Tidsresor

Huvudsartikel: En föreslagen tidsresemaskin som använder sig av ett genomträngningsbart maskhål skulle hypotetiskt fungera på följande sätt: Den ena änden av maskhålet accelereras till en betydande del av ljusets hastighet, kanske med ett avancerat framdrivningssystem, och förs sedan tillbaka till utgångspunkten. Alternativt kan ett annat sätt vara att ta den ena ingången till maskhålet och flytta den inom gravitationsfältet för ett objekt som har högre gravitation än den andra ingången, och sedan återföra den till en position nära den andra ingången. För båda dessa metoder gör tidsutvidgningen att den ände av maskhålet som har flyttats har åldrats mindre, eller blivit ”yngre”, än den stationära änden sett av en extern observatör; tiden kopplas dock annorlunda genom maskhålet än utanför det, så att synkroniserade klockor i vardera änden av maskhålet alltid förblir synkroniserade sett av en observatör som passerar genom maskhålet, oavsett hur de två ändarna flyttas runt.:502 Detta innebär att en observatör som går in i den ”yngre” änden skulle lämna den ”äldre” änden vid en tidpunkt då den var lika gammal som den ”yngre” änden, och i själva verket gå tillbaka i tiden sett av en observatör utifrån. En betydande begränsning av en sådan tidsmaskin är att det bara är möjligt att gå så långt tillbaka i tiden som den ursprungliga skapelsen av maskinen;:503 i huvudsak är det mer en väg genom tiden än en anordning som i sig själv rör sig genom tiden, och det skulle inte tillåta att tekniken i sig själv förflyttas bakåt i tiden.

Enligt nuvarande teorier om maskhåls natur skulle konstruktionen av ett genomträngningsbart maskhål kräva existensen av en substans med negativ energi, ofta kallad ”exotisk materia”. Mer tekniskt sett kräver maskhålets rymdtid en energifördelning som bryter mot olika energivillkor, t.ex. nollenergivillkoret tillsammans med de svaga, starka och dominerande energivillkoren. Det är dock känt att kvanteffekter kan leda till små mätbara överträdelser av nollenergivillkoret,101 och många fysiker tror att den erforderliga negativa energin faktiskt kan vara möjlig på grund av Casimireffekten inom kvantfysiken. Även om tidiga beräkningar tydde på att det skulle krävas en mycket stor mängd negativ energi, visade senare beräkningar att mängden negativ energi kan göras godtyckligt liten.

1993 hävdade Matt Visser att de två mynningarna i ett maskhål med en sådan inducerad klockdifferens inte skulle kunna sammanföras utan att inducera kvantfälts- och gravitationseffekter som antingen skulle få maskhålet att kollapsa eller de två mynningarna att stöta bort varandra. På grund av detta skulle de två mynningarna inte kunna föras tillräckligt nära varandra för att kausalitetsöverträdelsen skulle kunna äga rum. I en artikel från 1997 ställde Visser dock den hypotesen att en komplex ”romersk ring” (uppkallad efter Tom Roman) konfiguration av ett N antal maskhål arrangerade i en symmetrisk polygon fortfarande skulle kunna fungera som en tidsmaskin, även om han drar slutsatsen att detta snarare är en brist i den klassiska kvantgravitationsteorin än ett bevis för att kausalitetsöverträdelse är möjlig.

Andra tillvägagångssätt baserade på allmän relativitetsteori

Ett annat tillvägagångssätt inbegriper en tät snurrande cylinder som vanligen kallas Tiplercylinder, en GR-lösning som upptäcktes av Willem Jacob van Stockum 1936 och Kornel Lanczos 1924, men som inte erkändes som möjliggörande av slutna tidsliknande kurvor:21 förrän efter en analys av Frank Tipler 1974. Om en cylinder är oändligt lång och snurrar tillräckligt snabbt runt sin långa axel kan ett rymdskepp som flyger runt cylindern på en spiralbana resa bakåt i tiden (eller framåt, beroende på spiralens riktning). Den täthet och hastighet som krävs är dock så stor att vanlig materia inte är tillräckligt stark för att konstruera den. En liknande anordning skulle kunna byggas av en kosmisk sträng, men ingen sådan finns, och det verkar inte vara möjligt att skapa en ny kosmisk sträng. Fysikern Ronald Mallett försöker återskapa förhållandena i ett roterande svart hål med hjälp av ringlaser för att böja rumtiden och möjliggöra tidsresor.

En mer grundläggande invändning mot tidsresor som bygger på roterande cylindrar eller kosmiska strängar har framförts av Stephen Hawking, som bevisat en sats som visar att det enligt den allmänna relativitetsteorin är omöjligt att bygga en tidsmaskin av en speciell typ (en ”tidsmaskin med den kompakt genererade Cauchy-horisonten”) i en region där villkoret om svag energi är uppfyllt, vilket innebär att regionen inte innehåller någon materia med negativ energitäthet (exotisk materia). Lösningar som Tiplers utgår från oändligt långa cylindrar, som är lättare att analysera matematiskt, och även om Tipler antydde att en ändlig cylinder skulle kunna producera slutna tidsliknande kurvor om rotationshastigheten var tillräckligt snabb:169 bevisade han inte detta. Men Hawking påpekar att på grund av hans teorem ”kan det inte göras med positiv energitäthet överallt! Jag kan bevisa att för att bygga en ändlig tidsmaskin behöver man negativ energi.”:96 Detta resultat kommer från Hawkings artikel från 1992 om kronologibeskyddarkonjekturen, där han undersöker ”fallet att kausalitetsöverträdelserna uppträder i en ändlig region av rymdtiden utan krökningssingulariteter” och bevisar att ”det kommer att finnas en Cauchy-horisont som är kompakt genererad och som i allmänhet innehåller en eller flera slutna nollgeodetiska linjer som kommer att vara ofullständiga”. Man kan definiera geometriska storheter som mäter Lorentzförstärkningen och arealökningen när man går runt dessa slutna nollgeodeser. Om kausalitetsbrottet utvecklades från en icke-kompakt initial yta måste det genomsnittliga svaga energivillkoret brytas på Cauchyhorisonten.” Denna sats utesluter inte möjligheten till tidsresor med hjälp av tidsmaskiner med icke-kompakt genererade Cauchyhorisonter (som Deutsch-Politzers tidsmaskin) eller i regioner som innehåller exotisk materia, vilket skulle användas för genomträngliga maskhål eller Alcubierre-drivningen och svarta hål.

Kvantumfysik

Notkommunikationssatsen

När en signal sänds från en plats och tas emot på en annan plats, så länge signalen rör sig med ljusets hastighet eller långsammare, visar matematiken om simultanitet i relativitetsteorin att alla referensramar är överens om att sändningshändelsen inträffade före mottagningshändelsen. När signalen färdas snabbare än ljuset tas den emot innan den sänds, i alla referensramar. Signalen kan sägas ha rört sig bakåt i tiden. Detta hypotetiska scenario kallas ibland för en tachyonisk antitelefon.

Kvantmekaniska fenomen som kvantteleportering, EPR-paradoxen eller kvantförflätning kan tyckas skapa en mekanism som gör det möjligt att kommunicera snabbare än ljuset (FTL) eller att resa i tiden, och i själva verket förutsätter vissa tolkningar av kvantmekaniken, t.ex. Bohm-tolkningen, att viss information utbyts mellan partiklar ögonblickligen för att bibehålla korrelationer mellan partiklarna. Denna effekt kallades ”spöklik verkan på avstånd” av Einstein.

Det faktum att kausaliteten bevaras i kvantmekaniken är dock ett rigoröst resultat i moderna kvantfältsteorier, och därför tillåter moderna teorier inte tidsresor eller FTL-kommunikation. I alla specifika fall där FTL har hävdats har en mer detaljerad analys visat att för att få en signal måste också någon form av klassisk kommunikation användas. Teoremet om icke-kommunikation ger också ett allmänt bevis för att kvantförvirring inte kan användas för att överföra information snabbare än klassiska signaler.

Interagerande många-världar-tolkning

En variant av Hugh Everetts många-världar-tolkning (MWI) av kvantmekaniken ger en lösning på farfarsparadoxen som innebär att tidsresenären anländer i ett annat universum än det de kom från. Det har hävdats att eftersom resenären anländer i ett annat universums historia och inte i sin egen historia, så är detta inte en ”äkta” tidsresa. Den accepterade tolkningen av många världar föreslår att alla möjliga kvanthändelser kan inträffa i historier som utesluter varandra. Vissa varianter tillåter dock att olika universum interagerar med varandra. Detta koncept används oftast i science-fiction, men vissa fysiker som David Deutsch har föreslagit att en tidsresenär bör hamna i en annan historia än den han startade från. Å andra sidan har Stephen Hawking hävdat att även om MWI är korrekt bör vi förvänta oss att varje tidsresenär upplever en enda självkonsistent historia, så att tidsresenärer stannar kvar i sin egen värld i stället för att resa till en annan. Fysikern Allen Everett hävdade att Deutschs tillvägagångssätt ”innebär att man ändrar grundläggande principer inom kvantmekaniken; det går definitivt längre än att bara anta MWI”. Everett hävdar också att även om Deutschs tillvägagångssätt är korrekt skulle det innebära att varje makroskopiskt objekt som består av flera partiklar skulle splittras när man reser tillbaka i tiden genom ett maskhål, och att olika partiklar skulle dyka upp i olika världar.

Experimentella resultat

Vissa experiment som utförts ger intrycket av omvänd kausalitet, men misslyckas med att visa det vid närmare granskning.

Det fördröjda valet kvantutplånarexperimentet som utfördes av Marlan Scully innefattar par av förvirrade fotoner som delas upp i ”signalfotoner” och ”tomgångsfotoner”, där signalfotonerna uppstår från en av två platser och deras position senare mäts som i dubbelspaltsexperimentet. Beroende på hur idler-fotonen mäts kan experimentatorn antingen få reda på vilken av de två platserna som signalfotonen kom ifrån eller ”radera” den informationen. Även om signalfotonerna kan mätas innan valet av idler-fotonerna har gjorts, tycks valet retroaktivt avgöra om ett interferensmönster observeras eller inte när man korrelerar mätningar av idler-fotonerna med motsvarande signalfotoner. Men eftersom interferens kan observeras först efter det att idler-fotonerna har mätts och korrelerats med signal-fotonerna, finns det inget sätt för experimentatorerna att i förväg säga vilket val som kommer att göras bara genom att titta på signal-fotonerna, utan endast genom att samla in klassisk information från hela systemet; på så sätt bevaras kausaliteten.

Lijun Wangs experiment kan också visa på kausalitetsöverträdelse eftersom det gjorde det möjligt att skicka paket av vågor genom en glödlampa med cesiumgas på ett sådant sätt att paketet tycktes lämna glödlampan 62 nanosekunder innan det kom in, men ett vågpaket är inte ett enskilt väldefinierat objekt utan snarare en summa av flera vågor med olika frekvenser (se Fourieranalysen), och paketet kan tyckas röra sig snabbare än ljuset eller till och med bakåt i tiden, även om ingen av de rena vågorna i summan gör det. Denna effekt kan inte användas för att skicka någon materia, energi eller information snabbare än ljuset, så detta experiment anses inte heller bryta mot kausaliteten.

Fysikerna Günter Nimtz och Alfons Stahlhofen vid universitetet i Koblenz hävdar att de har brutit mot Einsteins relativitetsteori genom att sända fotoner snabbare än ljusets hastighet. De säger att de har genomfört ett experiment där mikrovågsfotonerna ”ögonblickligen” färdades mellan ett par prismor som hade flyttats upp till 0,91 m från varandra, med hjälp av ett fenomen som kallas kvanttunnling. Nimtz berättade för tidningen New Scientist: ”För närvarande är detta det enda brott mot den speciella relativitetsteorin som jag känner till.” Andra fysiker menar dock att detta fenomen inte gör det möjligt att överföra information snabbare än ljuset. Aephraim Steinberg, expert på kvantoptik vid universitetet i Toronto, Kanada, använder en analogi med ett tåg som reser från Chicago till New York, men släpper av tågvagnar vid varje station längs vägen, så att tågets mittpunkt rör sig framåt vid varje stopp; på detta sätt överstiger hastigheten i tågets mittpunkt hastigheten hos någon av de enskilda vagnarna.

Shengwang Du hävdar i en fackgranskad tidskrift att han har observerat enskilda fotoners föregångare och säger att de inte rör sig snabbare än c i ett vakuum. Hans experiment innefattade långsamt ljus samt att skicka ljuset genom ett vakuum. Han genererade två enskilda fotoner och lät den ena passera genom rubidiumatomer som hade kylts med en laser (vilket gjorde att ljuset blev långsammare) och den andra passerade genom ett vakuum. Båda gångerna föregick tydligen prekursorerna fotonernas huvudkroppar, och prekursorn färdades med c i ett vakuum. Enligt Du innebär detta att det inte finns någon möjlighet att ljuset kan färdas snabbare än c och därmed ingen möjlighet att bryta mot kausaliteten.

Frånvaro av tidsresenärer från framtiden