Är tidsresor möjlig?

Berättelser om resor till det förflutna och framtiden har länge fångat vår fantasi, men frågan om tidsresa är möjlig är en taggig som får rätt i hjärtat att förstå vad fysiker menar när de använder ordet "tid". 

Modern fysik lär oss att tiden är en av de mest mystiska aspekterna av vårt universum, även om den till en början kan verka rak. Einstein revolutionerade vår förståelse av konceptet, men även med denna reviderade förståelse funderar vissa forskare fortfarande på frågan om tid faktiskt existerar eller inte eller om det är enbart "envist ihållande illusion" (som Einstein en gång kallade det). Hur som helst, fysiker (och fiktionförfattare) har dock hittat några intressanta sätt att manipulera det för att överväga att korsa det på oortodokse sätt.

Tid och relativitet

Även om det hänvisas till i H.G. Wells ' Tidsmaskinen (1895) kom den faktiska vetenskapen om tidsresor inte till förrän långt in på det tjugonde århundradet, som en biverkning av Albert Einsteins teori om allmän relativitet (utvecklad 1915). Relativitet beskriver universumets fysiska struktur i termer av en 4-dimensionell rymdtid, som inkluderar tre rumsliga dimensioner (upp / ner, vänster / höger och fram / bak) tillsammans med en tidsdimension. Enligt denna teori, som har bevisats genom ett flertal experiment under förra seklet, är tyngdkraften ett resultat av böjningen av denna rymdtid som svar på närvaron av materia. Med andra ord, med tanke på en viss konfiguration av materien, kan universums faktiska rymdtidstyg förändras på betydande sätt.

En av relativitetens fantastiska konsekvenser är att rörelse kan resultera i en skillnad i hur tiden går, en process som kallas tidsutvidgning. Detta manifesteras mest dramatiskt i den klassiska Twin Paradox. I denna metod för "tidsresa" kan du gå snabbare in i framtiden än normalt, men det finns egentligen ingen väg tillbaka. (Det finns ett litet undantag, men mer om det senare i artikeln.)

Tidigt resor

1937 tillämpade den skotska fysikern W. J. van Stockum först den allmänna relativiteten på ett sätt som öppnade dörren för tidsresor. Genom att tillämpa ekvationen av allmän relativitet på en situation med en oändligt lång, extremt tät roterande cylinder (typ som en oändlig barbershopstång). Rotationen av ett sådant massivt objekt skapar faktiskt ett fenomen som kallas "ramdragning", vilket är att det faktiskt drar sig i rymden tillsammans med det. Van Stockum fann att man i denna situation kunde skapa en väg i 4-dimensionell rymdtid som började och slutade på samma punkt - något som kallas en stängd tidlik kurva - vilket är det fysiska resultatet som tillåter tidsresor. Du kan åka i ett rymdskepp och resa en väg som tar dig tillbaka till exakt samma ögonblick som du började på.

Även om ett spännande resultat var detta en ganska förvirrad situation, så det var inte riktigt mycket oro över att det skulle äga rum. En ny tolkning skulle dock komma med, vilket var mycket mer kontroversiellt.

1949 beslutade matematikern Kurt Godel - en vän till Einsteins och en kollega vid Princeton University's Institute for Advanced Study - att ta itu med en situation där hela universum roterar. I Godels lösningar tillåts faktiskt tidsresor av ekvationerna om universum roterade. Ett roterande universum skulle kunna fungera som en tidsmaskin.

Om universum roterade skulle det nu finnas sätt att upptäcka det (ljusstrålar skulle böjas, till exempel om hela universum roterade), och hittills är bevisen överväldigande starka att det inte finns någon slags universell rotation. Så igen, tidsresor utesluts av denna specifika uppsättning resultat. Men faktum är att saker i universum roterar, och det öppnar igen möjligheten.

Tidsresor och svarta hål

1963 använde Nya Zeelands matematiker Roy Kerr fältekvationerna för att analysera ett roterande svart hål, kallat ett Kerr-svart hål, och fann att resultaten tillät en väg genom ett maskhål i det svarta hålet, saknade singulariteten i mitten och göra det ut den andra änden. Detta scenario möjliggör också stängda tidiga kurvor, som teoretisk fysiker Kip Thorne insåg år senare.

I början av 1980-talet, medan Carl Sagan arbetade med 1985-romanen Kontakt, han närmade sig Kip Thorne med en fråga om fysik i tidsresor, vilket inspirerade Thorne att undersöka begreppet att använda ett svart hål som ett sätt att resa. Tillsammans med fysikern Sung-Won Kim insåg Thorne att du (i teorin) kunde ha ett svart hål med ett maskhål som ansluter till en annan punkt i rymden som hålls öppen av någon form av negativ energi.

Men bara för att du har ett maskhål betyder det inte att du har en tidsmaskin. Låt oss nu anta att du kan flytta den ena änden av maskhålet (den "rörliga änden). Du placerar den rörliga änden på ett rymdskepp, skjuter ut det i rymden med nästan ljusets hastighet. Tidsutvidgningen startar och tiden upplevs vid det rörliga slutet är mycket mindre än den tid som upplevs av det fasta slutet. Låt oss anta att du flyttar det rörliga slutet 5 000 år in i jordens framtid, men det rörliga slutet bara "åldras" 5 år. Så du lämnar 2010 AD , säg och anländer år 7010 e.Kr..

Men om du reser genom det rörliga slutet kommer du faktiskt att springa ut ur det fasta slutet 2015 e.Kr. (sedan 5 år har gått tillbaka på jorden). Vad? Hur fungerar detta?

Faktum är att de två ändarna av maskhålen är anslutna. Oavsett hur långt ifrån varandra de är, i rymden, är de fortfarande i princip "nära" varandra. Eftersom den rörliga änden bara är fem år äldre än när den gick, kommer du att gå igenom den tillbaka till den relaterade punkten på det fasta maskhålet. Och om någon från 2015 AD Jorden går genom det fasta maskhålet, skulle de komma ut 7010 e.Kr. från det rörliga maskhålet. (Om någon gick igenom maskhålen 2012 e.Kr., skulle de hamna på rymdskeppet någonstans mitt i resan och så vidare.)

Även om detta är den mest fysiskt rimliga beskrivningen av en tidsmaskin, finns det fortfarande problem. Ingen vet om det finns maskhål eller negativ energi, inte heller hur man sätter ihop dem på detta sätt om de existerar. Men det är (i teorin) möjligt.