De vetenskapliga möjligheterna med tidsresor

Berättelser om resor till det förflutna och framtiden har länge fångat vår fantasi, men frågan om tid resor 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 huruvida intetiden finns faktiskt 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.

Även om det hänvisas till i H.G. Wells ' Tidsmaskinen (1895), den faktiska vetenskapen om tidsresor kom inte till förrän långt in i det tjugonde århundradet, som en biverkning av Albert Einsteinär teori om allmän relativitet

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 klassikern Tvillingparadox. 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.)

1937 sköt den fysiska fysikern W. J. van Stockum tillämpade först allmän relativitet 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 tidig 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 kom matematikern Kurt Godel - en vän till Einsteins och en kollega på Princeton University's Institute for Advanced Study - beslutade att ta itu med en situation där hela universum är roterande. I Godels lösningar tillåts faktiskt tidsresor av ekvationerna om universum roterade. Ett roterande universum skulle kunna fungera som en tidsmaskin.

Om universum roterades 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 något slags universellt rotation. Så igen, tidsresor utesluts av denna specifika uppsättning resultat. Men faktum är att saker i universum roterar, och det öppnar igen möjligheten.

1963 använde Nya Zeelands matematiker Roy Kerr fältekvationerna för att analysera en roterande svart hål, kallade ett Kerr-svart hål och fann att resultaten tillät en väg genom en maskhål i det svarta hålet, saknar singulariteten i mitten och gör det i 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 fysiken 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 en svart hål med ett maskhål som ansluter till en annan punkt i rymden som hålls öppen av någon form av negativa 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 (det "rörliga slutet). Du placerar den rörliga änden på ett rymdskepp och skjuter ut det i rymden på nästan ljusets hastighet. Tidsdilateringen startar och tiden som den rörliga änden upplever är mycket mindre än den tid som den fasta änden upplever. Låt oss anta att du flyttar det rörliga slutet 5000 år in i jordens framtid, men det rörliga slutet bara "åldras" 5 år. Så du lämnar 2010 AD, säg, och anländer till 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.