Mióta H. G. Wells megjelente az Időgépét, a múltba vagy a jövőbe sétálva, elkerülhetetlenül visszatérve saját korszakukba, szilárdan beépült a tudományos fantastikába. De lehetségesek-e a modern tudomány szempontjából, legalább tisztán elméletileg?
A hasonló gondolkodású emberek csoportjával együtt tanulmányozzam az időutazást az általános relativitáselmélet összefüggésében, bizonyos kvantumkorrekciókkal. Pontosabban, a probléma az alábbiak szerint merül fel: lehetséges-e bizonyos, kvantummezők segítségével ívelt általános relativitáselméleti tér-időt létrehozni, amely zárt világvonalakat tartalmaz? Ha a világvonal elhagy egy bizonyos tér-időpontot, és visszatér hozzá, akkor a hurok mentén történő mozgás csak időutazás lesz. Azok számára, akik ismerik a relativitáselméletet, tisztázni fogom, hogy a világvonalnak hasonlónak kell lennie az idővel. Ez azt jelenti, hogy egyetlen mozgása sem haladhatja meg a fénysebességet.
Félig klasszikus
Az időbeli utazás problémájának megfogalmazását szemiklasszikusnak nevezhetjük, mivel az Einstein klasszikus gravitációs elméletének és a kvantummező-elméletnek a kombinációján alapul. Néhányan azt mondják, hogy ezt az utazási problémát egy tisztán kvantumelmélet alapján kell megvizsgálni, ám ezt még nem hozták létre, és nem tudjuk, hogyan fog kinézni.
Einstein egyenletei szimmetrikusak az idő vonatkozásában, megoldásaik mind a jövőbe, mind a múltba folytathatók. Ezért nem következik az idő visszafordíthatatlansága, amely betiltaná az időutazást. A tér-idő geometriai szerkezetét azonban az anyagot kitöltő anyag tulajdonságai, energiája és nyomása határozza meg. Tehát fő problémánkat a következőképpen lehet újrafogalmazni: milyen anyag teszi lehetővé a világvonalak hurkait? Kiderül, hogy a részecskékből és a sugárzásból álló anyag, amelyhez szoktuk, semmiképpen sem alkalmas erre. Szükségünk van egy másfajta anyagra, amelynek negatív tömege van, és ezért, ha emlékeztetünk a híres Einstein E = mc2 képletére, és a negatív energiára (egyébként, ne keverjük össze az ilyen anyagot a részecskékkel - tömegeik és energiájuk pozitív). Ezt sok fizikus régóta bebizonyította,például Stephen Hawking.
Kazimir hatás
Promóciós videó:
A negatív tömeggel és energiával rendelkező anyag abszurdnak tűnhet, de ezt az elmélet dolgozta ki, sőt a kísérlet is megerősítette. Igaz, hogy a klasszikus fizika ezt nem teszi lehetővé, de a kvantummező-elmélet szempontjából teljesen legális. Ezt bizonyítja a holland fizikus, Hendrik Casimir elnevezésű fizikai hatás. Ha két csiszolt fémlemezt veszünk, és szigorúan egymással párhuzamosan, több mikrométer távolságra helyezzük őket, akkor azok mérhető erővel vonzódnak (amit először 15 évvel ezelőtt tettek). Ezt a vonzerőt pontosan azzal magyarázza, hogy a lemezek közötti tér negatív energiával rendelkezik.
Honnan származik? Az egyszerűség kedvéért feltételezzük, hogy a lemezek ideális vákuumban vannak elhelyezve. A kvantumelmélet szerint minden alkalommal születnek és eltűnnek a kvantummezők sokféle ingadozása, például a virtuális fotonok. Mindegyik hozzájárul a szabad vákuum átlagos energiájához, amely nulla. Ahhoz, hogy ez lehetséges legyen, egyes ingadozásoknak pozitív energiával kell rendelkezniük, másoknak negatív energiával kell rendelkezniük.
De a fizikai test közelében ezt az egyensúlyt nem lehet megfigyelni. Különösen a lemezek közötti térben a „mínusz” ingadozások dominálnak a „plusz” fölött. Ezért a vákuumenergia sűrűsége alacsonyabb, mint a szabad vákuum energiasűrűsége, azaz kevesebb, mint nulla. Ez a sűrűség fordítottan arányos a lemezek közötti rés szélességének negyedik teljesítménnyel, miközben a közbenső lemez térfogata arányos magával a szélességgel. Tehát termékük negatív jellel rendelkezik, és fordítottan arányos a rés szélességének kockájával. Ennek eredményeként, amikor a lemezek megközelítik egymást, az interplate tér teljes vákuumenergiája egyre inkább a nulla jel alá esik, és ezért energetikai szempontból kedvező, ha vonzzák őket egymáshoz.
Idő járőr
De vissza az időutazáshoz. Mivel a hétköznapi anyag pozitív tömege van, lehetetlen előállítani belőle egy olyan eszközt, amely időben képes utazni. Ha ez a probléma megoldható, akkor csak a kvantummezők olyan konfigurációinak segítségével, amelyek negatív energiát szolgáltatnak a zárt világvonalban.
Egy ilyen konfiguráció létrehozása azonban nyilvánvalóan lehetetlen. Ezt akadályozza egy nagyon fontos korlátozás, az úgynevezett átlagolt nulla energiaállapot (ANEC). Matematikailag egy meglehetősen bonyolult integrálban fejeződik ki, és egyszerű közönséges emberi nyelvben azt állítja, hogy a fotonok világvonalai mentén a negatív energia hozzájárulásának pontosan vagy akár túlzott mértékben kell kompenzálódnia a pozitív energia hozzáadásával.
Minden rendelkezésre álló adat szerint a természet kivétel nélkül megfelel az ANEC-nek. Megmutatható, hogy a Casimir-effektus engedelmeskedik ennek a feltételnek. Például, ha két lyukat csinálunk a lemezekben egymással szemben, és áthaladunk rájuk egy fénysugarat az interplate térin keresztül, akkor a világvonal mentén változó teljes energiamennyiség pozitív lesz.
Hogyan befolyásolja ez az időutazást? Bebizonyítható, hogy ha az ANEC egy analógja az általános relativitáselmélet ívelt terején működik, akkor az ilyen utazások lehetetlenek.
Más szavakkal, az ANEC e verziója, amelyet szinkronnak nevezünk, betiltja az időgépek bármilyen, negatív tömegű anyagból készült projektet.
Most a hallgatóimmal dolgozom ennek a verziónak a matematikai bizonyításán, és számomra úgy tűnik, hogy már elértünk valamit.
Ha sikerül összeállítanunk a szükséges bizonyítékot, akkor az időgép alapvető megvalósíthatatlansága megmutatkozik - legalábbis a félklasszikus megközelítés keretében. És mivel még nincs teljes kvantumelmélete a gravitációról, ezt a következtetést legalább a létrehozása előtt el kell fogadni.
Ken Olum, a Tufts Egyetem fizika professzora.
Interjúkészítők: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov