Odvtedy, ako H. G. Wells publikoval svoj stroj času, prechádzky do minulosti alebo do budúcnosti, s nevyhnutným návratom do svojej vlastnej éry, sa v sci-fi pevne etablovali. Ale sú možné z hľadiska modernej vedy, prinajmenšom teoreticky?
Spolu so skupinou podobne zmýšľajúcich ľudí študujem cestovanie časom v kontexte všeobecnej relativity s určitými kvantovými korekciami. Konkrétne je problém položený nasledovne: je možné pomocou určitých kvantových polí zostrojiť zakrivený časopriestor všeobecnej relativity obsahujúci uzavreté svetové čiary? Ak svetová čiara opustí určitý časopriestorový bod a vráti sa k nemu, potom bude pohyb po tejto slučke iba časom. Pre tých, ktorí sú oboznámení s teóriou relativity, objasním, že svetová línia musí byť podobná času. To znamená, že žiadny pohyb po nej by nemal prekročiť rýchlosť svetla.
Semi-classical
Náš prístup k formulácii problému časového cestovania možno nazvať semiklasickým, pretože je založený na kombinácii Einsteinovej klasickej gravitačnej teórie s teóriou kvantového poľa. Niektorí hovoria, že tento cestovný problém by sa mal študovať na základe čisto kvantovej teórie gravitácie, ale ešte nebol vytvorený a nevieme, ako bude vyzerať.
Einsteinove rovnice sú časovo symetrické, ich riešenia môžu pokračovať tak do budúcnosti, ako aj do minulosti. Preto nezvratnosť času z toho nevyplýva, čo by viedlo k zákazu cestovania v čase. Geometrická štruktúra časopriestoru je však určená vlastnosťami priestoru na plnenie hmoty, jeho energiou a tlakom. Náš hlavný problém sa dá preformulovať takto: aký druh hmoty umožňuje slučky svetových línií? Ukazuje sa, že látka, na ktorú sme zvyknutí, pozostávajúca z častíc a žiarenia, nie je na to v žiadnom prípade vhodná. Potrebujeme iný druh hmoty s negatívnou hmotou, a preto, ak si spomíname na Einsteinov slávny vzorec E = mc2 a negatívnu energiu (mimochodom, nezamieňajte takúto látku s antičasticami - ich hmotnosti a energie sú pozitívne). To už dlho dokázalo niekoľko fyzikov,napríklad Stephen Hawking.
Casimirov efekt
Propagačné video:
Hmota s negatívnou hmotou a energiou sa môže zdať absurdná, ale bola vypracovaná teóriou a dokonca potvrdená experimentom. Pravda, klasická fyzika to neumožňuje, ale z hľadiska teórie kvantového poľa je to úplne legálne. Dôkazom toho je fyzikálny efekt pomenovaný podľa holandského fyzika Hendrika Casimira. Ak vezmeme dve leštené kovové platne a umiestnime ich striktne rovnobežne k sebe vo vzdialenosti niekoľkých mikrometrov, priťahujú silou, ktorú je možné zmerať (čo sa prvýkrát urobilo pred 15 rokmi). Táto príťažlivosť sa presne vysvetľuje skutočnosťou, že priestor medzi doskami má negatívnu energiu.
Odkiaľ to pochádza? Kvôli jednoduchosti predpokladáme, že platne sú umiestnené v ideálnom vákuu. Podľa kvantovej teórie sa neustále rodí a mizne celý rad fluktuácií kvantových polí, ako sú virtuálne fotóny. Všetci prispievajú k priemernej energii voľného vákua, ktorá je nulová. Aby to bolo možné, niektoré z fluktuácií musia mať pozitívnu energiu a iné musia mať negatívnu energiu.
Avšak v blízkosti fyzických telies sa táto rovnováha nemusí dodržať. Najmä v priestore medzi platňami dominujú „mínus“výkyvy nad „plus“. Preto je hustota vákuovej energie nižšia ako hustota energie voľného vákua, to znamená nižšia ako nula. Táto hustota je nepriamo úmerná štvrtej sile šírky medzery medzi doskami, zatiaľ čo objem priestoru medzi doskami je úmerný šírke samotnej. Ich produkt má teda negatívne znamenie a je nepriamo úmerný kocke šírky štrbiny. Výsledkom je, že keď sa doštičky priblížia k sebe, celková vákuová energia medzilaborového priestoru klesá stále viac pod nulovú značku, a preto je energeticky výhodné, aby boli navzájom priťahované.
Časová hliadka
Ale späť k cestovaniu v čase. Pretože obyčajná hmota má pozitívnu masu, nie je možné z nej vyrobiť zariadenie, ktoré dokáže cestovať v čase. Ak je tento problém riešiteľný, potom iba pomocou niektorých konfigurácií kvantových polí, ktoré poskytujú negatívnu energiu v celej uzavretej svetovej línii.
Je však zjavne nemožné vytvoriť takúto konfiguráciu. Tomu bráni veľmi dôležité obmedzenie, ktoré sa nazýva priemerná nulová energetická situácia (ANEC). Matematicky je vyjadrený v pomerne zložitom integráli av jednoduchom spoločnom ľudskom jazyku sa v ňom uvádza, že akékoľvek príspevky zo zápornej energie pozdĺž svetových línií fotónov by mali byť presne alebo dokonca vyššie ako kompenzované pridaním pozitívnej energie.
Podľa všetkých dostupných údajov je príroda v súlade s ANEC bez výnimky. Je možné preukázať, že Casimirov efekt tiež spĺňa túto podmienku. Napríklad, ak v doskách urobíme dva otvory oproti sebe a cez ne prejdeme svetelný lúč cez priestor medzi platňami, celkové množstvo energie sa zmení pozdĺž svojej svetovej čiary.
Ako to ovplyvňuje cestovanie v čase? Je možné dokázať, že ak určitý analóg ANEC pôsobí v zakrivenom priestore všeobecnej relativity, potom sú takéto cestovania nemožné.
Inými slovami, táto verzia ANEC, ktorú sme nazvali achronal, ukladá zákaz akýchkoľvek projektov strojov času vyrobených pomocou hmoty s negatívnou hmotnosťou.
Teraz pracujem so svojimi študentmi na matematickom overení tejto verzie a zdá sa mi, že sme už niečo dosiahli.
Ak sa nám podarí skonštruovať požadovaný dôkaz, preukáže sa základná nerealizovateľnosť časového stroja - aspoň v rámci semiklasického prístupu. Keďže zatiaľ nemáme úplnú kvantovú teóriu gravitácie, tento záver bude musieť byť prijatý aspoň pred jeho vytvorením.
Ken Olum, profesor fyziky na Tufts University.
Rozhovory: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitrij Mamontov