Călătoria în timp

Câteva teorii, mai ales relativitatea specială și generală, sugerează că geometrii adecvate ale spațiu-timpului sau tipuri specifice de mișcare în spațiu ar putea permite călătoria în timp în trecut și viitor, dacă aceste geometrii sau mișcări ar fi posibile. 499 În lucrări tehnice, fizicienii discută despre posibilitatea unor curbe temporale închise, care sunt linii ale lumii care formează bucle închise în spațiu-timp, permițând obiectelor să se întoarcă în propriul trecut. Se știe că există soluții ale ecuațiilor relativității generale care descriu spațiu-timpuri care conțin curbe temporale închise, cum ar fi spațiul-timp Gödel, dar plauzibilitatea fizică a acestor soluții este incertă.

Mulți membri ai comunității științifice consideră că călătoria în timp înapoi este foarte puțin probabilă. Orice teorie care ar permite călătoria în timp ar introduce potențiale probleme de cauzalitate. Exemplul clasic al unei probleme care implică cauzalitatea este „paradoxul bunicului”: ce s-ar întâmpla dacă cineva s-ar întoarce în timp și și-ar ucide propriul bunic înainte ca tatăl său să fie conceput? Unii fizicieni, cum ar fi Novikov și Deutsch, au sugerat că aceste tipuri de paradoxuri temporale pot fi evitate prin principiul de autoconsistență Novikov sau printr-o variantă a interpretării cu multe lumi cu lumi care interacționează.

Relativitatea generală

Călătoria în timp în trecut este teoretic posibilă în anumite geometrii spațio-temporale ale relativității generale care permit călătoria cu viteză mai mare decât viteza luminii, cum ar fi corzile cosmice, găurile de vierme traversabile și motoarele Alcubierre.:33-130 Teoria relativității generale sugerează o bază științifică pentru posibilitatea călătoriei în timp înapoi în anumite scenarii neobișnuite, deși argumentele din gravitația semiclasică sugerează că, atunci când efectele cuantice sunt încorporate în relativitatea generală, aceste lacune pot fi închise. Aceste argumente semiclasice l-au determinat pe Stephen Hawking să formuleze conjectura protecției cronologice, sugerând că legile fundamentale ale naturii împiedică călătoria în timp, dar fizicienii nu pot ajunge la o judecată definitivă asupra acestei probleme fără o teorie a gravitației cuantice care să unească mecanica cuantică și relativitatea generală într-o teorie complet unificată.:150

Geometrii diferite ale spațiu-timpului

Teoria relativității generale descrie universul în baza unui sistem de ecuații de câmp care determină metrica, sau funcția de distanță, a spațiu-timpului. Există soluții exacte ale acestor ecuații care includ curbe temporale închise, care sunt linii ale lumii care se intersectează pe ele însele; un anumit punct din viitorul cauzal al liniei lumii se află și în trecutul cauzal al acesteia, situație care poate fi descrisă ca o călătorie în timp. O astfel de soluție a fost propusă pentru prima dată de Kurt Gödel, o soluție cunoscută sub numele de metrica Gödel, dar soluția sa (și a altora) necesită ca universul să aibă caracteristici fizice pe care nu pare să le aibă:499 , cum ar fi rotația și lipsa expansiunii Hubble. Încă se cercetează dacă relativitatea generală interzice curbele temporale închise pentru toate condițiile realiste.

Găuri de vierme

Găurile de vierme sunt un spațiu-timp deformat ipotetic permis de ecuațiile de câmp ale lui Einstein din relativitatea generală. 100 O mașină propusă pentru călătoria în timp care folosește o gaură de vierme traversabilă ar funcționa ipotetic în felul următor: Un capăt al găurii de vierme este accelerat până la o fracțiune semnificativă din viteza luminii, poate cu ajutorul unui sistem de propulsie avansat, și apoi este adus înapoi la punctul de origine. Alternativ, o altă modalitate este de a lua o intrare a găurii de vierme și de a o muta în câmpul gravitațional al unui obiect care are o gravitație mai mare decât cea a celeilalte intrări, iar apoi de a o readuce într-o poziție apropiată de cealaltă intrare. În cazul ambelor metode, dilatarea timpului face ca capătul găurii de vierme care a fost mutat să fi îmbătrânit mai puțin sau să fi devenit mai „tânăr” decât capătul staționar, așa cum este văzut de un observator extern; cu toate acestea, timpul se conectează diferit prin gaura de vierme decât în afara ei, astfel încât ceasurile sincronizate la oricare dintre capetele găurii de vierme vor rămâne întotdeauna sincronizate, așa cum este văzut de un observator care trece prin gaura de vierme, indiferent de modul în care cele două capete se deplasează.:502 Acest lucru înseamnă că un observator care intră în capătul „mai tânăr” ar ieși din capătul „mai bătrân” într-un moment în care acesta avea aceeași vârstă ca și capătul „mai tânăr”, întorcându-se efectiv înapoi în timp, așa cum este văzut de un observator din exterior. O limitare semnificativă a unei astfel de mașini a timpului este aceea că este posibil să te întorci în timp doar până la momentul creării inițiale a mașinii;:503 în esență, este mai mult o cale prin timp decât un dispozitiv care se mișcă el însuși prin timp, și nu ar permite ca tehnologia însăși să fie mutată înapoi în timp.

Conform teoriilor actuale privind natura găurilor de vierme, construirea unei găuri de vierme traversabile ar necesita existența unei substanțe cu energie negativă, numită adesea „materie exotică”. Mai exact, din punct de vedere tehnic, gaura de vierme spațiu-timp necesită o distribuție a energiei care încalcă diverse condiții energetice, cum ar fi condiția de energie nulă împreună cu condițiile de energie slabă, puternică și dominantă. Cu toate acestea, se știe că efectele cuantice pot duce la mici încălcări măsurabile ale condiției de energie nulă,:101 și mulți fizicieni cred că energia negativă necesară ar putea fi de fapt posibilă datorită efectului Casimir în fizica cuantică. Deși calculele inițiale sugerau că ar fi necesară o cantitate foarte mare de energie negativă, calculele ulterioare au arătat că această cantitate de energie negativă poate fi făcută arbitrar de mică.

În 1993, Matt Visser a susținut că cele două guri ale unei găuri de vierme cu o astfel de diferență de ceas indusă nu ar putea fi aduse împreună fără a induce un câmp cuantic și efecte gravitaționale care ar face fie ca gaura de vierme să se prăbușească, fie ca cele două guri să se respingă reciproc. Din acest motiv, cele două guri nu ar putea fi apropiate suficient de mult pentru ca încălcarea cauzalității să aibă loc. Cu toate acestea, într-o lucrare din 1997, Visser a emis ipoteza că o configurație complexă de tip „inel roman” (numit după Tom Roman), formată dintr-un număr N de găuri de vierme dispuse într-un poligon simetric, ar putea totuși acționa ca o mașină a timpului, deși el concluzionează că acest lucru este mai degrabă un defect al teoriei clasice a gravitației cuantice decât o dovadă că încălcarea cauzalității este posibilă.

Alte abordări bazate pe relativitatea generală

O altă abordare implică un cilindru dens care se rotește, denumit de obicei cilindru Tipler, o soluție GR descoperită de Willem Jacob van Stockum în 1936 și Kornel Lanczos în 1924, dar care nu a fost recunoscută ca permițând curbe temporale închise:21 până la o analiză a lui Frank Tipler în 1974. Dacă un cilindru este infinit de lung și se rotește suficient de repede în jurul axei sale lungi, atunci o navă spațială care zboară în jurul cilindrului pe o traiectorie în spirală ar putea călători înapoi în timp (sau înainte, în funcție de direcția spiralei sale). Cu toate acestea, densitatea și viteza necesare sunt atât de mari încât materia obișnuită nu este suficient de puternică pentru a o construi. Un dispozitiv similar ar putea fi construit dintr-un șir cosmic, dar se știe că nu există niciunul și nu pare să fie posibilă crearea unui nou șir cosmic. Fizicianul Ronald Mallett încearcă să recreeze condițiile unei găuri negre în rotație cu ajutorul unor lasere inelare, pentru a îndoi spațiu-timpul și a permite călătoria în timp.

O obiecție mai fundamentală la schemele de călătorie în timp bazate pe cilindri rotativi sau pe corzi cosmice a fost avansată de Stephen Hawking, care a demonstrat o teoremă care arată că, în conformitate cu relativitatea generală, este imposibil să se construiască o mașină a timpului de un tip special (o „mașină a timpului cu orizontul Cauchy generat compact”) într-o regiune în care este satisfăcută condiția de energie slabă, ceea ce înseamnă că regiunea nu conține materie cu densitate de energie negativă (materie exotică). Soluțiile precum cea a lui Tipler presupun cilindri de lungime infinită, care sunt mai ușor de analizat din punct de vedere matematic și, deși Tipler a sugerat că un cilindru finit ar putea produce curbe temporale închise dacă viteza de rotație ar fi suficient de rapidă:169 el nu a demonstrat acest lucru. Dar Hawking subliniază că, din cauza teoremei sale, „nu se poate face cu o densitate de energie pozitivă peste tot! Pot dovedi că, pentru a construi o mașină a timpului finit, ai nevoie de energie negativă.”:96 Acest rezultat provine din lucrarea lui Hawking din 1992 privind conjectura protecției cronologice, în care el examinează „cazul în care încălcările cauzalității apar într-o regiune finită a spațiu-timpului fără singularități de curbură” și dovedește că „va exista un orizont Cauchy care este generat compact și care, în general, conține una sau mai multe geodezice închise nule, care vor fi incomplete”. Se pot defini mărimi geometrice care măsoară impulsul Lorentz și creșterea suprafeței la ocolirea acestor geodezice nule închise. Dacă încălcarea cauzalității s-a dezvoltat de la o suprafață inițială necompactă, condiția de energie slabă medie trebuie să fie încălcată pe orizontul Cauchy.” Această teoremă nu exclude posibilitatea călătoriei în timp prin intermediul mașinilor timpului cu orizonturile Cauchy generate în mod necompact (cum ar fi mașina timpului Deutsch-Politzer) sau în regiuni care conțin materie exotică, care ar fi folosită pentru găurile de vierme traversabile sau pentru propulsorul Alcubierre și gaura neagră.

Fizică cuantică

Teorema lipsei de comunicare

Când un semnal este trimis dintr-o locație și recepționat într-o altă locație, atunci atâta timp cât semnalul se deplasează cu viteza luminii sau mai încet, matematica simultaneității din teoria relativității arată că toate cadrele de referință sunt de acord că evenimentul de transmisie s-a petrecut înainte de evenimentul de recepție. Atunci când semnalul se deplasează mai repede decât lumina, acesta este recepționat înainte de a fi trimis, în toate cadrele de referință. Se poate spune că semnalul s-a deplasat înapoi în timp. Acest scenariu ipotetic este uneori denumit antitelefon tahionic.

Fenomenele de mecanică cuantică, cum ar fi teleportarea cuantică, paradoxul EPR sau încâlcirea cuantică, ar putea părea să creeze un mecanism care să permită comunicarea mai rapidă decât lumina (FTL) sau călătoria în timp și, de fapt, unele interpretări ale mecanicii cuantice, cum ar fi interpretarea lui Bohm, presupun că unele informații sunt schimbate instantaneu între particule pentru a menține corelațiile dintre particule. Acest efect a fost denumit de Einstein „acțiune înfricoșătoare la distanță”.

Cu toate acestea, faptul că cauzalitatea este păstrată în mecanica cuantică este un rezultat riguros în teoriile cuantice moderne ale câmpului și, prin urmare, teoriile moderne nu permit călătoria în timp sau comunicarea FTL. În orice caz specific în care s-a afirmat FTL, o analiză mai detaliată a dovedit că, pentru a obține un semnal, trebuie folosită și o anumită formă de comunicare clasică. Teorema lipsei de comunicare oferă, de asemenea, o dovadă generală a faptului că încâlcirea cuantică nu poate fi utilizată pentru a transmite informații mai repede decât semnalele clasice.

Interpretarea interacțiunii mai multor lumi

O variantă a interpretării mai multor lumi (MWI) a lui Hugh Everett a mecanicii cuantice oferă o rezolvare a paradoxului bunicului care implică faptul că cel care călătorește în timp ajunge într-un univers diferit de cel din care a venit; s-a argumentat că, deoarece călătorul ajunge în istoria unui univers diferit și nu în propria sa istorie, aceasta nu este o călătorie în timp „autentică”. Interpretarea acceptată a mai multor lumi sugerează că toate evenimentele cuantice posibile pot avea loc în istorii care se exclud reciproc. Cu toate acestea, unele variante permit universurilor diferite să interacționeze. Acest concept este folosit cel mai adesea în science-fiction, dar unii fizicieni, cum ar fi David Deutsch, au sugerat că un călător în timp ar trebui să ajungă într-o altă istorie decât cea din care a pornit. Pe de altă parte, Stephen Hawking a susținut că, chiar dacă MWI este corectă, ar trebui să ne așteptăm ca fiecare călător în timp să experimenteze o singură istorie autoconsistentă, astfel încât călătorii în timp să rămână în interiorul propriei lumi, mai degrabă decât să călătorească în alta. Fizicianul Allen Everett a susținut că abordarea lui Deutsch „implică modificarea principiilor fundamentale ale mecanicii cuantice; cu siguranță depășește simpla adoptare a MWI”. Everett susține, de asemenea, că, chiar dacă abordarea lui Deutsch este corectă, aceasta ar implica faptul că orice obiect macroscopic compus din mai multe particule ar fi despărțit atunci când călătorește înapoi în timp printr-o gaură de vierme, particule diferite apărând în lumi diferite.

Rezultate experimentale

Certe experimente efectuate dau impresia unei cauzalități inversate, dar nu reușesc să o demonstreze la o examinare mai atentă.

Experimentul de ștergere cuantică cu alegere întârziată realizat de Marlan Scully implică perechi de fotoni încurcați care sunt împărțiți în „fotoni de semnal” și „fotoni inactivi”, fotonii de semnal ieșind din una din cele două locații, iar poziția lor fiind măsurată ulterior ca în experimentul cu fantă dublă. În funcție de modul în care este măsurat fotonul idler, experimentatorul poate fie să afle din care dintre cele două locații a apărut fotonul semnal, fie să „șteargă” această informație. Chiar dacă fotonii de semnal pot fi măsurați înainte de a se lua o decizie cu privire la fotonii inactivi, această decizie pare să determine retroactiv dacă se observă sau nu un model de interferență atunci când se corelează măsurătorile fotonilor inactivi cu fotonii de semnal corespunzători. Cu toate acestea, din moment ce interferența poate fi observată numai după ce fotonii nefolositori sunt măsurați și sunt corelați cu fotonii de semnal, nu există nicio modalitate pentru experimentatori de a spune ce alegere va fi făcută în avans doar prin observarea fotonilor de semnal, ci doar prin colectarea de informații clasice din întregul sistem; astfel, cauzalitatea este păstrată.

Experimentul lui Lijun Wang ar putea, de asemenea, să arate încălcarea cauzalității, deoarece a făcut posibilă trimiterea unor pachete de unde printr-un bulb de cesiu gazos în așa fel încât pachetul să pară să iasă din bulb cu 62 de nanosecunde înainte de intrarea sa, dar un pachet de unde nu este un singur obiect bine definit, ci mai degrabă o sumă de mai multe unde de frecvențe diferite (vezi analiza Fourier), iar pachetul poate părea că se mișcă mai repede decât lumina sau chiar înapoi în timp, chiar dacă niciuna dintre undele pure din sumă nu face acest lucru. Acest efect nu poate fi folosit pentru a trimite vreo materie, energie sau informație mai repede decât lumina, astfel încât se înțelege că nici acest experiment nu încalcă cauzalitatea.

Fizicienii Günter Nimtz și Alfons Stahlhofen, de la Universitatea din Koblenz, susțin că au încălcat teoria relativității a lui Einstein prin transmiterea de fotoni mai repede decât viteza luminii. Ei spun că au realizat un experiment în care fotonii de microunde au călătorit „instantaneu” între o pereche de prisme care au fost mutate la o distanță de până la 0,91 m (3 ft), folosind un fenomen cunoscut sub numele de tunelare cuantică. Nimtz a declarat pentru revista New Scientist: „Deocamdată, aceasta este singura încălcare a relativității speciale pe care o cunosc.” Cu toate acestea, alți fizicieni spun că acest fenomen nu permite transmiterea informațiilor mai repede decât lumina. Aephraim Steinberg, expert în optică cuantică la Universitatea din Toronto, Canada, folosește analogia unui tren care călătorește de la Chicago la New York, dar care lasă vagoane în fiecare stație de pe traseu, astfel încât centrul trenului să avanseze la fiecare stație; în acest fel, viteza centrului trenului depășește viteza oricărui vagon individual.

Shengwang Du susține într-o revistă de specialitate că a observat precursorii fotonilor unici, spunând că aceștia nu se deplasează mai repede decât c în vid. Experimentul său a implicat lumină lentă, precum și trecerea luminii prin vid. El a generat doi fotoni unici, trecând unul prin atomi de rubidiu care au fost răciți cu un laser (încetinind astfel lumina) și trecând unul prin vid. Aparent, de ambele ori, precursorii au precedat corpurile principale ale fotonilor, iar precursorul a călătorit cu viteza c în vid. Potrivit lui Du, acest lucru implică faptul că nu există nicio posibilitate ca lumina să călătorească mai repede decât c și, astfel, nicio posibilitate de încălcare a cauzalității.

Absența călătorilor în timp din viitor

Krononauts

Mulți au susținut că absența călătorilor în timp din viitor demonstrează că o astfel de tehnologie nu va fi niciodată dezvoltată, sugerând că este imposibilă. Aceasta este o analogie cu paradoxul Fermi legat de absența dovezilor de viață extraterestră. Așa cum absența vizitatorilor extratereștri nu dovedește în mod categoric că aceștia nu există, la fel și absența călătorilor în timp nu reușește să dovedească imposibilitatea fizică a călătoriei în timp; s-ar putea ca această călătorie să fie posibilă din punct de vedere fizic, dar să nu fie niciodată dezvoltată sau să fie utilizată cu prudență. Carl Sagan a sugerat la un moment dat posibilitatea ca călătorii în timp să fie aici, dar să își mascheze existența sau să nu fie recunoscuți ca fiind călători în timp. Unele versiuni ale relativității generale sugerează că călătoria în timp ar putea fi posibilă doar într-o regiune a spațiu-timpului care este deformată într-un anumit mod și, prin urmare, călătorii în timp nu ar putea călători înapoi în regiuni anterioare în spațiu-timp, înainte ca această regiune să existe. Stephen Hawking a declarat că acest lucru ar explica de ce lumea nu a fost deja invadată de „turiști din viitor”.

Au fost efectuate mai multe experimente pentru a încerca să atragă oamenii din viitor, care ar putea inventa tehnologia de călătorie în timp, să se întoarcă și să o demonstreze oamenilor din prezent. Evenimente precum Ziua Destinației de la Perth sau Convenția Călătorilor în Timp de la MIT au mediatizat intens „reclame” permanente ale unui loc și timp de întâlnire pentru viitorii călători în timp pentru a se întâlni. În 1982, un grup din Baltimore, Maryland, care se identifica drept Krononauts, a găzduit un eveniment de acest tip, primind vizitatori din viitor. Aceste experimente au avut doar posibilitatea de a genera un rezultat pozitiv care să demonstreze existența călătoriei în timp, dar au eșuat până în prezent – nu se știe ca vreun călător în timp să fi participat la vreunul dintre aceste evenimente. Unele versiuni ale interpretării cu multe lumi pot fi folosite pentru a sugera că oamenii din viitor au călătorit înapoi în timp, dar au călătorit înapoi la timpul și locul de întâlnire într-un univers paralel.

.