men terug zou gaan in de tijd en zijn eigen grootvader zou doden voordat zijn vader werd verwekt? Sommige natuurkundigen, zoals Novikov en Deutsch, hebben gesuggereerd dat dit soort tijdparadoxen kan worden vermeden door het Novikov zelfconsistentieprincipe of een variant van de veel-werelden interpretatie met interacterende werelden.

Algemene relativiteit

Tijdreizen naar het verleden is theoretisch mogelijk in bepaalde algemene relativiteitruimtetijdgeometrieën die reizen sneller dan de lichtsnelheid mogelijk maken, zoals kosmische snaren, doorkruisbare wormgaten, en Alcubierre aandrijvingen.De algemene relativiteitstheorie suggereert een wetenschappelijke basis voor de mogelijkheid van terugwaarts tijdreizen in bepaalde ongebruikelijke scenario’s, hoewel argumenten uit de semiklassieke zwaartekracht suggereren dat wanneer kwantumeffecten in de algemene relativiteit worden opgenomen, deze mazen kunnen worden gedicht. Deze semiklassieke argumenten leidden Stephen Hawking tot het formuleren van het chronologie-beschermingsvermoeden, dat suggereert dat de fundamentele natuurwetten tijdreizen verhinderen, maar natuurkundigen kunnen geen definitief oordeel vellen over deze kwestie zonder een theorie van kwantumzwaartekracht om kwantummechanica en algemene relativiteit samen te voegen tot een volledig verenigde theorie.:150

Verschillende ruimtetijdgeometrieën

De algemene relativiteitstheorie beschrijft het universum onder een stelsel van veldvergelijkingen die de metrische, of afstandsfunctie, van ruimtetijd bepalen. Er bestaan exacte oplossingen voor deze vergelijkingen die gesloten tijdkrommen bevatten, dat zijn wereldlijnen die zichzelf snijden; een punt in de causale toekomst van de wereldlijn ligt ook in zijn causale verleden, een situatie die kan worden beschreven als tijdreizen. Een dergelijke oplossing werd voor het eerst voorgesteld door Kurt Gödel, een oplossing die bekend staat als de Gödel-metriek, maar zijn oplossing (en die van anderen) vereist dat het universum fysische eigenschappen heeft die het niet lijkt te hebben,:499 zoals rotatie en gebrek aan Hubble-expansie. Of de algemene relativiteit gesloten tijd-achtige krommen voor alle realistische omstandigheden verbiedt, wordt nog onderzocht.

Wormgaten

Wormgaten zijn een hypothetische verwrongen ruimtetijd die wordt toegestaan door de Einstein-veldvergelijkingen van de algemene relativiteit.:100 Een voorgestelde tijdreismachine die gebruik maakt van een doorkruisbaar wormgat zou hypothetisch op de volgende manier werken: Een uiteinde van het wormgat wordt versneld tot een aanzienlijk deel van de lichtsnelheid, misschien met een geavanceerd voortstuwingssysteem, en dan teruggebracht naar het punt van oorsprong. Een andere manier is om een ingang van het wormgat te nemen en het te verplaatsen naar het zwaartekrachtsveld van een object dat een grotere zwaartekracht heeft dan de andere ingang, en het dan terug te brengen naar een positie dicht bij de andere ingang. Bij beide methoden zorgt tijddilatatie ervoor dat het uiteinde van het wormgat dat is verplaatst minder oud is geworden, of “jonger” is geworden, dan het stilstaande uiteinde zoals gezien door een externe waarnemer; echter, de tijd loopt anders door het wormgat dan erbuiten, zodat gesynchroniseerde klokken aan beide uiteinden van het wormgat altijd synchroon zullen blijven zoals gezien door een waarnemer die door het wormgat loopt, ongeacht hoe de twee uiteinden zich verplaatsen.Dit betekent dat een waarnemer die het “jongere” uiteinde binnengaat, het “oudere” uiteinde verlaat op een tijdstip waarop het even oud is als het “jongere” uiteinde, zodat hij in feite teruggaat in de tijd, gezien door een waarnemer van buitenaf. Een belangrijke beperking van zo’n tijdmachine is dat het alleen mogelijk is zover terug in de tijd te gaan als de aanvankelijke schepping van de machine;:503 in wezen is het meer een pad door de tijd dan dat het een apparaat is dat zelf door de tijd beweegt, en het zou niet toestaan dat de technologie zelf terug in de tijd wordt verplaatst.

Volgens de huidige theorieën over de aard van wormgaten zou de constructie van een doorkruisbaar wormgat het bestaan vereisen van een substantie met negatieve energie, vaak aangeduid als “exotische materie”. Meer technisch vereist de wormgat-ruimtetijd een verdeling van energie die verschillende energievoorwaarden schendt, zoals de nul-energievoorwaarde samen met de zwakke, sterke en dominante energievoorwaarden. Het is echter bekend dat kwantumeffecten kunnen leiden tot kleine meetbare schendingen van de nul-energie-voorwaarde,:101 en veel natuurkundigen geloven dat de vereiste negatieve energie eigenlijk mogelijk kan zijn als gevolg van het Casimir-effect in de kwantumfysica. Hoewel vroege berekeningen suggereerden dat een zeer grote hoeveelheid negatieve energie nodig zou zijn, toonden latere berekeningen aan dat de hoeveelheid negatieve energie willekeurig klein kan worden gemaakt.

In 1993 betoogde Matt Visser dat de twee monden van een wormgat met zo’n geïnduceerd klokverschil niet bij elkaar gebracht kunnen worden zonder kwantumveld- en gravitatie-effecten te induceren die ofwel het wormgat zouden doen instorten ofwel de twee monden elkaar zouden doen afstoten. Hierdoor zouden de twee monden niet dicht genoeg bij elkaar gebracht kunnen worden om causaliteitsschending te laten plaatsvinden. In een artikel uit 1997 stelde Visser echter dat een complexe “Romeinse ring” (genoemd naar Tom Roman) configuratie van een N aantal wormgaten gerangschikt in een symmetrische veelhoek toch als tijdmachine zou kunnen werken, hoewel hij concludeert dat dit eerder een fout is in de klassieke kwantumzwaartekrachttheorie dan een bewijs dat causaliteitsschending mogelijk is.

Andere benaderingen gebaseerd op algemene relativiteit

Een andere benadering betreft een dichte ronddraaiende cilinder die gewoonlijk een Tipler-cilinder wordt genoemd, een GR-oplossing ontdekt door Willem Jacob van Stockum in 1936 en Kornel Lanczos in 1924, maar niet erkend als een oplossing die gesloten tijdelike krommen mogelijk maakt:21 tot een analyse door Frank Tipler in 1974. Als een cilinder oneindig lang is en snel genoeg rond zijn lange as draait, dan zou een ruimteschip dat rond de cilinder vliegt op een spiraalvormig pad terug in de tijd kunnen reizen (of vooruit, afhankelijk van de richting van zijn spiraal). De vereiste dichtheid en snelheid is echter zo groot dat gewone materie niet sterk genoeg is om het te bouwen. Een soortgelijk apparaat zou kunnen worden gebouwd van een kosmische snaar, maar voor zover bekend bestaat er geen, en het schijnt niet mogelijk te zijn een nieuwe kosmische snaar te maken. Natuurkundige Ronald Mallett probeert de omstandigheden van een roterend zwart gat na te bootsen met ringlasers, om ruimtetijd te buigen en tijdreizen mogelijk te maken.

Een meer fundamenteel bezwaar tegen tijdreizen op basis van roterende cilinders of kosmische snaren is naar voren gebracht door Stephen Hawking, die een stelling bewees waaruit blijkt dat het volgens de algemene relativiteit onmogelijk is om een tijdmachine van een speciaal type (een “tijdmachine met de compact gegenereerde Cauchy horizon”) te bouwen in een gebied waar aan de zwakke energievoorwaarde wordt voldaan, wat betekent dat het gebied geen materie bevat met een negatieve energiedichtheid (exotische materie). Oplossingen zoals die van Tipler gaan uit van cilinders van oneindige lengte, die wiskundig eenvoudiger te analyseren zijn, en hoewel Tipler suggereerde dat een eindige cilinder gesloten tijdlijnkrommen zou kunnen opleveren als de rotatiesnelheid snel genoeg zou zijn:169 heeft hij dit niet bewezen. Maar Hawking wijst erop dat door zijn stelling “het niet overal kan met positieve energiedichtheid! Ik kan bewijzen dat je negatieve energie nodig hebt om een eindige tijdmachine te bouwen. “96 Dit resultaat komt uit Hawkings artikel uit 1992 over het chronologiebeschermingsvermoeden, waarin hij “het geval onderzoekt dat de causaliteitsschendingen voorkomen in een eindig gebied van ruimtetijd zonder kromming singulariteiten” en bewijst dat “er een Cauchy-horizon zal zijn die compact gegenereerd is en die in het algemeen een of meer gesloten nulgeodeten bevat die onvolledig zullen zijn. Men kan meetkundige grootheden definiëren die de Lorentz boost en de toename in oppervlakte meten bij het rondgaan van deze gesloten nulgeodeten. Als de causaliteitsschending zich ontwikkelt vanuit een niet-compact beginoppervlak, dan moet de gemiddelde zwakke energievoorwaarde geschonden zijn op de Cauchy-horizon.” Deze stelling sluit de mogelijkheid van tijdreizen niet uit door middel van tijdmachines met de niet-compact gegenereerde Cauchy horizonten (zoals de Deutsch-Politzer tijdmachine) of in regio’s die exotische materie bevatten, die gebruikt zouden worden voor doorkruisbare wormgaten of de Alcubierre aandrijving en het zwarte gat.

Kwantumfysica

Niet-communicatietheorema

Wanneer een signaal wordt verzonden van de ene plaats en ontvangen op een andere plaats, dan zal zolang het signaal beweegt met de lichtsnelheid of langzamer, de wiskunde van de gelijktijdigheid in de relativiteitstheorie laten zien dat alle referentiekaders het erover eens zijn dat de transmissie-gebeurtenis plaatsvond vóór de ontvangst-gebeurtenis. Wanneer het signaal sneller reist dan het licht, wordt het ontvangen voordat het verzonden is, in alle referentiekaders. Men zou kunnen zeggen dat het signaal in de tijd is teruggegaan. Dit hypothetische scenario wordt soms aangeduid als een tachyonische antitelefoon.

Kwantum-mechanische verschijnselen zoals kwantum-teleportatie, de EPR paradox, of kwantumverstrengeling zouden een mechanisme kunnen lijken te creëren dat sneller-dan-licht (FTL) communicatie of tijdreizen mogelijk maakt, en in feite veronderstellen sommige interpretaties van kwantum-mechanica, zoals de Bohm interpretatie, dat enige informatie tussen deeltjes ogenblikkelijk wordt uitgewisseld om correlaties tussen deeltjes in stand te houden. Dit effect werd door Einstein “spookachtige actie op afstand” genoemd.

Niettemin is het feit dat causaliteit in de kwantummechanica behouden blijft een rigoureus resultaat in moderne kwantumveldentheorieën, en daarom staan moderne theorieën tijdreizen of FTL-communicatie niet toe. In elk specifiek geval waarin FTL is geclaimd, is bij nadere analyse gebleken dat voor het verkrijgen van een signaal ook een of andere vorm van klassieke communicatie moet worden gebruikt. De geen-communicatie stelling geeft ook een algemeen bewijs dat kwantumverstrengeling niet kan worden gebruikt om informatie sneller over te brengen dan klassieke signalen.

Interpretatie van vele werelden

Een variant van Hugh Everett’s vele-werelden interpretatie (MWI) van de kwantummechanica biedt een oplossing voor de grootvader-paradox waarbij de tijdreiziger in een ander universum aankomt dan het universum waar hij vandaan komt; er is betoogd dat, omdat de reiziger in de geschiedenis van een ander universum aankomt en niet in zijn eigen geschiedenis, dit geen “echt” tijdreizen is. De geaccepteerde veel-werelden interpretatie suggereert dat alle mogelijke kwantumgebeurtenissen kunnen plaatsvinden in elkaar uitsluitende geschiedenissen. Sommige varianten staan echter toe dat verschillende universa op elkaar inwerken. Dit concept wordt het meest gebruikt in science-fiction, maar sommige natuurkundigen, zoals David Deutsch, hebben gesuggereerd dat een tijdreiziger in een andere geschiedenis terecht moet komen dan die waarin hij is begonnen. Anderzijds heeft Stephen Hawking betoogd dat zelfs als de MWI correct is, we moeten verwachten dat elke tijdreiziger één enkele zelfconsistente geschiedenis ervaart, zodat tijdreizigers binnen hun eigen wereld blijven in plaats van naar een andere wereld te reizen. De natuurkundige Allen Everett stelde dat Deutsch’s benadering “inhoudt dat fundamentele principes van de kwantummechanica worden gewijzigd; het gaat zeker verder dan het simpelweg aannemen van de MWI”. Everett stelt ook dat zelfs als Deutsch’s benadering juist is, het zou impliceren dat elk macroscopisch object, samengesteld uit meerdere deeltjes, uit elkaar zou worden gesplitst bij het terugreizen in de tijd door een wormgat, waarbij verschillende deeltjes in verschillende werelden tevoorschijn zouden komen.

Experimentele resultaten

Zekere uitgevoerde experimenten geven de indruk van omgekeerde causaliteit, maar slagen er bij nader onderzoek niet in om dit aan te tonen.

Het vertraagde-keuze kwantumwis-experiment, uitgevoerd door Marlan Scully, omvat paren verstrengelde fotonen die worden verdeeld in “signaalfotonen” en “nietsnutfotonen”, waarbij de signaalfotonen uit een van de twee locaties komen en hun positie later wordt gemeten zoals in het dubbele-spleten-experiment. Afhankelijk van de manier waarop het nietsignalerende foton wordt gemeten, kan de experimentator te weten komen op welke van de twee plaatsen het signaalfoton vandaan kwam of die informatie “wissen”. Hoewel de signaalfotonen kunnen worden gemeten voordat de keuze is gemaakt over de nietsignalerende fotonen, lijkt de keuze met terugwerkende kracht te bepalen of er al dan niet een interferentiepatroon wordt waargenomen wanneer men metingen van nietsignalerende fotonen correleert met de overeenkomstige signaalfotonen. Maar omdat interferentie pas kan worden waargenomen nadat de afzenderfotonen zijn gemeten en zij zijn gecorreleerd met de signaalfotonen, is er geen manier voor experimentatoren om van tevoren te zeggen welke keuze zal worden gemaakt door alleen maar naar de signaalfotonen te kijken, alleen door klassieke informatie van het gehele systeem te verzamelen; aldus blijft de causaliteit behouden.

Het experiment van Lijun Wang zou ook een schending van het oorzakelijk verband kunnen laten zien, omdat het mogelijk was pakketten golven door een bol cesiumgas te sturen op zo’n manier dat het pakket de bol 62 nanoseconden voor zijn binnenkomst leek te verlaten, maar een golfpakket is niet één welomschreven voorwerp, maar eerder een som van meerdere golven van verschillende frequenties (zie Fourieranalyse), en het pakket kan zich sneller dan het licht of zelfs achteruit in de tijd lijken te bewegen, zelfs als geen van de zuivere golven in de som dat doet. Dit effect kan niet worden gebruikt om enige materie, energie, of informatie sneller dan het licht te verzenden, zodat dit experiment ook niet wordt opgevat als een schending van de causaliteit.

De natuurkundigen Günter Nimtz en Alfons Stahlhofen, van de Universiteit van Koblenz, beweren Einsteins relativiteitstheorie te hebben geschonden door fotonen sneller dan de lichtsnelheid te verzenden. Zij zeggen een experiment te hebben uitgevoerd waarbij microgolffotonen “ogenblikkelijk” reisden tussen een paar prisma’s die tot 0,91 m uit elkaar waren geplaatst, gebruik makend van een verschijnsel dat bekend staat als kwantumtunneling. Nimtz vertelde het tijdschrift New Scientist: “Voorlopig is dit de enige schending van de speciale relativiteit die ik ken.” Andere natuurkundigen zeggen echter dat dit verschijnsel niet toelaat dat informatie sneller dan het licht wordt overgebracht. Aephraim Steinberg, een deskundige op het gebied van kwantumoptica aan de Universiteit van Toronto, Canada, gebruikt de analogie van een trein die van Chicago naar New York rijdt, maar onderweg bij elk station treinwagons afzet, zodat het centrum van de trein bij elke halte vooruit gaat; op deze manier is de snelheid van het centrum van de trein groter dan de snelheid van elk van de afzonderlijke wagons.

Shengwang Du beweert in een peer-reviewed tijdschrift de voorlopers van enkele fotonen te hebben waargenomen, en zegt dat zij niet sneller reizen dan c in een vacuüm. Bij zijn experiment gebruikte hij zowel langzaam licht als licht door een vacuüm. Hij genereerde twee enkele fotonen, waarbij hij er een door rubidiumatomen liet gaan die met een laser waren gekoeld (waardoor het licht werd vertraagd) en waarbij hij er een door een vacuüm liet gaan. Beide keren gingen de voorlopers blijkbaar vooraf aan de hoofdlichamen van de fotonen, en de voorloper reisde met c in een vacuüm. Volgens Du impliceert dit dat er geen mogelijkheid is dat licht sneller reist dan c, en dus ook geen mogelijkheid dat de causaliteit wordt geschonden.

Afwezigheid van tijdreizigers uit de toekomst

Krononauten

Velen hebben betoogd dat de afwezigheid van tijdreizigers uit de toekomst aantoont dat een dergelijke technologie nooit zal worden ontwikkeld, wat suggereert dat het onmogelijk is. Dit is analoog aan de Fermi-paradox met betrekking tot de afwezigheid van bewijs voor buitenaards leven. Zoals de afwezigheid van buitenaardse bezoekers niet categorisch bewijst dat zij niet bestaan, zo bewijst de afwezigheid van tijdreizigers niet dat tijdreizen fysisch onmogelijk is; het zou kunnen dat tijdreizen fysisch mogelijk is maar nooit wordt ontwikkeld of voorzichtig wordt gebruikt. Carl Sagan opperde ooit de mogelijkheid dat tijdreizigers hier zouden kunnen zijn maar hun bestaan verhullen of niet als tijdreizigers worden herkend. Sommige versies van de algemene relativiteit suggereren dat tijdreizen alleen mogelijk zou kunnen zijn in een gebied van ruimtetijd dat op een bepaalde manier kromgetrokken is, en dat tijdreizigers dus niet in staat zouden zijn terug te reizen naar eerdere gebieden in ruimtetijd, voordat dit gebied bestond. Stephen Hawking verklaarde dat dit zou verklaren waarom de wereld nog niet is overspoeld door “toeristen uit de toekomst”.

Er zijn verschillende experimenten uitgevoerd om te proberen toekomstige mensen, die de tijdreistechnologie zouden kunnen uitvinden, te verleiden om terug te komen en het aan de mensen van de huidige tijd te demonstreren. Evenementen zoals Perth’s Destination Day of MIT’s Time Traveler Convention gaven veel publiciteit aan permanente “advertenties” van een ontmoetingsplaats en tijd voor toekomstige tijdreizigers om elkaar te ontmoeten. In 1982 organiseerde een groep in Baltimore, Maryland, die zichzelf de Krononauten noemde, een evenement van dit type waarbij bezoekers uit de toekomst werden verwelkomd. Deze experimenten hadden alleen de mogelijkheid om een positief resultaat te genereren dat het bestaan van tijdreizen aantoont, maar zijn tot dusver mislukt – er zijn geen tijdreizigers bekend die een van beide evenementen hebben bijgewoond. Sommige versies van de veel-werelden interpretatie kunnen worden gebruikt om te suggereren dat toekomstige mensen terug in de tijd zijn gereisd, maar terug zijn gereisd naar de ontmoetingstijd en -plaats in een parallel universum.