Stephen Hawkings sidste bog foreslår, at tidsrejser en dag kan være mulige - her er hvad man skal gøre af det

"Hvis man indgav en ansøgning om forskningstilskud til at arbejde på tidsrejser, ville det blive afvist med det samme, "skriver fysikeren Stephen Hawking i sin posthume bog Kort svar på de store spørgsmål . Han havde ret. Men han havde også ret i, at spørgsmålet om, hvorvidt tidsrejser er muligt, er et "meget alvorligt spørgsmål", der stadig kan nås videnskabeligt.

Med den påstand, at vores nuværende forståelse ikke kan udelukke det, Hawking, det ser ud til, var forsigtigt optimistisk. Så hvor efterlader dette os? Vi kan ikke bygge en tidsmaskine i dag, men kunne vi i fremtiden?

Lad os starte med vores hverdag. Vi tager for givet muligheden for at ringe til vores venner og familie, uanset hvor de er i verden for at finde ud af, hvad de laver lige nu . Men det er noget, vi faktisk aldrig kan vide. Signalerne, der bærer deres stemmer og billeder, bevæger sig ubegribeligt hurtigt, men det tager stadig en begrænset tid, før disse signaler når os.

Vores manglende evne til at få adgang til "nu" af nogen langt væk er kernen i Albert Einsteins teorier om rum og tid.

Let hastighed

Einstein fortalte os, at rum og tid er dele af én ting – rumtid – og at vi skal være lige så villige til at tænke på afstande i tid, som vi er afstande i rummet. Hvor underligt det end kan lyde, vi svarer gladeligt "cirka to og en halv time", når nogen spørger, hvor langt Birmingham er fra London. Hvad vi mener er, at rejsen tager så lang tid med en gennemsnitshastighed på 50 miles i timen.

Matematisk, vores erklæring svarer til at sige, at Birmingham ligger omkring 200 miles fra London. Som fysikerne Brian Cox og Jeff Forshaw skriver i deres bog Why does E =mc² ?, tid og afstand "kan udveksles ved hjælp af noget, der har en hastigheds valuta". Einsteins intellektuelle spring var at formode, at valutakursen fra en tid til en afstand i rumtiden er universel - og det er lysets hastighed.

Lysets hastighed er den hurtigste, ethvert signal kan rejse, sætter en fundamental grænse for, hvor hurtigt vi kan vide, hvad der foregår andre steder i universet. Dette giver os "kausalitet" - loven om, at effekter altid skal komme efter deres årsager. Det er en alvorlig teoretisk torn i øjet på tidsrejsende hovedpersoner. For mig at rejse tilbage i tiden og sætte gang i begivenheder, der forhindrer min fødsel, er det at sætte virkningen (mig) før årsagen (min fødsel).

Nu, hvis lysets hastighed er universel, vi skal måle det til at være det samme - 299, 792, 458 meter i sekundet i vakuum - hvor hurtigt vi selv bevæger os. Einstein indså, at konsekvensen af, at lysets hastighed er absolut, er, at rummet og tiden ikke kan være det i sig selv. Og det viser sig, at bevægelige ure skal tikke langsommere end stationære.

Jo hurtigere du bevæger dig, jo langsommere dit ur tikker i forhold til dem du bevæger dig forbi. Ordet "pårørende" er nøglen:tiden vil tilsyneladende passere normalt til dig. Til alle, der står stille, imidlertid, du vil være i slowmotion. Hvis du skulle bevæge dig med lysets hastighed, du ville virke frossen i tide - hvad angår dig, alle andre ville være i spol frem.

Så hvad hvis vi skulle rejse hurtigere end lys, ville tiden løbe baglæns, som science fiction har lært os?

Desværre, det tager uendelig energi at accelerere et menneske til lysets hastighed, endsige ud over det. Men selvom vi kunne, tiden ville ikke bare løbe baglæns. I stedet, det ville slet ikke være fornuftigt at tale om frem og tilbage. Kausalitetsloven ville blive overtrådt, og begrebet årsag og virkning ville miste sin betydning.

Ormehuller

Einstein fortalte os også, at tyngdekraften er en konsekvens af den måde, massen krummer rum og tid. Jo mere masse vi presser ind i et område af rummet, jo mere rumtid er forvrænget og de langsommere ure i nærheden tikker. Hvis vi presser nok masse ind, rumtiden bliver så skæv, at selv lys ikke kan undslippe sin tyngdekraft, og der dannes et sort hul. Og hvis du skulle nærme dig kanten af ​​det sorte hul - dets begivenhedshorisont - ville dit ur tikke uendeligt langsomt i forhold til dem, der er langt væk fra det.

Så kunne vi fordreje rumtiden på den helt rigtige måde at lukke det tilbage på sig selv og rejse tilbage i tiden?

Svaret er måske, og den vridning, vi har brug for, er et gennemkøreligt ormehul. Men vi er også nødt til at producere områder med negativ energitæthed for at stabilisere det, og det 19. århundredes klassiske fysik forhindrer dette. Den moderne teori om kvantemekanik, imidlertid, måske ikke.

Ifølge kvantemekanikken, tom plads er ikke tom. I stedet, den er fyldt med par partikler, der popper ind og ud af eksistensen. Hvis vi kan lave en region, hvor færre par må komme ind og ud end alle andre steder, så vil denne region have negativ energitæthed.

Imidlertid, at finde en konsistent teori, der kombinerer kvantemekanik med Einsteins tyngdekraftsteori, er fortsat en af ​​de største udfordringer inden for teoretisk fysik. En kandidat, strengteori (mere præcist M-teori) kan tilbyde en anden mulighed.

M-teori kræver rumtid for at have 11 dimensioner:tidens én og tre af rummet, som vi bevæger os i og syv mere, krøllet usynligt lille. Kunne vi bruge disse ekstra rumlige dimensioner til at genveje plads og tid? Hawking, i det mindste, var håbefuld.

Gemmer historik

Så er tidsrejser virkelig en mulighed? Vores nuværende forståelse kan ikke udelukke det, men svaret er nok nej.

Einsteins teorier formår ikke at beskrive rumtidens struktur i utrolig lille skala. Og selvom naturlovene ofte kan være helt i modstrid med vores hverdagsoplevelse, de er altid selv-konsistent – ​​efterlader lidt plads til de paradokser, der florerer, når vi roder med årsag og virkning i science fictions bud på tidsrejser.

På trods af sin legende optimisme, Hawking erkendte, at de uopdagede fysiklove, der en dag vil afløse Einsteins, kan konspirere for at forhindre store objekter som dig og jeg i at hoppe tilfældigt (ikke kausalt) frem og tilbage gennem tiden. Vi kalder denne arv hans "kronologibeskyttelsesformodning".

Uanset om fremtiden har tidsmaskiner i vente eller ej, vi kan trøste os med den viden, at når vi bestiger et bjerg eller kører hurtigere i vores biler, vi ændrer, hvordan tiden tikker.

Så, denne "foregive at være en tidsrejsende dag" (8. december), husk at du allerede er det bare ikke på den måde, du måske håber.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.