De când H. G. Wells și-a publicat mașina timpului, mersul în trecut sau în viitor, cu o revenire inevitabilă la propria epocă, s-au stabilit ferm în știința ficțiune. Dar sunt posibile din punctul de vedere al științei moderne, cel puțin pur teoretic?
Împreună cu un grup de oameni similari, studiez călătoriile în timp în contextul relativității generale cu anumite corecții cuantice. Mai exact, problema se pune astfel: este posibil să se construiască un spațiu-timp curb de relativitate generală cu ajutorul anumitor câmpuri cuantice, care să conțină linii mondiale închise? Dacă linia mondială părăsește un anumit punct spațial-timp și se întoarce la el, atunci mișcarea de-a lungul acestei bucle va fi doar deplasarea în timp. Pentru cei care sunt familiarizați cu teoria relativității, voi clarifica că linia lumii trebuie să fie similară cu timpul. Aceasta înseamnă că nicio mișcare de-a lungul acesteia nu trebuie să depășească viteza luminii.
Semi-clasic
Abordarea noastră la formularea problemei călătoriei temporale poate fi numită semiclastică, deoarece se bazează pe combinarea teoriei clasice a gravitației lui Einstein cu teoria cuantică a câmpurilor. Unii oameni spun că această problemă de călătorie ar trebui studiată pe baza unei teorii pur cuantice a gravitației, dar ea nu a fost încă creată și nu știm cum va arăta.
Ecuațiile lui Einstein sunt simetrice în raport cu timpul, soluțiile lor pot fi continuate atât în viitor, cât și în trecut. Prin urmare, ireversibilitatea timpului nu rezultă din ele, ceea ce ar impune o interdicție a călătoriilor în timp. Cu toate acestea, structura geometrică a spațiului-timp este determinată de proprietățile spațiului de umplere a materiei, de energia și presiunea acestuia. Prin urmare, principala noastră problemă poate fi reformulată după cum urmează: ce fel de materie permite buclele liniilor mondiale? Se dovedește că materia cu care suntem obișnuiți, formată din particule și radiații, nu este în niciun caz potrivită pentru acest lucru. Avem nevoie de un alt tip de materie, care are masă negativă și, prin urmare, dacă amintim faimoasa formulă Einstein a E = mc2 și energie negativă (apropo, nu confundați o astfel de materie cu antiparticule - masele și energiile lor sunt pozitive). Acest lucru a fost mult timp dovedit de mai mulți fizicieni,de exemplu Stephen Hawking.
Efect Casimir
Video promotional:
Materia cu masă și energie negativă poate părea absurdă, dar a fost elaborată prin teorie și chiar confirmată prin experiment. Adevărat, fizica clasică nu o permite, dar, din punctul de vedere al teoriei cuantice a câmpurilor, este complet legal. Acest lucru este demonstrat de un efect fizic numit după fizicianul olandez Hendrik Casimir. Dacă luăm două plăci metalice lustruite și le așezăm strict paralele între ele la o distanță de mai multe micrometre, acestea vor atrage cu o forță care poate fi măsurată (care a fost făcută pentru prima dată în urmă cu 15 ani). Această atracție se explică tocmai prin faptul că spațiul dintre plăci are energie negativă.
De unde vine? Pentru simplitate, vom presupune că plăcile sunt amplasate într-un vid ideal. Conform teoriei cuantice, tot timpul se nasc și dispar o varietate de fluctuații ale câmpurilor cuantice, cum ar fi fotonii virtuali. Toți contribuie la energia medie a vidului liber, care este zero. Pentru ca acest lucru să fie posibil, unele dintre fluctuații trebuie să aibă energie pozitivă, iar altele trebuie să aibă energie negativă.
Dar în apropierea corpurilor fizice acest echilibru nu poate fi observat. În special, în spațiul dintre plăci, fluctuațiile „minus” domină asupra celor „plus”. Prin urmare, densitatea energiei de vid acolo este mai mică decât densitatea energetică a unui vid liber, adică mai mică de zero. Această densitate este invers proporțională cu a patra putere a lățimii golului dintre plăci, în timp ce volumul spațiului interplate este proporțional cu lățimea în sine. Deci produsul lor are un semn negativ și este invers proporțional cu cubul lățimii slotului. Drept urmare, atunci când plăcile se apropie între ele, energia totală a vidului din spațiul interplatelor scade din ce în ce mai mult sub semnul zero și, prin urmare, este favorabilă din punct de vedere energetic pentru a fi atrași unul de celălalt.
Patrulare timp
Dar în călătorie în timp. Întrucât materia obișnuită are o masă pozitivă, este imposibil de fabricat un dispozitiv care să poată călători în timp. Dacă această problemă este rezolvabilă, atunci doar cu ajutorul unor configurații de câmpuri cuantice care furnizează energie negativă pe toată linia închisă a lumii.
Cu toate acestea, este aparent pur și simplu imposibil să creezi o astfel de configurație. Aceasta este împiedicată de o limitare foarte importantă numită Starea energetică nulă mediată (ANEC). Din punct de vedere matematic, este exprimat într-o integrală destul de complexă, iar într-un limbaj uman simplu și comun, aceasta afirmă că orice contribuție din energia negativă de-a lungul liniilor lumii de fotoni ar trebui să fie exact sau chiar cu exces compensat de adăugări de energie pozitivă.
Conform tuturor datelor disponibile, natura respectă ANEC fără excepții. Se poate demonstra că efectul Casimir se supune și acestei condiții. De exemplu, dacă facem două găuri în plăci opuse una alta și trecem un fascicul luminos prin ele din exterior prin spațiul interplate, cantitatea totală de schimbări de energie de-a lungul liniei sale mondiale va fi pozitivă.
Cum afectează acest lucru călătoriile în timp? Se poate dovedi că dacă un anumit analog al ANEC acționează într-un spațiu curbat al relativității generale, astfel de călătorii sunt imposibile.
Cu alte cuvinte, această versiune a ANEC, pe care am numit-o achronal, impune interdicția oricăror proiecte de mașini de timp realizate folosind materie cu masă negativă.
Acum lucrez cu elevii mei la proba matematică a acestei versiuni și mi se pare că am obținut deja ceva.
Dacă reușim să construim dovada necesară, practicitatea fundamentală a mașinii de timp va fi demonstrată - cel puțin în cadrul abordării semiclasice. Și întrucât nu avem încă o teorie cuantică completă a gravitației, această concluzie va trebui acceptată cel puțin înainte de crearea sa.
Ken Olum, profesor de fizică la Universitatea Tufts.
Intervievat de: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
