Siitä lähtien, kun H. G. Wells julkaisi aikakoneensa, menneisyyteen tai tulevaisuuteen, jolla on väistämättä palattava omaan aikakauteensa, on vakiintunut tieteiskirjallisuuteen. Mutta ovatko ne nykyaikaisen tieteen kannalta ainakin puhtaasti teoreettisia?
Yhdessä samanmielisten ihmisryhmän kanssa opiskelen aikamatkaa yleisen suhteellisuussuhteen yhteydessä tietyillä kvanttikorjauksilla. Erityisesti ongelma esitetään seuraavasti: onko mahdollista konstruoida kaareva, suhteellisen suhteellisuusaika-aika tiettyjen kvanttikenttien avulla, jotka sisältävät suljetut maailmanlinjat? Jos maailmalinja jättää tietyn avaruus-aikapisteen ja palaa siihen, silloin liikkuminen tätä silmukkaa pitkin on vain aikamatkaa. Niille, jotka tuntevat suhteellisuusteorian, selitän, että maailmanlinjan on oltava samanlainen kuin aika. Tämä tarkoittaa, että mikään liikkuminen sitä pitkin ei saa ylittää valon nopeutta.
Semi-klassinen
Lähestymistapamme ajallisen matkan ongelman muotoiluun voidaan kutsua puoliklassiseksi, koska se perustuu Einsteinin klassisen gravitaatioteorian yhdistämiseen kvanttikenttäteoriaan. Jotkut sanovat, että tätä matkaongelmaa tulisi tutkia puhtaasti kvantiteorian perusteella, mutta sitä ei ole vielä luotu eikä tiedä miltä se näyttää.
Einsteinin yhtälöt ovat symmetrisiä ajalle, niiden ratkaisuja voidaan jatkaa sekä tulevaisuuteen että menneisyyteen. Siksi ajan peruuttamattomuus ei johdu heistä, mikä kieltäisi ajankäytön. Aika-ajan geometrinen rakenne määräytyy kuitenkin aineen täyttötilan ominaisuuksien, sen energian ja paineen perusteella. Joten pääongelmamme voidaan muotoilla uudelleen seuraavasti: millainen aine sallii maailmanlinjojen silmukoiden? Osoittautuu, että aine, johon olemme tottuneet, koostuen hiukkasista ja säteilystä, ei mitenkään sovellu tähän. Tarvitsemme erityyppistä ainetta, jolla on negatiivinen massa, ja siksi, jos muistamme Einsteinin kuuluisan kaavan E = mc2, ja negatiivisen energian (muuten, älä sekoita sellaista ainetta hiukkasten kanssa - niiden massat ja energiat ovat positiivisia). Useat fyysikot ovat todistaneet tämän jo kauan sitten,esimerkiksi Stephen Hawking.
Casimirin vaikutus
Mainosvideo:
Aine, jolla on negatiivinen massa ja energia, voi tuntua järjetömältä, mutta se on kehitetty teoriassa ja jopa vahvistettu kokeella. Totta, klassinen fysiikka ei salli sitä, mutta kvanttikenttäteorian kannalta se on täysin laillinen. Tämän todistaa fyysinen vaikutus, jonka nimi on hollantilainen fyysikko Hendrik Casimir. Jos otat kaksi kiillotettua metallilevyä ja sijoitat ne tiukasti yhdensuuntaisesti useiden mikrometrien etäisyydelle, ne vetäytyvät mitattavalla voimalla (mikä tehtiin ensimmäisen kerran 15 vuotta sitten). Tämä vetovoima selittyy tarkalleen sillä, että levyjen välisessä tilassa on negatiivista energiaa.
Mistä se tulee? Yksinkertaisuuden vuoksi oletamme, että levyt sijaitsevat ihanteellisessa tyhjiössä. Kvanttiteorian mukaan syntyy ja häviää jatkuvasti erilaisia kvanttikenttien vaihteluita, kuten virtuaalisia fotoneja. Ne kaikki vaikuttavat vapaan tyhjiön keskimääräiseen energiaan, joka on nolla. Jotta tämä olisi mahdollista, joillakin heilahteluilla on oltava positiivista energiaa, ja toisilla täytyy olla negatiivista energiaa.
Mutta lähellä fyysisiä kehoja tätä tasapainoa ei välttämättä noudateta. Erityisesti levyjen välisessä tilassa”miinus” heilahtelu dominoi “plus” -tason suhteen. Siksi tyhjiöenergian tiheys on alhaisempi kuin vapaan tyhjiön energiatiheys, toisin sanoen alle nolla. Tämä tiheys on käänteisesti verrannollinen levyjen välisen raon leveyden neljänteen voimaan, kun taas välilevyn tilavuus on verrannollinen itse leveyteen. Joten heidän tuotteellaan on negatiivinen merkki ja se on kääntäen verrannollinen raon leveyden kuutioon. Seurauksena on, että kun levyt lähestyy toisiaan, levyn välisen tilan kokonais tyhjiöenergia putoaa yhä enemmän nollamerkin alapuolelle, ja siksi on energisesti suotuisaa, että ne vetoavat toisiinsa.
Aikapartiointi
Mutta takaisin aikamatkaan. Koska tavallisella aineella on positiivinen massa, on mahdotonta tehdä siitä laitetta, joka voi kulkea ajassa. Jos tämä ongelma voidaan ratkaista, niin vain joidenkin kvanttikenttien konfiguraatioiden avulla, jotka tuottavat negatiivista energiaa koko suljetussa maailmanlinjassa.
On kuitenkin ilmeisesti yksinkertaisesti mahdotonta luoda tällaista kokoonpanoa. Tätä haittaa erittäin tärkeä rajoitus, nimeltään keskimääräinen nollaenergiatila (ANEC). Matemaattisesti se ilmaistaan melko monimutkaisena integraalina ja yksinkertaisella tavallisella ihmiskielellä se toteaa, että kaikkien negatiivisten energialähteiden vaikutus fotonien maailmanviivojen tulisi olla tarkalleen tai jopa ylimääräisesti kompensoituna lisäämällä positiivista energiaa.
Kaikkien käytettävissä olevien tietojen mukaan luonto on ANEC: n mukainen poikkeuksetta. Voidaan osoittaa, että myös Casimirin vaikutus noudattaa tätä ehtoa. Esimerkiksi, jos teemme levyihin kaksi reikää toisiaan vastapäätä ja kuljemme valonsäteen niiden läpi ulkopuolelta interplate-tilan kautta, energian kokonaismäärä muuttuu sen maailmanviivaa pitkin positiivisena.
Kuinka tämä vaikuttaa aikamatkoihin? Voidaan osoittaa, että jos jokin ANEC: n analogi toimii kaarevassa tilassa suhteellisuussuhteellisuudessa, niin tällaiset liikkeet ovat mahdottomia.
Toisin sanoen tämä ANEC: n versio, jota kutsuttiin tahdolliseksi, kieltää kaikki aikakoneiden projektit, jotka on valmistettu käyttämällä negatiivisen massan ainetta.
Nyt työskentelen opiskelijoiden kanssa tämän version matemaattisen todistuksen suhteen, ja minusta näyttää siltä, että olemme jo saavuttaneet jotain.
Jos onnistumme rakentamaan vaaditun näytön, aikakoneen perustavanlaatuinen käytännöllisyys voidaan osoittaa - ainakin puoliklassisen lähestymistavan puitteissa. Ja koska meillä ei ole vielä täydellistä painovoiman kvantiteoriaa, tämä johtopäätös on hyväksyttävä ainakin ennen sen luomista.
Ken Olum, fysiikan professori Tuftsin yliopistossa.
Haastattelussa: Aleksei Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov