Sejak H. G. Wells menerbitkan Time Machinenya, berjalan ke masa lalu atau masa depan, dengan kembali yang tidak dapat dielakkan ke era mereka sendiri, telah mantap dalam fiksyen sains. Tetapi adakah mungkin dari sudut sains moden, sekurang-kurangnya secara teori?
Bersama dengan sekumpulan orang yang berpikiran sama, saya mengkaji perjalanan masa dalam konteks relativiti umum dengan pembetulan kuantum tertentu. Secara khusus, masalah ini diajukan seperti berikut: adakah mungkin untuk membangun relativiti umum ruang-waktu yang melengkung dengan bantuan medan kuantum tertentu, yang mengandungi garis dunia tertutup? Sekiranya garis dunia meninggalkan titik ruang-waktu tertentu dan kembali ke sana, maka pergerakan di sepanjang gelung ini hanyalah perjalanan waktu. Bagi mereka yang biasa dengan teori relativiti, saya akan menjelaskan bahawa garis dunia mesti serupa dengan masa. Ini bermaksud bahawa tidak ada pergerakan di sepanjangnya yang boleh melebihi kelajuan cahaya.
Separuh klasik
Pendekatan kami untuk merumuskan masalah perjalanan temporal dapat disebut semiklasik, kerana berdasarkan pada menggabungkan teori gravitasi klasik Einstein dengan teori medan kuantum. Sebilangan orang mengatakan bahawa masalah perjalanan ini harus dikaji berdasarkan teori graviti kuantum semata-mata, tetapi ia belum dibuat dan kita tidak tahu seperti apa rupa.
Persamaan Einstein adalah simetri dengan masa, penyelesaiannya dapat diteruskan baik ke masa depan dan ke masa lalu. Oleh itu, masa yang tidak dapat dipulihkan tidak berpunca dari mereka, yang akan menjatuhkan larangan perjalanan masa. Walau bagaimanapun, struktur geometri ruang-waktu ditentukan oleh sifat ruang mengisi bahan, tenaga dan tekanannya. Oleh itu, masalah utama kita dapat dirumuskan semula seperti berikut: perkara seperti apa yang memungkinkan lingkaran dunia? Ternyata perkara yang biasa kita lakukan, yang terdiri daripada zarah dan radiasi, sama sekali tidak sesuai untuk ini. Kita memerlukan jenis perkara yang berbeza dengan jisim negatif, dan oleh itu, jika kita mengingat formula Einstein yang terkenal E = mc2, dan tenaga negatif (omong-omong, jangan mengelirukan perkara itu dengan antipartikel - jisim dan tenaganya positif). Ini telah lama dibuktikan oleh beberapa ahli fizik,contohnya Stephen Hawking.
Kesan Casimir
Video promosi:
Perkara dengan jisim dan tenaga negatif mungkin kelihatan tidak masuk akal, tetapi ia telah dikendalikan oleh teori dan bahkan disahkan oleh eksperimen. Betul, fizik klasik tidak membenarkannya, tetapi dari sudut teori medan kuantum, ia benar-benar sah. Ini dibuktikan dengan kesan fizikal yang dinamakan sempena ahli fizik Belanda Hendrik Casimir. Sekiranya anda mengambil dua plat logam yang digilap dan meletakkannya sejajar satu sama lain pada jarak beberapa mikrometer, ia akan menarik dengan daya yang dapat diukur (yang pertama kali dilakukan 15 tahun yang lalu). Daya tarikan ini dijelaskan dengan tepat oleh fakta bahawa ruang di antara plat mempunyai tenaga negatif.
Dari mana asalnya? Untuk kesederhanaan, kami akan menganggap bahawa plat terletak di tempat yang ideal. Menurut teori kuantum, sepanjang masa di sana lahir dan hilang pelbagai turun naik bidang kuantum, seperti foton maya. Semuanya menyumbang tenaga purata vakum bebas, iaitu sifar. Agar ini mungkin berlaku, beberapa turun naik mesti mempunyai tenaga positif, dan sebahagiannya mesti mempunyai tenaga negatif.
Tetapi berhampiran badan fizikal, keseimbangan ini mungkin tidak dapat dilihat. Khususnya, di ruang antara pelat, fluktuasi “minus” mendominasi berbanding “plus”. Oleh itu, ketumpatan tenaga vakum di sana lebih rendah daripada ketumpatan tenaga vakum bebas, iaitu kurang dari sifar. Ketumpatan ini berkadar songsang dengan daya keempat lebar jurang antara plat, sementara isipadu ruang selang berkadar dengan lebarnya sendiri. Jadi produk mereka mempunyai tanda negatif dan berbanding terbalik dengan kubus lebar slot. Akibatnya, apabila plat saling menghampiri, jumlah tenaga vakum dari ruang selang semakin banyak di bawah tanda sifar, dan oleh itu sangat baik bagi mereka untuk menarik satu sama lain.
Rondaan masa
Tetapi kembali ke perjalanan masa. Oleh kerana bahan biasa mempunyai jisim positif, mustahil untuk membuat alat daripadanya yang dapat bergerak dalam masa. Sekiranya masalah ini dapat diselesaikan, maka hanya dengan bantuan beberapa konfigurasi medan kuantum yang memberikan tenaga negatif di seluruh garis dunia tertutup.
Walau bagaimanapun, nampaknya mustahil untuk membuat konfigurasi seperti itu. Ini terhambat oleh batasan yang sangat penting yang disebut Averaged Null Energy Condition (ANEC). Secara matematis, dinyatakan dalam bentuk integral yang agak rumit, dan dalam bahasa manusia biasa yang sederhana menyatakan bahawa apa-apa sumbangan tenaga negatif di sepanjang garis dunia foton harus tepat atau bahkan lebih daripada dikompensasi dengan penambahan tenaga positif.
Menurut semua data yang ada, alam mematuhi ANEC tanpa pengecualian. Ini dapat ditunjukkan bahawa kesan Casimir juga mematuhi keadaan ini. Sebagai contoh, jika kita membuat dua lubang di pelat yang saling berhadapan dan menyebarkan pancaran cahaya dari dalamnya melalui ruang selang, jumlah perubahan tenaga sepanjang garis dunianya akan menjadi positif.
Bagaimana ini mempengaruhi perjalanan masa? Hal ini dapat dibuktikan bahawa jika analog ANEC bertindak dalam ruang relativiti umum yang melengkung, maka perjalanan sedemikian tidak mungkin dilakukan.
Dengan kata lain, versi ANEC ini, yang kita sebut achronal, melarang setiap projek mesin masa yang dibuat menggunakan jirim dengan jisim negatif.
Sekarang saya bekerjasama dengan pelajar saya mengenai bukti matematik versi ini, dan nampaknya kami telah mencapai sesuatu.
Sekiranya kita berjaya membina bukti yang diperlukan, ketidakmampuan asas mesin masa akan ditunjukkan - sekurang-kurangnya dalam kerangka pendekatan semiklasik. Dan kerana kita belum mempunyai teori graviti kuantum yang lengkap, kesimpulan ini harus diterima sekurang-kurangnya sebelum penciptaannya.
Ken Olum, profesor fizik di Universiti Tufts.
Ditemu ramah oleh: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
