Il viaggio nel tempo non è preso più seriamente dell'immaginazione degli scrittori di fantascienza. In realtà, questo è un fenomeno unico: la derivazione diretta di equazioni che descrivono la fisica del nostro mondo. Ciò che può rendere questo viaggio una realtà è nel nostro materiale.
La nostra editorialista e fisica Daria Zaremba ritiene che sforzarsi di tradurre in pratica l'idea del viaggio nel tempo nella pratica possa contribuire al progresso scientifico e a scoperte non convenzionali. Dopotutto, è così che nascono materie esotiche, razzi fotonici e nuove proprietà degli oggetti astrofisici. Ha compilato un dizionario di meccanismi che potrebbero teoricamente inviare gli esseri umani in un viaggio nel tempo.
B - Trasmissione a curvatura
Un warp drive è un'ipotetica tecnologia per viaggiare nel futuro, in cui, a causa della deformazione della tela dello spazio-tempo, si crea l'effetto del movimento ad una velocità superiore a quella della luce.
Immagina di essere sdraiato su un tappeto e di dover, senza muoverti, essere oltre il suo bordo anteriore. Una possibile soluzione è accartocciare la parte anteriore del tappeto sotto di te e poi tirare fuori tirando la parte posteriore. Approssimativamente lo stesso si può fare con il "tappeto" dello spazio-tempo: questo è il principio utilizzato da un'ipotetica astronave alimentata da un motore a curvatura.
Comprime lo spazio davanti a sé e lo espande dietro, creando l'illusione di un movimento a una velocità parecchie volte quella della luce. In questo caso, non ci saranno forze di marea all'interno dell'astronave e l'accelerazione effettiva sarà pari a zero.
L'equipaggio può facilmente sorseggiare cocktail dalle cannucce o persino rilassarsi nella spumeggiante jacuzzi, mentre l'astronave "rastrella" follemente lo spazio-tempo sotto se stessa, portando i viaggiatori nelle viscere della Galassia.
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Un modello di macchina del tempo basata sulla tecnologia di trasmissione a curvatura è l'Alcubierri Bubble, dal nome del suo inventore messicano, Miguel Alcubierri.
L'intera fisica del viaggio verso il futuro su una tale "unità" si basa sui postulati della Teoria Speciale della Relatività, che dicono che dopo che la bolla si ferma, l'equipaggio troverà il mondo esterno invecchiato per molti anni, perché per loro il tempo all'interno della bolla rallenta.
In questo caso, non ci saranno violazioni del principio dell'assolutezza della velocità della luce, perché in questo caso movimento più veloce della luce non significa che la bolla stessa si muova a una tale velocità, ma che la bolla arrivi a destinazione più velocemente di un raggio di luce che si muove all'esterno della bolla.
Ma per creare un tale effetto di deformazione dello spazio-tempo, è necessaria una materia speciale, che mostri proprietà fisiche non convenzionali - "materia esotica", che creerà un guscio (bolla) attorno all'astronave e fornirà lo stesso "rastrellamento" dello spazio. Sebbene non siano stati osservati progressi nella produzione di tale materiale, il ragionamento sull'idoneità di un motore a curvatura nella pratica è piuttosto limitato.
Il meccanismo teorico della trasmissione a curvatura
D - Gravità
Gravità - in senso lato - una manifestazione della curvatura dello spazio-tempo, in senso stretto - la forza che attrae gli oggetti.
Il noto impiegato dell'ufficio brevetti - Albert Einstein ha contribuito ad aprire le porte al mondo della "gestione del tempo". Per fare ciò, aveva bisogno di stabilire solo due cose: primo - che spazio e tempo sono indissolubilmente legati, secondo - che corpi massicci con la loro massa sono in grado di deformare questa tela spazio-temporale, creando gravità.
In altre parole, Einstein ha dimostrato che la Terra (come altri corpi massicci simili), "piegando" il "trampolino" dello spazio con la sua massa (creando orbite circolari attorno a sé), allo stesso tempo piega il tempo, cioè rallenta il suo corso mentre si avvicina in superficie (e più in profondità).
La natura rivoluzionaria di questa idea era che per la prima volta non era più percepita come un valore assoluto nella meccanica classica. È stato scoperto che l'orologio da polso di un minatore e di uno scalatore ticchetta in modo diverso (sebbene sia impercettibile su tale scala), un fratello gemello che vive vicino al fiume è più giovane (di nuovo, non in modo significativo) suo fratello che vive in una casa su una montagna, e il nucleo della Terra è più giovane la sua superficie.
Così, è stato trovato un modo per rallentare il "proprio" tempo e quindi viaggiare verso il futuro, avvicinandosi, ad esempio, a un corpo la cui massa è molte volte maggiore della massa della Terra, per poi tornare sul pianeta natale e contemplare il mondo del futuro.
D - Buco nero
Un buco nero è un oggetto nello spazio che è collassato sotto l'influenza delle proprie forze gravitazionali a tal punto che anche la radiazione elettromagnetica non può sfuggire dal suo campo gravitazionale.
Il miglior oggetto per viaggiare nel futuro, se scegli il meccanismo gravitazionale per influenzare il tempo, è sicuramente un buco nero.
Per scorrere un viaggio del genere, dovrai andare nello spazio direttamente da lei. Scendete lì su un cavo pesante, ma solo per non attraversare l'orizzonte degli eventi - il confine in un buco nero, seguito dalla "spaghettificazione" - stiramento e lacerazione di tutti gli oggetti che vi cadono sotto l'influenza della gravità singolare.
Finché rimani in questa posizione, il tempo rallenta per te. Allo stesso tempo, è completamente impercettibile per te stesso, perché tutto nel tuo quadro di riferimento rallenta: metabolismo, orologio biologico, battito cardiaco, movimento degli elettroni negli atomi e così via.
Ma se in qualche modo miracoloso potessi spiare i terrestri dal tuo buco nero, allora ti sembrerebbe che si muovano con una velocità decuplicata! E loro, guardandoti, penserebbero di guardare un video con un effetto al rallentatore.
Quindi, il tuo un giorno vicino a un buco nero corrisponde a quasi tre anni di vita sulla Terra (dipende anche da quanto sei vicino all'orizzonte - il tempo si ferma del tutto). E quando tu, appeso così poco, torni sul tuo pianeta natale, noterai che il mondo è abbastanza vecchio in tua assenza. Voilà, sei nel futuro!
Il meccanismo del viaggio verso il futuro attraverso l'effetto della dilatazione del tempo vicino all'orizzonte degli eventi di un buco nero. I coni nell'immagine sono "coni di luce" - l'ipersuperficie dello spazio-tempo che limita le aree del futuro e del passato rispetto a un dato evento. L'inclinazione del cono dimostra il cambiamento di tempo per l'astronauta. Maggiori dettagli sulla struttura del cono di luce nell'immagine qui sotto:
Cono di luce.
Oltre ad essere usati come "moderatori gravitazionali", i buchi neri rotanti possono essere utili per viaggiare nel passato. Il fatto è che, grazie al loro campo gravitazionale, sono in grado di creare le cosiddette "curve chiuse a tempo", lungo le quali il viaggiatore può spostarsi indietro nel tempo.
Ma anche l '"utilità" dei buchi neri come macchine del tempo non finisce qui. Secondo il fisico e matematico inglese Roger Penrose, alcuni buchi neri - vale a dire quelli con carica o rotazione - possono fungere da "porte" per gli universi del futuro.
Secondo il diagramma di Penrose, oltre l'orizzonte degli eventi, le coordinate spaziali vengono scambiate con quelle temporali.
La cosa insolita dei buchi neri con una carica o con un momento di rotazione è che dovrebbero avere due di tali orizzonti di eventi. Di conseguenza, anche la sostituzione delle coordinate spaziali e temporali avverrà due volte.
Si scopre che, saltando in un tale buco, l'astronauta supererà prima un orizzonte degli eventi: il punto di non ritorno, e poi il secondo, seguito dall'universo del futuro. Ma è improbabile che tali temerari vengano trovati, quindi l'ipotesi rimane traballante.
З - Curva timelike chiusa
Una curva simile al tempo chiusa è una linea del mondo (una curva nello spazio-tempo che descrive il movimento di un corpo) nella struttura dello spazio-tempo, che restituisce un oggetto a un evento (un punto nello spazio-tempo) che è già passato.
ZVK - una delle soluzioni matematiche dell'equazione della relatività generale. È questo fenomeno fisico che viene spesso interpretato come il principale meccanismo di viaggio nel passato.
Secondo le equazioni gravitazionali, una curva simile al tempo può formarsi dove un oggetto massiccio o un potente campo gravitazionale si muove e letteralmente "trascina" lo spazio-tempo dietro di sé. Ecco perché, ad esempio, solo i buchi neri rotanti possono creare ZVK: il campo gravitazionale statico non è in grado di formarli.
Muovendosi lungo la CEC, l'oggetto ritorna alle stesse coordinate spaziali da cui era partito, ma con l'ora di arrivo prima della sua uscita. Cioè, fa davvero un viaggio nel passato.
L - Laser
Un laser (dall'amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni) è un dispositivo che emette un fascio elettromagnetico stretto monocromatico intenso di propagazione a lungo raggio.
Per le sue caratteristiche, il raggio laser ha una maggiore densità di energia, che può anche superare la densità di energia di un'esplosione nucleare (con una riduzione massima dell'ampiezza del raggio).
L'autore di una delle macchine del tempo più semplici e sofisticate implementate è il fisico teorico dell'Università del Connecticut, Ronald Mallett.
L'idea di creare un dispositivo del genere è venuta dal professore nella prima infanzia, quando suo padre morì inaspettatamente per un infarto all'età di 33 anni. Il professore ha più volte ammesso che tutto ciò che ha ottenuto nel campo della scienza si basa sul suo infinito amore per suo padre e sul desiderio di rivederlo.
Per molti anni Ronald ha lavorato al suo modello di macchina del tempo, nascondendolo ai colleghi e "nascondendosi dietro" lo studio dei buchi neri. E all'età di circa 70 anni è riuscito a ottenere il risultato desiderato.
Il modello di Mallet si basa sull'energia di un raggio laser. E la sua creazione è stata facilitata dalla più famosa equazione di Einstein - E = mc2.
Da questa formula leggendaria, segue che la massa è equivalente all'energia, il che significa che anche la tela spazio-temporale dovrebbe essere distorta sotto l'influenza di alte energie.
Ora parliamo dell'energia della radiazione elettromagnetica (in senso stretto - luce). È trasferito, come sapete, per mezzo di fotoni - "porzioni" di radiazione elettromagnetica. Questi ultimi, a loro volta, hanno energia, che può essere calcolata utilizzando una formula speciale: E = hv, dove h è il coefficiente di proporzionalità (costante di Planck), e nu è la frequenza del fotone.
Quindi, si scopre che un raggio di luce può anche creare un campo gravitazionale, poiché ha energia. Fu questo pensiero a gettare le basi per i lavori scientifici di Ronald Mallet.
Lo scienziato ha preso un potente raggio laser e con l'aiuto di un sistema di specchi lo ha fatto circolare in cerchio, creando un cosiddetto anello laser. L'idea è che la tela spazio-temporale all'interno di questo anello sia distorta, torcendosi come un vortice.
Osserviamo più o meno lo stesso quando mescoliamo il tè con un cucchiaio. A causa di tali "manipolazioni", insieme allo spazio, il tempo all'interno dell'anello si chiude in un ciclo, che rende possibile spostare oggetti che sono entrati nel passato.
La geometria della macchina del tempo di Ronald Mallett.
Secondo il professore, una tale unità sarà in grado di inviare messaggi codificati nel passato, trasferendo particelle nel tempo. È vero, un messaggio del genere potrà viaggiare solo fino alla creazione di questa macchina del tempo: servirà sia come trasmettitore che come ricevitore.
Pertanto, sarà possibile, ad esempio, mettere in guardia le persone del passato sui disastri imminenti. Per quanto riguarda il movimento dei macrooggetti in questo modo, qui gli scienziati avranno, come si suol dire, sudore.
Ma anche una simile macchina del tempo non è priva di "insidie". Ad esempio, la teoria è stata criticata da Allen Everett e Ken Olum per la geometria spazio-temporale scelta in modo errato per la formazione della curva timelike chiusa prevista (CTC).
Gli scienziati erano anche imbarazzati dalla quantità di energia richiesta: secondo i loro calcoli, per provocare la SEC nello spazio-tempo, il diametro dell'anello laser deve superare le dimensioni dell'Universo visibile. E sebbene Ronald abbia cercato di ridurre la quantità di energia richiesta rallentando l'emissione di luce del suo laser, i raggi lenti si sono rivelati inutili nello studio.
O - energia negativa
L'energia negativa è una delle varietà di "materia esotica" (più precisamente - "energia"), ottenuta attraverso l'effetto Casimir, che può essere utilizzata per viaggiare nel passato, oltre che per mantenere i wormhole.
In una forma semplificata, la "ricetta" per ottenere tale energia può essere descritta come segue:
Prendi due metalli platino scarichi e mettili sotto vuoto. Riuniamo i piatti il più possibile, ma in modo che non si tocchino.
Osserviamo l'attrazione reciproca dei piatti. Ciò è dovuto al fatto che il vuoto ha effettivamente energia - sebbene non contenga particelle a noi familiari, coppie di particelle virtuali e antiparticelle sorgono costantemente e si annichilano (si annichilano reciprocamente) in esso.
Tali processi generano pressione. Ma poiché abbiamo lasciato un piccolo spazio tra le piastre, la concentrazione di particelle di antiparticelle è molto inferiore rispetto allo spazio circostante. Pertanto, una pressione più forte dall'esterno inizia ad avvicinare le piastre.
Durante l'estrazione, le piastre riducono l'energia del vuoto tra loro al di sotto del normale punto zero, creando così uno spazio di energia negativa.
Effetto Casimir.
Il fenomeno della comparsa di energia negativa come risultato di un tale esperimento è chiamato effetto Casimir - in onore del fisico olandese Hendrik Casimir. Tale energia può potenzialmente causare la curvatura spazio-temporale necessaria per viaggiare nel passato.
Tuttavia, la quantità di energia negativa generata in questo modo è trascurabile rispetto a quanto è necessaria per il corretto effetto di deformazione. Ma, come notano gli scienziati, lo sviluppo di un meccanismo è già un buon progresso.
R - Effetti relativistici
Gli effetti relativistici sono fenomeni fisici osservati quando un oggetto si muove a velocità prossime alla luce. Sono oggetto di studio nella meccanica relativistica basata sulla teoria della relatività speciale.
Tra tutti gli effetti relativistici, come un aumento di massa, una diminuzione della lunghezza di un oggetto, il più interessante e pratico, dal punto di vista dell'utilizzo nei viaggi nel tempo, è l'effetto della dilatazione temporale.
Secondo la Teoria Speciale della Relatività, per un corpo che si muove a una velocità paragonabile a quella della luce, il tempo rallenta rispetto ai corpi a riposo.
Questa teoria trovò la sua conferma sperimentale nel 1971, quando due fisici disperati Hafele e Keating fecero il giro del mondo due volte con quattro orologi atomici a bordo. All'atterraggio, hanno scoperto che l'orologio da viaggio era effettivamente in ritardo rispetto alle ore rimanenti all'Osservatorio navale degli Stati Uniti.
Come opportunità di viaggio nel tempo, potrebbe assomigliare a questo. Supponiamo che tu abbia trovato un modo per accelerare la tua astronave fino al 99,5 percento della velocità della luce. In questo caso, puoi raggiungere una delle stelle più vicine in, diciamo, un minuto. Passeranno quattro anni sulla Terra.
Quindi, andando avanti e indietro, trascorrerai due minuti del tuo tempo soggettivo - a causa dell'effetto della dilatazione del tempo nella nave, e quando tornerai sulla Terra, la troverai otto anni più vecchia.
A proposito, benedici il grande Einstein ogni volta che cerchi un negozio di hamburger nelle vicinanze nelle mappe online: se i satelliti GPS non tenessero conto di queste decelerazioni di velocità del tempo (e si muovono a una velocità orbitale di 14.000 km / h), l'indicatore della posizione di cui hai bisogno verrebbe visualizzato con un errore di chilometro …
Tuttavia, accelerare a una velocità prossima a quella della luce non è un compito facile. Einstein stabilì che la velocità della luce è la massima velocità di movimento possibile e può essere raggiunta solo da qualcosa senza massa. Maggiore è la massa di un oggetto, minore è la probabilità che raggiunga la velocità prossima alla luce.
Uno dei motivi è il colossale aumento della massa quando si raggiungono velocità prossime alla luce. Ecco perché, ad esempio, i fotoni, particelle di luce che non hanno una massa a riposo, possono muoversi con una tale velocità.
Sebbene oggi ci siano idee per creare i cosiddetti razzi fotonici (come il razzo del professore norvegese Haug), l'accelerazione a tali velocità è incompatibile con la vita dell'equipaggio a causa di sovraccarichi eccessivi. Quindi per ora, stiamo parlando di questo modo di viaggiare nel futuro solo in teoria.
H - Wormhole
Un wormhole, o wormhole, è un passaggio teorico nella struttura dello spaziotempo che collega due eventi distanti (punti nello spaziotempo) nell'universo.
I wormhole sono come buchi neri attraversabili. Hanno anche un orizzonte degli eventi, ma solo dopo averlo attraversato non ti lacera sotto l'influenza di una forte gravità, ma "sputa" solo dal lato posteriore, già in un altro punto dello spazio-tempo (l'importante è non confondere un buco nero con una talpa, altrimenti invece di viaggiare volta che ti sposterai "al mondo successivo").
Tali entrate e uscite sono chiamate bocche e sono collegate da un tunnel della gola che attraversa l'Universo. Un wormhole può connettere eventi passati e futuri.
Si presume che il nostro intero universo sia disseminato di wormhole. Solo ora esistono sotto forma di "schiuma quantistica" a livelli incredibilmente microscopici: sono tante volte più piccole del nucleo atomico, tanto quanto il nucleo è più piccolo del pianeta Terra (stiamo parlando della cosiddetta schiuma dello spazio-tempo di John Wheeler).
E c'è un'ipotesi che nel processo di espansione dell'universo, questi microscopici wormhole avrebbero potuto aumentare fino a raggiungere dimensioni notevoli.
Gli scienziati suggeriscono anche che i buchi neri possano essere la "bocca d'ingresso" per alcuni wormhole. Secondo il famoso astrofisico-teorico e cosmologo Igor Novikov, i nuclei di alcune galassie potrebbero non essere buchi neri supermassicci, ma l'ingresso di un wormhole.
Ecco perché, come osserva il professore, quando si cercano i wormhole, si dovrebbe prima di tutto guardare al centro della galassia. Secondo lo scienziato, è del tutto possibile che alcuni wormhole possano collegare eventi (punti nello spazio-tempo) di due universi diversi.
Il problema con un wormhole, tuttavia, è che collassa prima che qualsiasi cosa possa attraversarlo. E per rendere un wormhole percorribile e più o meno stabile, è necessario un campo con densità di energia negativa, che manterrà le sue bocche aperte.
L'antigravità creata da tale materia agirà contro le forze di gravità ("spremitura") del wormhole, e quindi sarà possibile costringerlo a rimanere più a lungo in uno stato passabile, e allo stesso tempo aumentare le sue dimensioni.
Il famoso fisico e astronomo americano Kip Thorne ha proposto un meccanismo per mantenere un wormhole posizionando piastre conduttrici parallele sui lati opposti di esso.
Questo, secondo l'effetto Casimir, creerà energia negativa su entrambi i lati, che impedirà il collasso della tana. Allo stesso tempo, sotto l'influenza dell'energia negativa, il wormhole si espanderà, il che è molto utile se sei abituato a viaggiare nel tempo in un'astronave impressionante (continuando l'ipotesi di Thorne, l'astrofisico dell'Università di Cambridge Luke Butcher ha proposto un modo più efficace per creare energia negativa all'interno di un wormhole generando il suo vero wormhole, senza l'uso di piastre).
Tuttavia, la quantità di questa energia negativa per mantenere un wormhole deve essere enorme. Allo stesso tempo, i calcoli mostrano che questo numero ha il suo limite, il che rassicura un po 'gli scrittori di fantascienza.
Modellazione di Kip Thorn dell'aspetto della bocca di un wormhole a seconda della sua lunghezza e lente.
E - Materia esotica
La materia esotica è materia che in un modo o nell'altro differisce da quella classica e ha proprietà “esotiche”. Questa sarà considerata materia che ha una massa negativa, o è in grado di muoversi con velocità superluminale, o composta da particelle diverse dai soliti barioni (cioè protoni e neutroni), come la materia oscura, per esempio.
Nella teoria del viaggio nel tempo, la materia esotica gioca uno dei ruoli chiave nella realizzazione del viaggio nel passato. I teorici affermano che se viene creata o scoperta una sostanza esotica che può deformare lo spazio-tempo in modo non convenzionale, si può formare un loop temporale nella struttura del continuum spazio-temporale, adatto a muoversi a ritroso nel tempo.
Ciò è evidenziato, ad esempio, dall'autore di uno dei modelli matematici più accurati della macchina del tempo - Domini retrogradi acausali attraversabili nello spaziotempo (TARDIS) - matematico e fisico canadese Ben Tippett:
“L'effetto di curvatura dello spazio-tempo che ci è più familiare è la gravità: ci spinge verso il centro della Terra e i pianeti verso il Sole.
Ma nella teoria di Einstein, la curvatura dello spazio-tempo può generare effetti molto più diversi: corpi massicci rotanti tirano gli oggetti vicini nella direzione della loro rotazione; L'universo si sta espandendo rapidamente; oggetti massicci possono causare onde gravitazionali recentemente misurate dall'osservatorio di Ligo”, osserva lo scienziato.
Secondo lui, la teoria di Einstein consente di collegare diversi tipi di curvatura dello spazio-tempo con una diversa natura della materia coinvolta. "La nostra geometria dello spaziotempo è stata progettata per consentire il viaggio nel tempo e l'equazione di Einstein ci dice il tipo di materia che piegherà l'universo in questo modo con il suo peso: la materia esotica in particolare".
Quindi, secondo il modello di Tippet, la macchina del tempo dovrebbe essere qualcosa come una "scatola" (una struttura fisicamente tangibile) circondata da materia esotica.
Inoltre, la densità di energia negativa dovrebbe impartire "esotismo" a questa materia: in altre parole, dovrebbe creare qualcosa come un campo antigravitazionale e piegare lo spazio-tempo in un modo insolito per noi - in modo che la linea del tempo si chiuda in un anello, formando una curva simile al tempo chiusa.
Il movimento TARDIS di Ben Tippett nello spazio-tempo - lungo una curva simile al tempo chiusa.
"È sufficiente distribuirlo all'esterno della 'macchina', e l'universo si piegherà come desiderato in risposta alla sua presenza", spiega Ben.
Ben ha presentato tutti i calcoli che dimostrano la possibilità di creare una simile macchina del tempo nel suo articolo pubblicato il 31 marzo 2017 sulla rivista Classical and Quantum Gravity.
La materia esotica con proprietà antigravitazionali è necessaria anche per mantenere la permeabilità dei wormhole. Oggi, il tipo più adatto di materia esotica è considerata l'energia negativa generata a causa dell'effetto Casimir.
Il viaggio nel tempo non ti sembra così fantastico? Nel prossimo articolo di Daria Zaremba, leggi ciò che impedisce all'umanità di sognare questi spostamenti: confutare gli esperimenti mentali, i paradossi del viaggio nel passato e le loro soluzioni.
Daria Zaremba
