Od té doby, co H. G. Wells publikoval svůj stroj času, procházky do minulosti nebo do budoucnosti, s nevyhnutelným návratem do své vlastní éry, se v sci-fi pevně etablovaly. Jsou však možné z pohledu moderní vědy, alespoň čistě teoreticky?
Spolu se skupinou stejně smýšlejících lidí studuji cestování času v kontextu obecné relativity s určitými kvantovými korekcemi. Konkrétně je tento problém položen následovně: je možné pomocí určitých kvantových polí sestrojit zakřivený prostorový čas obecné relativity, který obsahuje uzavřené světové linie? Pokud světová čára opustí určitý časoprostorový bod a vrátí se k němu, pak bude pohyb po této smyčce jen cestování času. Pro ty, kteří jsou obeznámeni s teorií relativity, objasním, že světová linie musí být podobná času. To znamená, že žádný pohyb podél ní by neměl překročit rychlost světla.
Semiklasický
Náš přístup k formulaci problému časového cestování lze nazvat semiclassical, protože je založen na kombinaci Einsteinovy klasické teorie gravitace s kvantovou teorií pole. Někteří lidé říkají, že tento cestovní problém by měl být studován na základě čistě kvantové teorie gravitace, ale dosud nebyl vytvořen a nevíme, jak to bude vypadat.
Einsteinovy rovnice jsou symetrické s ohledem na čas, jejich řešení mohou pokračovat jak do budoucnosti, tak do minulosti. Nezvratnost času z toho tedy nevyplývá, což by zavedlo zákaz cestování v čase. Geometrická struktura časoprostoru je však určena vlastnostmi prostoru pro plnění hmoty, jeho energií a tlakem. Náš hlavní problém tedy lze přeformulovat následovně: jaký druh hmoty umožňuje smyčky světových linií? Ukazuje se, že hmota, na kterou jsme zvyklí, sestávající z částic a záření, není k tomu nijak vhodná. Potřebujeme jiný druh hmoty se zápornou hmotou, a proto, pokud si vzpomeneme na Einsteinův slavný vzorec E = mc2 a negativní energii (mimochodem, nezaměňujte takovou záležitost s antičásticemi - jejich hmoty a energie jsou pozitivní). To již dlouho prokázalo několik fyziků,například Stephen Hawking.
Casimirův efekt
Propagační video:
Hmota s negativní hmotou a energií se může zdát absurdní, ale byla vypracována teorií a dokonce potvrzena experimentem. Pravda, klasická fyzika to neumožňuje, ale z pohledu teorie kvantového pole je to zcela legální. Důkazem toho je fyzický efekt pojmenovaný podle nizozemského fyzika Hendrika Casimira. Pokud vezmete dvě leštěné kovové desky a umístíte je přesně navzájem rovnoběžně ve vzdálenosti několika mikrometrů, přitáhnou je síla, kterou lze změřit (což bylo poprvé provedeno před 15 lety). Tato přitažlivost je vysvětlena přesně tím, že prostor mezi deskami má negativní energii.
Odkud to pochází? Pro jednoduchost budeme předpokládat, že desky jsou umístěny v ideálním vakuu. Podle kvantové teorie se neustále rodí a mizí celá řada fluktuací kvantových polí, jako jsou virtuální fotony. Všichni přispívají k průměrné energii volného vakua, které je nulové. Aby to bylo možné, musí mít některé výkyvy pozitivní energii a některé musí mít negativní energii.
Ale v blízkosti fyzických těl nemusí být tato rovnováha pozorována. Zejména v prostoru mezi deskami dominují „mínus“výkyvy nad „plus“. Hustota vakuové energie je tedy nižší než hustota energie volného vakua, tj. Menší než nula. Tato hustota je nepřímo úměrná čtvrtému výkonu šířky mezery mezi deskami, zatímco objem meziprostoru je úměrný šířce samotné. Jejich produkt má tedy negativní znaménko a je nepřímo úměrný krychli šířky štěrbiny. V důsledku toho, když se desky k sobě přibližují, celková vakuová energie meziprostorového prostoru klesá stále více pod nulovou značku, a proto je energeticky výhodné, aby byly přitahovány jeden k druhému.
Časová hlídka
Ale zpět k cestování časem. Protože obyčejná hmota má kladnou hmotnost, není možné z ní vyrobit zařízení, které může cestovat v čase. Pokud je tento problém řešitelný, pak pouze pomocí některých konfigurací kvantových polí, které poskytují negativní energii skrz uzavřenou světovou linii.
Je však zjevně jednoduše nemožné vytvořit takovou konfiguraci. Tomu brání velmi důležité omezení zvané Průměrný stav nulové energie (ANEC). Matematicky je vyjádřeno v poněkud složitějším integrálu a v jednoduchém běžném lidském jazyce uvádí, že jakékoli příspěvky ze záporné energie podél světových linií fotonů by měly být přesně nebo dokonce s nadbytkem kompenzovány přidáním pozitivní energie.
Podle všech dostupných údajů je příroda v souladu s ANEC bez výjimek. Je možné prokázat, že Casimirův efekt rovněž splňuje tuto podmínku. Pokud například vytvoříte v deskách proti sobě dvě díry a protlačíte je světelným paprskem z vnějšku meziplatovným prostorem, bude celkové množství energie podél jeho světové linie pozitivní.
Jak to ovlivňuje cestování časem? Je možné prokázat, že pokud určitý analog ANEC působí v zakřiveném prostoru obecné relativity, pak jsou tyto cesty nemožné.
Jinými slovy, tato verze ANEC, kterou jsme nazvali achronal, ukládá zákaz jakýchkoli projektů časových strojů vyrobených za použití hmoty se zápornou hmotou.
Nyní pracuji se svými studenty na matematickém důkazu této verze a zdá se mi, že jsme již něco dosáhli.
Pokud se nám podaří vytvořit požadovaný důkaz, bude prokázána základní nepraktičnost strojního času - alespoň v rámci semiklasického přístupu. A protože zatím nemáme úplnou kvantovou teorii gravitace, musí být tento závěr přijat alespoň před jeho vytvořením.
Ken Olum, profesor fyziky na Tuftsově univerzitě.
Rozhovor: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitrij Mamontov