Pärast seda, kui H. G. Wells avaldas oma ajamasina, on ulme minevikku või tulevikku, paratamatult naastes omaenda ajastusse, kindlalt kinnistunud. Kuid kas need on tänapäevase teaduse seisukohast võimalikud, vähemalt puhtteoreetiliselt?
Uurin koos mõttekaaslaste rühmaga ajarännakuid üldrelatiivsuse taustal teatud kvantparandustega. Täpsemalt püstitatakse probleem järgmiselt: kas on võimalik konstrueerida üldiste relatiivsustegurite kõverjooneline ruumiaeg teatud kvantväljade abil, mis sisaldavad suletud maailmariine? Kui maailmariin jätab teatud ruumi-ajapunkti ja naaseb selle juurde, on liikumine mööda seda silmust lihtsalt ajas rändamine. Neile, kes on relatiivsusteooriaga tuttavad, täpsustan, et maailmajoon peab olema ajaga sarnane. See tähendab, et ükski liikumine mööda seda ei tohiks ületada valguse kiirust.
Poolklassikaline
Meie lähenemist ajalise rännaku probleemi sõnastamisele võib nimetada semiklassikaliseks, kuna see põhineb Einsteini klassikalise gravitatsiooniteooria ühendamisel kvantvälja teooriaga. Mõne inimese sõnul tuleks seda reisiprobleemi uurida puhtalt kvantiteooria põhjal, kuid seda pole veel loodud ja me ei tea, milline see välja näeb.
Einsteini võrrandid on aja suhtes sümmeetrilised, nende lahendusi saab jätkata nii tulevikku kui ka minevikku. Seetõttu ei järeldu neist aja pöördumatust, mis keelaks ajarände. Ruumi-aja geomeetrilise struktuuri määravad aga ruumi täitva aine omadused, selle energia ja rõhk. Nii et meie põhiprobleemi saab ümber sõnastada järgmiselt: milline aine võimaldab maailmaliinide silmuseid? Selgub, et asi, millega oleme harjunud ja mis koosneb osakestest ja kiirgusest, pole selleks mingil juhul sobilik. Vajame teistsugust ainet, millel on negatiivne mass, ja seetõttu, kui tuletame meelde kuulsat Einsteini valemit E = mc2, ja negatiivset energiat (muide, ärge ajage sellist ainet osakestega segamini - nende massid ja energia on positiivsed). Seda on mitu füüsikut juba ammu tõestanud,näiteks Stephen Hawking.
Casimiri efekt
Reklaamvideo:
Negatiivse massi ja energiaga materjal võib tunduda absurdne, kuid see on välja töötatud teooria poolt ja isegi katse abil kinnitatud. Tõsi, klassikaline füüsika seda ei luba, kuid kvantvälja teooria seisukohast on see täiesti seaduslik. Selle kinnituseks on Hollandi füüsiku Hendrik Casimiri järgi nimetatud füüsiline efekt. Kui võtame kaks lihvitud metallplaati ja asetame need rangelt üksteisega paralleelselt mitme mikromeetri kaugusele, tõmbavad need ligi mõõdetava jõu abil (mis tehti esimest korda 15 aastat tagasi). Seda külgetõmmet seletatakse täpselt asjaoluga, et plaatide vahelises ruumis on negatiivne energia.
Kust see pärit on? Lihtsuse huvides eeldame, et plaadid asuvad ideaalses vaakumis. Kvantteooria kohaselt sünnivad ja kaovad kogu aeg mitmesugused kvantväljade kõikumised, näiteks virtuaalsed footonid. Need kõik annavad vaba vaakumi keskmiseks energiaks, mis on null. Selleks, et see oleks võimalik, peab mõnel kõikumisel olema positiivne energia ja mõnel peab olema negatiivne energia.
Kuid füüsiliste kehade läheduses ei pruugi seda tasakaalu täheldada. Eriti plaatide vahelises ruumis domineerivad “miinus” kõikumised “pluss” üle. Seetõttu on seal oleva vaakumi energia tihedus madalam kui vaakumi energiatihedus, see tähendab alla nulli. See tihedus on pöördvõrdeline plaatide vahelise tühiku laiuse neljanda võimsusega, samal ajal kui vaheruumi maht on võrdeline laiusega ise. Nii et nende tootel on negatiivne märk ja see on pöördvõrdeline pilu laiuse kuubiga. Selle tulemusel langeb plaatide üksteisele lähenedes vaheruumi koguvaakumi energia üha enam nullmärgist madalamale ja seetõttu on nende jaoks üksteise ligimeelitamiseks energiliselt soodne.
Ajapatrull
Kuid tagasi ajas reisimise juurde. Kuna tavalisel ainel on positiivne mass, on sellest võimatu valmistada seadet, mis suudaks ajas liikuda. Kui see probleem on lahendatav, siis ainult kvantväljade mõne konfiguratsiooni abil, mis pakuvad negatiivset energiat kogu suletud maailmas.
Sellist konfiguratsiooni on aga ilmselt võimatu luua. Seda takistab väga oluline piirang, mida nimetatakse keskmiseks nullenergia seisundiks (ANEC). Matemaatiliselt väljendatakse seda üsna keeruka integraalina ja lihtsas tavainimese keeles öeldakse, et igasugune negatiivse energia panus kogu footonite maailmariiki peaks olema täpselt või isegi suurem kui positiivse energia lisamisega kompenseeritav.
Kõigi olemasolevate andmete kohaselt vastab loodus ANEC-le eranditeta. Võib näidata, et ka Casimiri efekt järgib seda tingimust. Näiteks kui teete plaatides kaks auku üksteise vastas asuvat auku ja juhite läbi nende välise valguskiire läbi plaatidevahelise ruumi, on kogu selle maailmariigi muutuse koguenergia positiivne.
Kuidas see mõjutab ajas rändamist? Võib tõestada, et kui ANEC teatud analoog toimib üldrelatiivsusteooria kõverjoonelises ruumis, siis on sellised liikumised võimatud.
Teisisõnu, see ANEC-i versioon, mida me kutsusime sünkrooniks, keelab kõigi ajamasinate projektide, mis on valmistatud negatiivse massiga ainest.
Nüüd töötan koos oma õpilastega selle versiooni matemaatilise tõestuse kallal ja mulle tundub, et oleme juba midagi saavutanud.
Kui meil õnnestub nõutavad tõendid konstrueerida, näidatakse ajamasina põhimõttelist teostamatust - vähemalt semiklassikalise lähenemisviisi raames. Ja kuna meil pole veel täielikku raskusjõu kvantteooriat, tuleb selle järeldusega vähemalt enne selle loomist nõustuda.
Tuftsi ülikooli füüsikaprofessor Ken Olum.
Intervjueerinud: Aleksei Levin, Oleg Makarov, Dmitri Mamontov
