Czy możliwa jest podróż w czasie?

ANDRZEJ WOJCICKI/SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images

Historie dotyczące podróży w przeszłość i przyszłość od dawna zawładnęły naszą wyobraźnią, ale pytanie, czy podróże w czasie są możliwe, jest drażliwe i trafia prosto w sedno zrozumienia, co fizycy mają na myśli, gdy używają słowa „czas”.

Współczesna fizyka uczy nas, że czas jest jednym z najbardziej tajemniczych aspektów naszego wszechświata, choć na pierwszy rzut oka może wydawać się prosty. Einstein zrewolucjonizował nasze rozumienie tej koncepcji, ale nawet przy tym zmienionym rozumieniu niektórzy naukowcy wciąż zastanawiają się, czy czas rzeczywiście istnieje czy też jest to zwykła „uparcie uporczywa iluzja” (jak kiedyś nazwał to Einstein). Niezależnie od tego, jaki jest czas, fizycy (i pisarze beletrystyczni) znaleźli kilka interesujących sposobów manipulowania nim, aby rozważyć przechodzenie przez niego w niekonwencjonalny sposób.

Czas i względność

Chociaż wspomniane w H.G. Wells' Maszyna czasu (1895), faktyczna nauka o podróżach w czasie powstała dopiero w XX wieku, jako efekt uboczny Alberta Einsteina teoria ogólna teoria względności (opracowany w 1915). Względność opisuje fizyczną tkankę wszechświata w postaci czterowymiarowej czasoprzestrzeni, która obejmuje trzy wymiary przestrzenne (góra/dół, lewo/prawo i przód/tył) wraz z jednym wymiarem czasowym. Zgodnie z tą teorią, udowodnioną licznymi eksperymentami w ciągu ostatniego stulecia, grawitacja jest wynikiem zakrzywienia tej czasoprzestrzeni w odpowiedzi na obecność materii. Innymi słowy, mając określoną konfigurację materii, rzeczywistą tkankę czasoprzestrzenną wszechświata można zmienić w znaczący sposób.

Jedną z niesamowitych konsekwencji teorii względności jest to, że ruch może powodować różnicę w sposobie upływu czasu, proces znany jako dylatacja czasu . Najbardziej dramatycznie objawia się to w klasyce Bliźniaczy paradoks . W tej metodzie „podróży w czasie” możesz przenieść się w przyszłość szybciej niż zwykle, ale tak naprawdę nie ma odwrotu. (Jest mały wyjątek, ale o tym w dalszej części artykułu).

Wczesna podróż w czasie

W 1937 roku szkocki fizyk W.J. van Stockum po raz pierwszy zastosował ogólną teorię względności w sposób, który otworzył drzwi do podróży w czasie. Stosując równanie ogólnej teorii względności do sytuacji z nieskończenie długim, niezwykle gęstym obracającym się cylindrem (coś w rodzaju niekończącego się słupa fryzjerskiego). Obrót tak masywnego obiektu w rzeczywistości tworzy zjawisko znane jako „przeciąganie klatek”, co oznacza, że ​​w rzeczywistości ciągnie za sobą czasoprzestrzeń. Van Stockum odkrył, że w tej sytuacji można stworzyć ścieżkę w czterowymiarowej czasoprzestrzeni, która zaczyna się i kończy w tym samym punkcie - coś, co nazywa się zamknięta krzywa czasowa - co jest fizycznym wynikiem, który umożliwia podróże w czasie. Możesz wyruszyć statkiem kosmicznym i podróżować ścieżką, która prowadzi z powrotem do dokładnie tego samego momentu, w którym zacząłeś.

Choć wynik był intrygujący, była to dość wymyślna sytuacja, więc nie było zbytniego obaw, że to się wydarzy. Miała jednak nadejść nowa interpretacja, która była znacznie bardziej kontrowersyjna.

W 1949 roku matematyk Kurt Godel – przyjaciel Einsteina i kolega z Instytutu Studiów Zaawansowanych Uniwersytetu Princeton – postanowił zająć się sytuacją, w której cały wszechświat wiruje. W rozwiązaniach Gödla podróże w czasie były w rzeczywistości dozwolone przez równania, jeśli wszechświat się obracał. Obracający się wszechświat mógłby sam funkcjonować jako wehikuł czasu.

Teraz, gdyby wszechświat się obracał, istniałyby sposoby na jego wykrycie (wiązki światła uginałyby się, na przykład, gdyby cały wszechświat się obracał) i jak dotąd dowody są przytłaczająco mocne, że nie ma uniwersalnej rotacji. Tak więc podróże w czasie są wykluczone przez ten konkretny zestaw wyników. Ale faktem jest, że rzeczy we wszechświecie się obracają, a to ponownie otwiera możliwość.

Podróże w czasie i czarne dziury

W 1963 roku nowozelandzki matematyk Roy Kerr użył równań pola do analizy rotacji czarna dziura , nazwany czarną dziurą Kerra, i odkrył, że wyniki pozwalają na przejście przez a tunel czasoprzestrzenny w czarnej dziurze, omijając osobliwość w środku, i dostrzec drugi koniec. Ten scenariusz pozwala również na zamknięte krzywe czasopodobne, jak po latach zdał sobie sprawę fizyk teoretyczny Kip Thorne.

Na początku lat 80., kiedy Carl Sagan pracował nad swoją powieścią z 1985 roku Kontakt , zwrócił się do Kipa Thorne'a z pytaniem o fizykę podróży w czasie, co zainspirowało Thorne'a do zbadania koncepcji wykorzystania czarnej dziury jako środka podróży w czasie. Razem z fizykiem Sung-Won Kim, Thorne zdał sobie sprawę, że można (teoretycznie) mieć czarną dziurę z tunelem czasoprzestrzennym łączącym ją z innym punktem w przestrzeni utrzymywanym przez jakąś formę negatywnej energii.

Ale to, że masz tunel czasoprzestrzenny, nie oznacza, że ​​masz wehikuł czasu. Załóżmy teraz, że możesz przesunąć jeden koniec tunelu czasoprzestrzennego („ruchomy koniec”). Umieszczasz ruchomy koniec na statku kosmicznym, wystrzeliwując go w kosmos prawie do prędkość światła . Rozpoczyna się dylatacja czasu, a czas doświadczany przez koniec ruchomy jest znacznie krótszy niż czas doświadczany przez koniec stały. Załóżmy, że przesuwasz ruchomy koniec o 5000 lat w przyszłość Ziemi, ale ruchomy koniec tylko „wiek” 5 lat. Tak więc wyjeżdżasz w 2010 r., powiedzmy, i przybywasz w 7010 r. n.e.

Jednakże, jeśli podróżujesz przez ruchomy koniec, faktycznie wyskoczysz ze stałego końca w 2015 r. AD (ponieważ minęło 5 lat na Ziemi). Co? Jak to działa?

Cóż, faktem jest, że dwa końce tunelu czasoprzestrzennego są połączone. Bez względu na to, jak daleko są od siebie, w czasoprzestrzeni nadal są w zasadzie „blisko” siebie. Ponieważ ruchomy koniec jest tylko o pięć lat starszy niż w momencie, gdy wyszedł, przejście przez niego odeśle cię z powrotem do odpowiedniego punktu na stałym tunelu czasoprzestrzennym. A jeśli ktoś z Ziemi 2015 r. wejdzie przez stały tunel czasoprzestrzenny, wyjdzie w 7010 r. z ruchomego tunelu czasoprzestrzennego. (Gdyby ktoś przeszedł przez tunel czasoprzestrzenny w 2012 r., wylądowałby na statku kosmicznym gdzieś w połowie podróży i tak dalej.)

Chociaż jest to najbardziej rozsądny fizycznie opis wehikułu czasu, nadal istnieją problemy. Nikt nie wie, czy istnieją tunele czasoprzestrzenne lub negatywna energia, ani jak je w ten sposób połączyć, jeśli istnieją. Ale jest to (teoretycznie) możliwe.