Odkar je H. G. Wells objavil svoj Časovni stroj, so se sprehodi v preteklost ali prihodnost z neizogibnim vrnitvijo v lastno dobo utrdili v znanstveni fantastiki. Toda ali so možni s stališča sodobne znanosti, vsaj čisto teoretično?
Skupaj s skupino podobno mislečih preučujem potovanje po času v okviru splošne relativnosti z določenimi kvantnimi popravki. Konkretno, težava je postavljena na naslednji način: ali je mogoče s pomočjo določenih kvantnih polj, ki vsebujejo zaprte svetovne črte, zgraditi ukrivljen prostor-čas splošne relativnosti? Če svetovna črta zapusti določeno vesoljsko-časovno točko in se vrne vanjo, potem bo gibanje po tej zanki samo potovanje v času. Za tiste, ki poznajo teorijo relativnosti, bom razjasnil, da mora biti svetovna črta podobna času. To pomeni, da nobeno gibanje po njem ne sme presegati hitrosti svetlobe.
Polklasična
Naš pristop k oblikovanju problema časovnega potovanja lahko rečemo polklasik, saj temelji na združitvi Einsteinove klasične teorije gravitacije s kvantno teorijo polja. Nekateri pravijo, da bi morali to potno težavo preučevati na podlagi čisto kvantne teorije gravitacije, vendar še ni bila ustvarjena in ne vemo, kako bo videti.
Einsteinove enačbe so glede na čas simetrične, njihove rešitve je mogoče nadaljevati tako v prihodnost kot v preteklost. Zato iz njih ne izhaja nepovratnost časa, ki bi nalagala prepoved potovanja v času. Vendar pa je geometrijska struktura prostora-časa določena z lastnostmi prostora, ki zapolnjuje prostor, njegovo energijo in pritiskom. Naš glavni problem je torej mogoče preoblikovati takole: kakšna zadeva omogoča zanke svetovnih črt? Izkazalo se je, da zadeva, ki smo je vajeni, sestavljena iz delcev in sevanja, nikakor ni primerna za to. Potrebujemo drugačno snov z negativno maso in zato, če se spomnimo Einsteinove znamenite formule E = mc2, in negativne energije (mimogrede, takšne materije ne zamenjujmo z delci - njihove mase in energije so pozitivne). To je že dolgo dokazalo več fizikov oz.na primer Stephen Hawking.
Casimirjev učinek
Promocijski video:
Zadeva z negativno maso in energijo se morda zdi nesmiselna, vendar jo je razdelala teorija in celo potrdila z eksperimentom. Resda klasična fizika tega ne dopušča, je pa s stališča kvantne teorije polja povsem zakonita. To dokazuje fizični učinek, imenovan po nizozemskem fiziku Hendriku Casimirju. Če vzamete dve polirani kovinski plošči in jih postavite strogo vzporedno drug na drugega na razdalji nekaj mikrometrov, se bodo pritegnili s silo, ki jo je mogoče izmeriti (kar je bilo prvič storjeno pred 15 leti). To privlačnost je razloženo prav z dejstvom, da ima prostor med ploščami negativno energijo.
Od kod prihaja? Zaradi preprostosti bomo domnevali, da so plošče nameščene v idealnem vakuumu. Po kvantni teoriji se ves čas tam rojevajo in izginjajo različna nihanja kvantnih polj, kot so navidezni fotoni. Vsi prispevajo k povprečni energiji prostega vakuuma, ki je enaka nič. Da bi to bilo mogoče, morajo imeti nekatera nihanja pozitivno energijo, nekatera pa negativno energijo.
Toda v bližini fizičnih teles tega ravnovesja ni mogoče opaziti. Zlasti v prostoru med ploščami "minus" nihanja prevladujejo nad "plus". Zato je gostota vakuumske energije nižja od energijske gostote prostega vakuuma, torej manj kot nič. Ta gostota je obratno sorazmerna s četrto močjo širine reže med ploščami, medtem ko je prostornina medpovršinskega prostora sorazmerna s samo širino. Torej ima njihov izdelek negativen predznak in je obratno sorazmeren kocki širine reže. Ko se plošče med seboj približajo, skupna energija vakuuma medplastičnega prostora vse bolj in manj pade pod ničlo, zato je energetsko ugodno, da se med seboj privlačijo.
Časovna patrulja
Toda nazaj k potovanju s časom. Ker ima običajna snov pozitivno maso, je iz nje nemogoče narediti napravo, ki lahko potuje v času. Če je ta težava rešljiva, potem le s pomočjo nekaterih konfiguracij kvantnih polj, ki zagotavljajo negativno energijo po celotni zaprti svetovni liniji.
Vendar je očitno preprosto nemogoče ustvariti takšno konfiguracijo. To ovira zelo pomembna omejitev, imenovana povprečno stanje nične energije (ANEC). Matematično je izraženo v precej zapletenem integralnem delu, v preprostem človeškem jeziku pa navaja, da bi moral vsak prispevek negativne energije po svetovnih linijah fotonov natančno ali celo preseči kompenzacijo z dodatki pozitivne energije.
Glede na vse razpoložljive podatke je narava brez izjem izjem v skladu z ANEC. Lahko se pokaže, da Casimirjev učinek upošteva tudi ta pogoj. Če na primer naredimo dve luknji v ploščah nasproti drug drugega in od zunaj skozi medporodno površino prepustimo svetlobni žarek, bo skupna količina energije, ki se spreminja vzdolž njene svetovne črte, pozitivna.
Kako to vpliva na potovanje v času? Dokazano je, da če določen analog ANEC deluje v ukrivljenem prostoru splošne relativnosti, potem takšna potovanja niso mogoča.
Z drugimi besedami, ta različica ANEC, ki smo jo poimenovali akronal, nalaga prepoved vseh projektov časovnih strojev, narejenih z uporabo snovi z negativno maso.
Zdaj delam s svojimi učenci na matematičnem dokazu te različice in zdi se mi, da smo nekaj že dosegli.
Če nam uspe sestaviti potreben dokaz, se bo pokazala temeljna neizvedljivost časovnega stroja - vsaj v okviru polklasičnega pristopa. In ker še nimamo popolne kvantne teorije gravitacije, bo treba to ugotovitev sprejeti vsaj pred njenim nastankom.
Ken Olum, profesor fizike na univerzi Tufts.
Intervjuvali: Aleksej Levin, Oleg Makarov, Dmitrij Mamontov