Sejak H. G. Wells menerbitkan Time Machine-nya, berjalan ke masa lalu atau masa depan, dengan kembalinya yang tak terhindarkan ke era mereka sendiri, telah menjadi mapan dalam fiksi ilmiah. Tetapi apakah mereka mungkin dari sudut pandang sains modern, setidaknya secara teoritis?
Bersama dengan sekelompok orang yang berpikiran sama, saya mempelajari perjalanan waktu dalam konteks relativitas umum dengan koreksi kuantum tertentu. Secara khusus, masalahnya diajukan sebagai berikut: apakah mungkin untuk membangun ruang-waktu lengkung relativitas umum dengan bantuan medan kuantum tertentu, yang berisi garis dunia tertutup? Jika garis dunia meninggalkan titik ruang-waktu tertentu dan kembali ke sana, maka pergerakan di sepanjang lingkaran ini hanya akan menjadi perjalanan waktu. Bagi yang paham dengan teori relativitas, saya akan menjelaskan bahwa garis dunia pasti mirip dengan waktu. Ini berarti bahwa tidak ada gerakan di sepanjang itu yang melebihi kecepatan cahaya.
Semi klasik
Pendekatan kami untuk merumuskan masalah perjalanan temporal dapat disebut semiklasik, karena didasarkan pada penggabungan teori gravitasi klasik Einstein dengan teori medan kuantum. Beberapa orang mengatakan bahwa masalah perjalanan ini harus dipelajari berdasarkan teori gravitasi kuantum murni, tetapi belum diciptakan dan kita tidak tahu seperti apa bentuknya.
Persamaan Einstein bersifat simetris terhadap waktu, penyelesaiannya dapat dilanjutkan ke masa depan dan masa lalu. Oleh karena itu, tidak dapat diubahnya waktu tidak mengikuti dari mereka, yang akan memberlakukan larangan perjalanan waktu. Bagaimanapun, struktur geometris ruang-waktu ditentukan oleh sifat-sifat materi yang mengisi ruang, energi dan tekanannya. Jadi masalah utama kita dapat dirumuskan kembali sebagai berikut: materi seperti apa yang memungkinkan adanya putaran garis dunia? Ternyata materi yang biasa kita alami, yang terdiri dari partikel dan radiasi, sama sekali tidak cocok untuk ini. Kita memerlukan jenis materi yang berbeda, yang memiliki massa negatif, dan oleh karena itu, jika kita mengingat rumus Einstein yang terkenal E = mc2, dan energi negatif (ngomong-ngomong, jangan bingung membedakan materi tersebut dengan antipartikel - massa dan energinya positif). Ini telah lama dibuktikan oleh beberapa fisikawan,misalnya Stephen Hawking.
Efek Casimir
Video promosi:
Materi dengan massa dan energi negatif mungkin tampak tidak masuk akal, tetapi telah dikerjakan oleh teori dan bahkan dikonfirmasi oleh eksperimen. Benar, fisika klasik tidak mengizinkannya, tetapi dari sudut pandang teori medan kuantum, itu sepenuhnya legal. Ini dibuktikan dengan efek fisik yang dinamai fisikawan Belanda Hendrik Casimir. Jika Anda mengambil dua pelat logam yang dipoles dan menempatkannya sejajar satu sama lain pada jarak beberapa mikrometer, mereka akan menarik dengan gaya yang dapat diukur (yang pertama kali dilakukan 15 tahun lalu). Gaya tarik ini dijelaskan dengan tepat oleh fakta bahwa ruang antar lempeng memiliki energi negatif.
Dari mana asalnya Untuk kesederhanaan, kami akan mengasumsikan bahwa pelat terletak di ruang hampa yang ideal. Menurut teori kuantum, sepanjang waktu lahir dan menghilang berbagai fluktuasi medan kuantum, seperti foton maya. Mereka semua berkontribusi pada energi rata-rata dari ruang hampa bebas, yaitu nol. Untuk mewujudkannya, beberapa fluktuasi harus berenergi positif, dan beberapa harus berenergi negatif.
Tetapi di dekat tubuh fisik, keseimbangan ini mungkin tidak diamati. Secara khusus, di ruang antara lempeng, fluktuasi "minus" mendominasi atas "plus". Oleh karena itu, massa jenis energi vakum di sana lebih rendah daripada massa jenis energi ruang hampa bebas, yaitu kurang dari nol. Massa jenis ini berbanding terbalik dengan pangkat empat dari lebar celah antar pelat, sedangkan volume ruang antar pelat sebanding dengan lebar itu sendiri. Jadi hasil perkaliannya bertanda negatif dan berbanding terbalik dengan pangkat tiga dari lebar celah. Akibatnya, saat lempeng-lempeng saling mendekat, energi vakum total dari ruang interplate semakin turun di bawah tanda nol, dan oleh karena itu secara energetik menguntungkan bagi mereka untuk saling tertarik.
Patroli waktu
Tapi kembali ke perjalanan waktu. Karena materi biasa memiliki massa positif, mustahil untuk membuat perangkat darinya yang dapat melakukan perjalanan dalam waktu. Jika masalah ini dapat dipecahkan, maka hanya dengan bantuan beberapa konfigurasi medan kuantum yang menyediakan energi negatif di seluruh garis dunia tertutup.
Namun, tampaknya tidak mungkin membuat konfigurasi seperti itu. Ini terhambat oleh batasan yang sangat penting yang disebut Averaged Null Energy Condition (ANEC). Secara matematis, ini diekspresikan dalam integral yang agak rumit, dan dalam bahasa umum manusia yang sederhana dinyatakan bahwa setiap kontribusi dari energi negatif sepanjang garis dunia foton harus tepat atau bahkan dengan kelebihan dikompensasikan dengan penambahan energi positif.
Menurut semua data yang tersedia, alam mematuhi ANEC tanpa pengecualian. Dapat dibuktikan bahwa efek Casimir juga mengikuti kondisi ini. Misalnya, jika kita membuat dua lubang pada pelat yang saling berhadapan dan melewatkan berkas cahaya dari luar melalui ruang antar pelat, jumlah total perubahan energi di sepanjang garis dunianya akan menjadi positif.
Bagaimana hal ini memengaruhi perjalanan waktu? Dapat dibuktikan bahwa jika analog ANEC tertentu bekerja dalam ruang lengkung relativitas umum, maka perjalanan seperti itu tidak mungkin dilakukan.
Dengan kata lain, versi ANEC ini, yang kami sebut achronal, memberlakukan larangan pada proyek mesin waktu apa pun yang dibuat menggunakan materi bermassa negatif.
Sekarang saya sedang mengerjakan bukti matematika dari versi ini dengan siswa saya, dan menurut saya kami telah mencapai sesuatu.
Jika kita berhasil membangun bukti yang diperlukan, ketidakpraktisan mendasar dari mesin waktu akan ditunjukkan - setidaknya dalam kerangka pendekatan semiklasik. Dan karena kita belum memiliki teori gravitasi quantum yang lengkap, kesimpulan ini harus diterima setidaknya sebelum penciptaannya.
Ken Olum, profesor fisika di Tufts University.
Diwawancarai oleh: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
