Podróże w czasie

Niektóre teorie, przede wszystkim szczególna i ogólna względność, sugerują, że odpowiednie geometrie czasoprzestrzeni lub specyficzne rodzaje ruchu w przestrzeni mogłyby pozwolić na podróże w czasie do przeszłości i przyszłości, gdyby te geometrie lub ruchy były możliwe.:499 W pracach technicznych fizycy omawiają możliwość zamkniętych krzywych timelike, które są liniami świata tworzącymi zamknięte pętle w czasoprzestrzeni, pozwalające obiektom na powrót do ich własnej przeszłości. Wiadomo, że istnieją rozwiązania równań ogólnej teorii względności, które opisują czasoprzestrzenie zawierające zamknięte krzywe czasoprzestrzenne, takie jak czasoprzestrzeń Gödla, ale fizyczna wiarygodność tych rozwiązań jest niepewna.

Wiele osób w społeczności naukowej uważa, że podróż w czasie wstecz jest wysoce nieprawdopodobna. Każda teoria, która pozwoliłaby na podróże w czasie, wprowadziłaby potencjalne problemy z przyczynowością. Klasycznym przykładem problemu związanego z przyczynowością jest „paradoks dziadka”: co by było, gdyby ktoś cofnął się w czasie i zabił własnego dziadka, zanim jego ojciec został poczęty? Niektórzy fizycy, tacy jak Novikov i Deutsch, zasugerowali, że tego rodzaju paradoksów czasowych można uniknąć dzięki zasadzie samozgodności Novikova lub odmianie interpretacji wielu światów z oddziałującymi światami.

Ogólna teoria względności

Podróże w czasie do przeszłości są teoretycznie możliwe w pewnych geometriach czasoprzestrzeni ogólnej teorii względności, które pozwalają podróżować szybciej niż prędkość światła, takich jak kosmiczne struny, możliwe do pokonania tunele czasoprzestrzenne i napędy Alcubierre’a.Ogólna teoria względności sugeruje naukową podstawę dla możliwości podróżowania w czasie w pewnych niezwykłych scenariuszach, chociaż argumenty z semiklasycznej grawitacji sugerują, że gdy efekty kwantowe zostaną włączone do ogólnej teorii względności, luki te mogą zostać zamknięte. Te semiklasyczne argumenty doprowadziły Stephena Hawkinga do sformułowania przypuszczenia o ochronie chronologii, sugerującego, że podstawowe prawa natury zapobiegają podróżom w czasie, ale fizycy nie mogą dojść do ostatecznego osądu tej kwestii bez teorii kwantowej grawitacji, która połączyłaby mechanikę kwantową i ogólną teorię względności w całkowicie zunifikowaną teorię. 150

Różne geometrie czasoprzestrzeni

Teoria ogólnej teorii względności opisuje wszechświat na podstawie układu równań pola, które określają metrykę lub funkcję odległości czasoprzestrzeni. Istnieją dokładne rozwiązania tych równań, które zawierają zamknięte krzywe czasopodobne, będące liniami świata, które przecinają się; jakiś punkt w przyczynowej przyszłości linii świata znajduje się również w jej przyczynowej przeszłości, co można opisać jako podróż w czasie. Takie rozwiązanie zostało po raz pierwszy zaproponowane przez Kurta Gödla, rozwiązanie znane jako metryka Gödla, ale jego (i innych) rozwiązanie wymaga, aby wszechświat miał cechy fizyczne, których nie wydaje się mieć,:499 takie jak rotacja i brak rozszerzalności Hubble’a. Czy ogólna względność zabrania zamkniętych krzywych czasopodobnych dla wszystkich realistycznych warunków jest wciąż badana.

Wormholes

Wormhole są hipotetyczną wypaczoną czasoprzestrzenią dozwoloną przez równania pola Einsteina ogólnej teorii względności.:100 Proponowana maszyna do podróży w czasie wykorzystująca traversable wormhole hipotetycznie działałaby w następujący sposób: Jeden koniec tunelu czasoprzestrzennego jest przyspieszany do jakiegoś znaczącego ułamka prędkości światła, być może za pomocą jakiegoś zaawansowanego systemu napędowego, a następnie sprowadzany z powrotem do punktu wyjścia. Alternatywnie, innym sposobem jest wzięcie jednego wejścia do tunelu i przeniesienie go w pole grawitacyjne obiektu, który ma większą grawitację niż drugie wejście, a następnie przywrócenie go do pozycji w pobliżu drugiego wejścia. W przypadku obu tych metod dylatacja czasu powoduje, że koniec tunelu, który został przesunięty, starzeje się mniej, lub staje się „młodszy”, niż nieruchomy koniec widziany przez zewnętrznego obserwatora; jednak czas łączy się inaczej przez tunel niż poza nim, więc zsynchronizowane zegary na obu końcach tunelu zawsze pozostaną zsynchronizowane widziane przez obserwatora przechodzącego przez tunel, bez względu na to, jak te dwa końce się przemieszczają.Oznacza to, że obserwator wchodzący do „młodszego” końca tunelu opuściłby „starszy” koniec tunelu w czasie, kiedy był on w tym samym wieku co „młodszy” koniec, efektywnie cofając się w czasie widzianym przez obserwatora z zewnątrz. Jednym z istotnych ograniczeń takiej maszyny czasu jest to, że jest to tylko możliwe, aby przejść tak daleko wstecz w czasie, jak początkowe tworzenie maszyny; 503 w istocie, jest to bardziej ścieżka w czasie niż jest to urządzenie, które samo porusza się w czasie, i nie pozwala technologia sama być przeniesione do tyłu w czasie.

Zgodnie z obecnymi teoriami na temat natury tuneli czasoprzestrzennych, budowa traversable wormhole wymagałoby istnienia substancji o ujemnej energii, często określane jako „egzotycznej materii”. Mówiąc bardziej technicznie, czasoprzestrzeń tunelu wymaga rozkładu energii, który narusza różne warunki energetyczne, takie jak warunek zerowej energii oraz warunki energii słabej, silnej i dominującej. Wiadomo jednak, że efekty kwantowe mogą prowadzić do niewielkich mierzalnych naruszeń warunku zerowej energii,:101 a wielu fizyków uważa, że wymagana ujemna energia może być faktycznie możliwa dzięki efektowi Casimira w fizyce kwantowej. Chociaż wczesne obliczenia sugerowały, że wymagana byłaby bardzo duża ilość ujemnej energii, późniejsze obliczenia wykazały, że ilość ujemnej energii może być dowolnie mała.

W 1993 roku Matt Visser argumentował, że dwa ujścia tunelu czasoprzestrzennego z tak indukowaną różnicą zegara nie mogą być zbliżone do siebie bez wywoływania kwantowych efektów polowych i grawitacyjnych, które albo spowodowałyby zapadnięcie się tunelu czasoprzestrzennego, albo oba ujścia odpychałyby się od siebie. Z tego powodu oba ujścia nie mogłyby się zbliżyć do siebie na tyle, by mogło dojść do naruszenia przyczynowości. Jednakże w pracy z 1997 roku Visser wysunął hipotezę, że złożona konfiguracja „pierścienia rzymskiego” (nazwanego tak od nazwiska Toma Romana), składająca się z N-ciu tuneli czasoprzestrzennych ułożonych w symetryczny wielokąt, może nadal działać jako wehikuł czasu, choć doszedł do wniosku, że jest to raczej wada klasycznej teorii grawitacji kwantowej niż dowód na to, że naruszenie przyczynowości jest możliwe.

Inne podejścia oparte na ogólnej teorii względności

Inne podejście obejmuje gęsty wirujący cylinder zwykle nazywany cylindrem Tiplera, rozwiązanie GR odkryte przez Willema Jacoba van Stockuma w 1936 roku i Kornela Lanczosa w 1924 roku, ale nie rozpoznane jako pozwalające na zamknięte krzywe czasoprzestrzenne:21 aż do analizy przeprowadzonej przez Franka Tiplera w 1974 roku. Jeśli cylinder jest nieskończenie długi i obraca się wystarczająco szybko wokół swojej osi, to statek kosmiczny lecący wokół cylindra po spiralnej ścieżce mógłby podróżować w czasie (lub do przodu, w zależności od kierunku spirali). Jednak wymagana gęstość i prędkość jest tak duża, że zwykła materia nie jest wystarczająco silna, aby go skonstruować. Podobne urządzenie mo „na zbudować z kosmicznego sznurka, ale nie wiadomo, czy taki istnieje, a stworzenie nowego kosmicznego sznurka nie wydaje się mo „liwe. Fizyk Ronald Mallett próbuje odtworzyć warunki panujące w obracającej się czarnej dziurze za pomocą laserów pierścieniowych, aby zagiąć czasoprzestrzeń i umożliwić podróże w czasie.

Bardziej fundamentalny sprzeciw wobec schematów podróży w czasie opartych na obracających się cylindrach lub kosmicznych strunach został wysunięty przez Stephena Hawkinga, który udowodnił twierdzenie pokazujące, że zgodnie z ogólną teorią względności niemożliwe jest zbudowanie wehikułu czasu specjalnego typu („wehikułu czasu ze zwartym horyzontem Cauchy’ego”) w regionie, w którym spełniony jest warunek słabej energii, co oznacza, że region ten nie zawiera materii o ujemnej gęstości energii (materii egzotycznej). Rozwiązania takie jak Tiplera zakładają cylindry o nieskończonej długości, które są łatwiejsze do analizy matematycznej, i chociaż Tipler zasugerował, „e skończony cylinder mo „e wytworzyć zamknięte krzywe czasopodobne, je „eli prędkość obrotu będzie wystarczająco duża, nie udowodnił tego. Jednak Hawking zauwa „ył, „e z powodu jego twierdzenia nie mo „na tego zrobić z dodatnią gęstością energii wszędzie! Mogę udowodnić, „e aby zbudować skończoną maszynę czasu, potrzebna jest energia ujemna.”:96 Wynik ten pochodzi z pracy Hawkinga z 1992 r. na temat domysłu ochrony chronologii, gdzie bada on „przypadek, gdy naruszenia przyczynowości pojawiają się w skończonym regionie czasoprzestrzeni bez osobliwości krzywizny” i udowadnia, „e istnieje horyzont Cauchy’ego, który jest zwarty i ogólnie zawiera jedną lub więcej zamkniętych zerowych geodezyjnych, które są niekompletne. Można zdefiniować wielkości geometryczne, które mierzą wzmocnienie Lorentza i wzrost powierzchni przy obchodzeniu tych zamkniętych geodezyjnych zerowych. Jeśli naruszenie przyczynowości powstało z nie zwartej powierzchni początkowej, to uśredniony warunek słabej energii musi być naruszony na horyzoncie Cauchy’ego.” Twierdzenie to nie wyklucza możliwości podróżowania w czasie za pomocą maszyn czasu z nie-kompaktowo generowanymi horyzontami Cauchy’ego (takich jak maszyna czasu Deutscha-Politzera) lub w regionach zawierających egzotyczną materię, które byłyby wykorzystywane do traversable wormholes lub napędu Alcubierre’a i czarnej dziury.

Fizyka kwantowa

No-communication theorem

Gdy sygnał jest wysyłany z jednego miejsca i odbierany w innym miejscu, to tak długo, jak sygnał porusza się z prędkością światła lub wolniej, matematyka jednoczesności w teorii względności pokazuje, że wszystkie ramy odniesienia zgadzają się, że transmisja-zdarzenie miało miejsce przed odbiorem-zdarzeniem. Gdy sygnał porusza się szybciej od światła, jest odbierany zanim został wysłany, we wszystkich układach odniesienia. Można by powiedzieć, że sygnał cofnął się w czasie. Ten hipotetyczny scenariusz jest czasami określany jako tachioniczny antytelefon.

Zjawiska kwantowo-mechaniczne takie jak teleportacja kwantowa, paradoks EPR lub splątanie kwantowe mogą wydawać się tworzyć mechanizm, który pozwala na szybszą niż światło (FTL) komunikację lub podróże w czasie, i w rzeczywistości niektóre interpretacje mechaniki kwantowej takie jak interpretacja Bohma zakładają, że niektóre informacje są wymieniane pomiędzy cząstkami natychmiastowo w celu utrzymania korelacji pomiędzy cząstkami. Efekt ten był określany przez Einsteina jako „upiorne działanie na odległość”.

Niemniej jednak fakt, że przyczynowość jest zachowana w mechanice kwantowej jest rygorystycznym wynikiem we współczesnych kwantowych teoriach pola, a zatem współczesne teorie nie pozwalają na podróże w czasie lub komunikację FTL. W każdym konkretnym przypadku, gdy twierdzono, że istnieje FTL, bardziej szczegółowa analiza dowiodła, że aby uzyskać sygnał, należy również użyć jakiejś formy klasycznej komunikacji. Twierdzenie o braku komunikacji daje również ogólny dowód na to, że splątanie kwantowe nie może być wykorzystane do przekazywania informacji szybciej niż klasyczne sygnały.

Interaktywna interpretacja wielu światów

Odmiana Hugh Everetta interpretacji wielu światów (MWI) mechaniki kwantowej zapewnia rozwiązanie paradoksu dziadka, który obejmuje podróżnika w czasie przybywającego do innego wszechświata niż ten, z którego przybył; argumentowano, że ponieważ podróżnik przybywa do historii innego wszechświata, a nie do swojej własnej historii, nie jest to „prawdziwa” podróż w czasie. Przyjęta interpretacja wielu światów sugeruje, że wszystkie możliwe zdarzenia kwantowe mogą wystąpić we wzajemnie wykluczających się historiach. Jednakże, niektóre warianty pozwalają różnym wszechświatom na interakcję. Koncepcja ta jest najczęściej stosowana w fantastyce naukowej, ale niektórzy fizycy, tacy jak David Deutsch, sugerują, „e podró „nik w czasie powinien skończyć w innej historii ni” ta, z której wyruszył. Z drugiej strony, Stephen Hawking argumentował, „e nawet je±li MWI jest poprawne, powinni¶my oczekiwać, „e ka „dy podró „nik w czasie do¶wiadczy pojedynczej spójnej historii, tak „e podróżnicy w czasie pozostan± w swoim własnym ¶wiecie, zamiast podróżować do innego. Fizyk Allen Everett argumentował, że podejście Deutscha „wymaga modyfikacji fundamentalnych zasad mechaniki kwantowej; z pewnością wykracza poza proste przyjęcie MWI”. Everett twierdzi również, że nawet jeśli podejście Deutscha jest poprawne, oznaczałoby to, że każdy makroskopowy obiekt składający się z wielu cząstek zostałby rozdzielony podczas podróży w czasie przez tunel, z różnymi cząstkami pojawiającymi się w różnych światach.

Wyniki eksperymentalne

Niektóre przeprowadzone eksperymenty sprawiają wrażenie odwróconej przyczynowości, ale nie wykazują jej przy bliższym badaniu.

Opóźniony wybór quantum eraser eksperyment wykonany przez Marlan Scully obejmuje pary splątanych fotonów, które są podzielone na „fotonów sygnałowych” i „fotonów idler”, z fotonów sygnałowych wyłaniających się z jednej z dwóch lokalizacji i ich pozycji później mierzone jak w podwójnej szczeliny eksperymentu. W zależności od tego, jak mierzony jest foton idler, eksperymentator może albo dowiedzieć się, z którego z dwóch miejsc wyłonił się foton sygnałowy, albo „wymazać” tę informację. Nawet jeśli fotony sygnałowe mogą być mierzone przed dokonaniem wyboru co do fotonów idler, wybór ten wydaje się retroaktywnie determinować czy wzór interferencyjny jest obserwowany czy nie, gdy koreluje się pomiary fotonów idler z odpowiadającymi im fotonami sygnałowymi. Ponieważ jednak interferencję można zaobserwować dopiero po zmierzeniu fotonów idler i skorelowaniu ich z fotonami sygnałowymi, nie ma możliwości, aby eksperymentatorzy mogli z góry stwierdzić, jaki wybór zostanie dokonany, patrząc tylko na fotony sygnałowe, tylko zbierając klasyczne informacje z całego układu; w ten sposób przyczynowość jest zachowana.

Doświadczenie Lijun Wang może również wykazać naruszenie przyczynowości, ponieważ umożliwiło wysłanie pakietów fal przez bańkę z gazem cezowym w taki sposób, że pakiet wydawał się opuszczać bańkę 62 nanosekundy przed jego wejściem, ale pakiet fal nie jest pojedynczym dobrze zdefiniowanym obiektem, ale raczej sumą wielu fal o różnych częstotliwościach (patrz analiza Fouriera), a pakiet może wydawać się poruszać szybciej niż światło lub nawet cofać się w czasie, nawet jeśli żadna z czystych fal w sumie tego nie robi. Efekt ten nie może być wykorzystany do przesyłania jakiejkolwiek materii, energii lub informacji szybciej niż światło, więc ten eksperyment jest rozumiany jako nie naruszający przyczynowości również.

Fizycy Günter Nimtz i Alfons Stahlhofen, z Uniwersytetu w Koblencji, twierdzą, że naruszyli teorię względności Einsteina, przesyłając fotony szybciej niż prędkość światła. Twierdzą oni, że przeprowadzili eksperyment, w którym fotony mikrofalowe przemieszczały się „błyskawicznie” pomiędzy parą pryzmatów, które zostały przesunięte na odległość do 3 stóp (0,91 m) od siebie, wykorzystując zjawisko znane jako tunelowanie kwantowe. Nimtz powiedział magazynowi New Scientist: „Jak na razie jest to jedyne naruszenie szczególnej względności, o którym wiem.” Inni fizycy twierdzą jednak, że zjawisko to nie pozwala na przesyłanie informacji szybciej niż światło. Aephraim Steinberg, ekspert od optyki kwantowej na Uniwersytecie w Toronto w Kanadzie, używa analogii do pociągu jadącego z Chicago do Nowego Jorku, ale zrzucającego wagony na każdej stacji po drodze, tak że środek pociągu porusza się do przodu na każdym przystanku; w ten sposób prędkość środka pociągu przekracza prędkość każdego z poszczególnych wagonów.

Shengwang Du twierdzi w recenzowanym czasopiśmie do obserwowania pojedynczych prekursorów fotonów, mówiąc, że podróżują one nie szybciej niż c w próżni. Jego eksperyment obejmował powolne światło, jak również przepuszczanie światła przez próżnię. Wygenerował dwa pojedyncze fotony, przepuszczając jeden przez atomy rubidu, które zostały schłodzone laserem (co spowolniło światło) i przepuszczając jeden przez próżnię. W obu przypadkach prekursory poprzedzały główne ciała fotonów, a prekursor poruszał się z prędkością c w próżni. Według Du, implikuje to, że nie ma możliwości, aby światło podróżowało szybciej niż c, a tym samym nie ma możliwości naruszenia przyczynowości.

Brak podróżników w czasie z przyszłości

Krononauci

Wielu argumentowało, że brak podróżników w czasie z przyszłości dowodzi, że taka technologia nigdy nie zostanie opracowana, sugerując, że jest niemożliwa. Jest to analogiczne do paradoksu Fermiego związanego z brakiem dowodów na istnienie życia pozaziemskiego. Tak jak brak pozaziemskich gości nie dowodzi kategorycznie, że oni nie istnieją, tak brak podróżników w czasie nie dowodzi, że podróże w czasie są fizycznie niemożliwe; może być tak, że podróże w czasie są fizycznie możliwe, ale nigdy nie są rozwijane lub są ostrożnie stosowane. Carl Sagan zasugerował kiedyś możliwość, że podróżnicy w czasie mogą być tutaj, ale ukrywają swoje istnienie lub nie są rozpoznawani jako podróżnicy w czasie. Niektóre wersje ogólnej teorii względności sugerują, „e podró „e w czasie mogą być mo „liwe tylko w regionie czasoprzestrzeni, który jest wypaczony w pewien sposób, i dlatego podró „ni w czasie nie mogliby podróżować do wcześniejszych regionów czasoprzestrzeni, zanim ten region istniał. Stephen Hawking stwierdził, że to wyjaśniałoby, dlaczego świat nie został jeszcze opanowany przez „turystów z przyszłości”.

Wiele eksperymentów zostało przeprowadzonych, aby zachęcić przyszłych ludzi, którzy mogliby wynaleźć technologię podróży w czasie, do powrotu i zademonstrowania jej ludziom z obecnych czasów. Wydarzenia takie jak Perth’s Destination Day czy MIT’s Time Traveler Convention mocno nagłośniły stałe „ogłoszenia” o czasie i miejscu spotkania dla przyszłych podróżników w czasie. W 1982 roku grupa z Baltimore w stanie Maryland, identyfikująca się jako Krononauci, zorganizowała tego typu imprezę witając gości z przyszłości. Eksperymenty te miały jedynie możliwość wygenerowania pozytywnego wyniku świadczącego o istnieniu podróży w czasie, ale jak dotąd nie powiodły się – nie wiadomo, czy ktokolwiek z podróżujących w czasie uczestniczył w którymkolwiek z tych wydarzeń. Niektóre wersje interpretacji wielu światów mogą być użyte, aby zasugerować, że przyszli ludzie podróżowali w czasie, ale podróżowali z powrotem do czasu i miejsca spotkania w równoległym wszechświecie.