Ist Zeitreise möglich?

Geschichten über Reisen in die Vergangenheit und in die Zukunft haben uns schon lange in den Bann gezogen, aber die Frage, ob Zeitreisen möglich sind, ist eine heikle Frage, die es auf den Punkt bringt, zu verstehen, was Physiker mit dem Wort "Zeit" meinen. 

Die moderne Physik lehrt uns, dass Zeit einer der mysteriösesten Aspekte unseres Universums ist, auch wenn sie zunächst einfach zu sein scheint. Einstein revolutionierte unser Verständnis des Konzepts, aber selbst mit diesem überarbeiteten Verständnis überlegen einige Wissenschaftler immer noch, ob Zeit tatsächlich existiert oder ob es sich nur um eine "hartnäckig anhaltende Illusion" handelt (wie Einstein es einmal nannte). Was auch immer die Zeit ist, Physiker (und Romanautoren) haben einige interessante Möglichkeiten gefunden, es zu manipulieren, um es auf unorthodoxe Weise zu durchqueren.

Zeit und Relativität

Obwohl in H.G. Wells 'zitiert Die Zeitmaschine (1895) entstand die eigentliche Wissenschaft des Zeitreisens erst im zwanzigsten Jahrhundert als Nebeneffekt von Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (entwickelt 1915). Die Relativitätstheorie beschreibt die physische Struktur des Universums in Form einer vierdimensionalen Raumzeit, die drei Raumdimensionen (oben / unten, links / rechts und vorne / hinten) sowie eine Zeitdimension umfasst. Nach dieser Theorie, die im letzten Jahrhundert durch zahlreiche Experimente bewiesen wurde, ist die Schwerkraft ein Ergebnis der Biegung dieser Raumzeit als Reaktion auf die Anwesenheit von Materie. Mit anderen Worten, bei einer bestimmten Konfiguration der Materie kann das tatsächliche Raumzeitgefüge des Universums auf signifikante Weise verändert werden.

Eine der erstaunlichen Konsequenzen der Relativitätstheorie besteht darin, dass Bewegung zu einem Unterschied in der Art und Weise führen kann, wie die Zeit vergeht. Dieser Vorgang wird als Zeitdilatation bezeichnet. Dies zeigt sich am dramatischsten im klassischen Twin Paradox. Mit dieser Methode der "Zeitreise" können Sie schneller als normal in die Zukunft vordringen, aber es gibt eigentlich keinen Weg zurück. (Es gibt eine kleine Ausnahme, aber dazu später im Artikel.)

Frühe Zeitreise

1937 wandte der schottische Physiker W. J. van Stockum die allgemeine Relativitätstheorie erstmals so an, dass Zeitreisen möglich wurden. Durch Anwenden der Gleichung der allgemeinen Relativitätstheorie auf eine Situation mit einem unendlich langen, extrem dichten rotierenden Zylinder (ähnlich einer endlosen Friseurstange). Die Drehung eines solchen massiven Objekts erzeugt tatsächlich ein Phänomen, das als "Frame Draging" bekannt ist, dh, dass es tatsächlich die Raumzeit mit sich zieht. Van Stockum stellte fest, dass man in dieser Situation einen Pfad in vierdimensionaler Raumzeit erstellen konnte, der an demselben Punkt begann und endete - eine so genannte geschlossene zeitliche Kurve -, was das physikalische Ergebnis ist, das Zeitreisen ermöglicht. Sie können mit einem Raumschiff losfahren und einen Weg zurücklegen, der Sie genau zu dem Zeitpunkt zurückbringt, an dem Sie begonnen haben.

Obwohl es ein faszinierendes Ergebnis war, war dies eine ziemlich konstruierte Situation, so dass es nicht wirklich besorgniserregend war, dass es stattfand. Eine neue Interpretation stand jedoch bevor, die viel kontroverser war.

1949 beschloss der Mathematiker Kurt Godel - ein Freund von Einstein und ein Kollege am Institute for Advanced Study der Princeton University -, eine Situation anzugehen, in der sich das gesamte Universum dreht. In Godels Lösungen wurde die Zeitreise durch die Gleichungen tatsächlich zugelassen, wenn sich das Universum drehte. Ein rotierendes Universum könnte selbst als Zeitmaschine fungieren.

Wenn sich das Universum drehen würde, gäbe es Möglichkeiten, es zu erkennen (Lichtstrahlen würden sich zum Beispiel biegen, wenn sich das gesamte Universum dreht), und bis jetzt ist der Beweis überwältigend stark, dass es keine Art von universeller Rotation gibt. Auch hier ist eine Zeitreise durch diese bestimmte Reihe von Ergebnissen ausgeschlossen. Tatsache ist jedoch, dass sich die Dinge im Universum drehen, was wiederum die Möglichkeit eröffnet.

Zeitreise und Schwarze Löcher

1963 verwendete der neuseeländische Mathematiker Roy Kerr die Feldgleichungen, um ein rotierendes Schwarzes Loch zu analysieren, das als Kerr-Schwarzes Loch bezeichnet wurde, und stellte fest, dass die Ergebnisse einen Weg durch ein Wurmloch im Schwarzen Loch ermöglichten, wobei die Singularität in der Mitte fehlte und sich ergab es aus dem anderen Ende. Dieses Szenario ermöglicht auch geschlossene zeitliche Kurven, wie der theoretische Physiker Kip Thorne Jahre später feststellte.

In den frühen 1980er Jahren arbeitete Carl Sagan an seinem 1985 erschienenen Roman Kontakt, Er wandte sich mit einer Frage zur Physik der Zeitreise an Kip Thorne, die Thorne dazu inspirierte, das Konzept der Verwendung eines Schwarzen Lochs als Mittel der Zeitreise zu untersuchen. Zusammen mit dem Physiker Sung-Won Kim erkannte Thorne, dass man (theoretisch) ein Schwarzes Loch mit einem Wurmloch haben könnte, das es mit einem anderen Punkt im Raum verbindet, der durch irgendeine Form negativer Energie offengehalten wird.

Aber nur weil du ein Wurmloch hast, heißt das nicht, dass du eine Zeitmaschine hast. Nehmen wir nun an, Sie könnten ein Ende des Wurmlochs bewegen (das "bewegliche Ende"). Sie platzieren das bewegliche Ende auf einem Raumschiff und schießen es mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum. Die zeitliche Ausdehnung beginnt und die erlebte Zeit Angenommen, Sie verschieben das bewegliche Ende um 5.000 Jahre in die Zukunft der Erde, aber das bewegliche Ende "altert" nur um 5 Jahre Sagen wir, und kommen im Jahr 7010 n. Chr. an.

Wenn Sie jedoch durch das bewegliche Ende reisen, werden Sie 2015 n. Chr. Tatsächlich aus dem festen Ende herausspringen (seitdem 5 Jahre auf der Erde vergangen sind). Was? Wie funktioniert das?

Tatsache ist, dass die beiden Enden des Wurmlochs miteinander verbunden sind. Egal wie weit sie voneinander entfernt sind, in der Raumzeit sind sie im Grunde immer noch "nahe" beieinander. Da das bewegliche Ende nur fünf Jahre älter ist als beim Verlassen, werden Sie beim Durchlaufen des Endes an den entsprechenden Punkt auf dem festen Wurmloch zurückgeschickt. Und wenn jemand aus dem Jahr 2015 n. Chr. Die Erde durch das feste Wurmloch tritt, kommt er 7010 n. Chr. Aus dem beweglichen Wurmloch heraus. (Wenn jemand 2012 n. Chr. Durch das Wurmloch trat, landete er irgendwo mitten auf der Reise auf dem Raumschiff und so weiter.)

Obwohl dies die physikalisch sinnvollste Beschreibung einer Zeitmaschine ist, gibt es immer noch Probleme. Niemand weiß, ob Wurmlöcher oder negative Energie existieren oder wie man sie auf diese Weise zusammensetzt, wenn sie existieren. Aber es ist (theoretisch) möglich.