タイムトラベルは可能ですか？

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過去と未来への旅行に関する話は長い間私たちの想像力を捕らえてきましたが、タイムトラベルが可能かどうかという問題は、物理学者が「時間」という言葉を使用するときに何を意味するかを理解する上で、難しい問題です。

現代の物理学は、最初は単純に思えるかもしれませんが、時間は私たちの宇宙の最も神秘的な側面の 1 つであることを教えてくれます。アインシュタインは概念の理解に革命をもたらしましたが、この改訂された理解があっても、一部の科学者は依然として 時間は実際に存在する それとも、それが単なる「頑固に永続的な錯覚」であるかどうか (アインシュタインがかつて呼んだように)。しかし、物理学者 (およびフィクション作家) はいつでも、それを操作して非正統的な方法で横断することを検討するいくつかの興味深い方法を発見しました。

時間と相対性

H.G. ウェルズの中で言及されていますが、 タイムマシン （1895）、タイムトラベルの実際の科学は、20世紀に入ってから、 アルバート・アインシュタイン の理論 一般相対論 （1915年に開発）。相対性理論は、1 つの時間次元と共に 3 つの空間次元 (上下、左右、前後) を含む 4 次元時空の観点から、宇宙の物理的構造を説明します。前世紀にわたる多数の実験によって証明されたこの理論の下では、重力は、物質の存在に応じてこの時空が曲がった結果です。言い換えれば、物質の特定の構成が与えられると、宇宙の実際の時空構造が大幅に変更される可能性があります。

相対性理論の驚くべき結果の 1 つは、動きによって時間の経過に違いが生じることです。 時間の遅れ .これはクラシックで最も劇的に現れます 双子のパラドックス .この「タイムトラベル」の方法では、通常よりも速く未来に移動できますが、実際には戻る方法はありません。 (わずかな例外がありますが、記事の後半で詳しく説明します。)

初期のタイムトラベル

1937 年、スコットランドの物理学者 W. J. ヴァン シュトックムが一般相対性理論を初めて適用し、タイムトラベルへの扉を開きました。一般相対性理論の方程式を、無限に長く、非常に密度の高い回転する円柱 (理髪店のエンドレス ポールのようなもの) の状況に適用します。このような巨大なオブジェクトの回転は、実際には「フレーム ドラッグ」として知られる現象を引き起こします。これは、時空を実際にドラッグすることです。 Van Stockum は、この状況では、4 次元時空のパスを作成できることを発見しました。パスは同じポイントで開始および終了します。 閉経時曲線 -タイムトラベルを可能にする物理的な結果です。宇宙船に乗って出発し、出発点とまったく同じ瞬間に戻る道をたどることができます。

興味深い結果ではありますが、これはかなり不自然な状況でした。しかし、新しい解釈が登場しようとしていましたが、それははるかに物議を醸していました.

1949 年、アインシュタインの友人で、プリンストン大学高等研究所の同僚である数学者カート ゲーデルは、宇宙全体が回転している状況に取り組むことを決定しました。ゲーデルの解では、宇宙が回転している場合、時間旅行は方程式によって実際に許可されていました。回転する宇宙自体がタイムマシンとして機能する可能性があります。

さて、もし宇宙が回転しているなら、それを検出する方法はあるだろう (例えば、宇宙全体が回転しているなら、光線は曲がるだろう)。繰り返しますが、タイムトラベルはこの特定の一連の結果によって除外されます。しかし、実際には宇宙の物は回転しており、それがまた可能性を広げています。

タイムトラベルとブラックホール

1963 年、ニュージーランドの数学者 Roy Kerr は、場の方程式を使用して回転運動を分析しました。 ブラックホール 、カーブラックホールと呼ばれ、その結果が ワームホール ブラック ホールの中心にある特異点を逃し、もう一方の端に到達します。理論物理学者のキップ・ソーンが数年後に実現したように、このシナリオは閉じた時間的曲線も可能にします。

1980 年代初頭、カール セーガンは 1985 年の小説に取り組んでいました。 コンタクト 、彼はタイムトラベルの物理学についての質問でキップソーンに近づき、ソーンにタイムトラベルの手段としてブラックホールを使用するという概念を調べるよう促しました.物理学者の Sung-Won Kim と共に、Thorne は (理論的には) ワームホールを備えたブラック ホールを、何らかの形の負のエネルギーによって開かれた空間内の別のポイントに接続できることに気付きました。

しかし、ワームホールがあるからといって、タイムマシンがあるとは限りません。ここで、ワームホールの一方の端 (「可動端」) を動かすことができると仮定しましょう。可動端を宇宙船に乗せて、宇宙に向かって発射します。 光の速度 .時間の遅れが始まり、可動端が経験する時間は、固定端が経験する時間よりもはるかに短くなります。可動端を地球の未来に 5,000 年移動させたとしますが、可動端は 5 年しか「老化」しません。つまり、西暦 2010 年に出発し、西暦 7010 年に到着するとします。

ただし、可動端を通過すると、実際には西暦2015年に固定端から飛び出します（地球に戻って5年が経過しているため）。何？これはどのように作動しますか？

実は、ワームホールの両端はつながっています。それらがどれだけ離れていても、時空では基本的に互いに「近い」.可動端は出た時より 5 年しか経っていないので、そこを通過すると固定ワームホールの関連するポイントに戻ります。そして、西暦 2015 年の地球の誰かが固定ワームホールを通り抜けた場合、西暦 7010 年に可動ワームホールから出てきます。 (西暦 2012 年に誰かがワームホールに足を踏み入れたとしたら、旅行の途中で宇宙船に乗ってしまうなどです。)

これはタイムマシンの最も物理的に合理的な説明ですが、まだ問題があります。ワームホールや負のエネルギーが存在するかどうか、存在する場合にこのようにまとめる方法は誰にもわかりません。しかし、それは（理論上）可能です。