Kommer vi någonsin kunna resa genom tiden? Väl, enligt en ny matematisk teori, det kan vara möjligt - förutsatt att vi kan hitta någon exotisk materia.

Ända sedan H. G. Wells populariserade begreppet tidsmaskin med sin roman från 1895, populärkulturen har fascinerats av tanken på att bygga en maskin som magiskt kan glida genom historien. När Wells skrev "The Time Machine, "vetenskapen såg tiden som en obeveklig flod, för alltid flyter fram i konstant takt.

Sedan, mer än 20 år senare, Albert Einstein vände vår syn på universum på huvudet genom att introducera världen till hans banbrytande teori om allmän relativitet. Plötsligt, vi insåg att utrymme och tid inte var så rigida som klassiska teorier förutspådde. I Einsteins universum, utrymme och tid är enade för att skapa rymdtid och det kan skev, böjda och till och med skapa krusningar - ett fenomen som kallas gravitationella vågor.

Allmän relativitet öppnade slussarna för tidsresemöjligheter. År 1949, matematiker Kurt Gödel presenterade Einstein den första matematiska modellen inom vilken ett roterande universum kan tillåta tidsresor. På senare tid, fysiker som Kip Thorne har föreslagit användning av maskhål (en annan allmän relativitetsprognos) för att underlätta tidsresor.

Under 2013, Ben Tippett och kollegan David Tsang formulerade en matematisk modell för tidsresor. Metoden kallades TARDIS.

Självklart, namnet "TARDIS" - en förkortning för traverserbara akausala retrograda domäner i rymdtiden - var ingen slump.

"Mitt arbete med detta började precis runt 50 -årsdagen av" Doctor Who, säger Tippett, som arbetar som matematik- och fysikinstruktör vid University of British Columbia. "Jag har analyserat och skrivit om tidningen på helger och semestrar sedan dess, och slutligen publicerade det. "

Publicerad i tidskriften Classical and Quantum Gravity, TARDIS beskriver ett annat sätt att se på tidens dimension och hur den kan manipuleras för att skapa en tidsmaskin - eller, åtminstone, en matematisk konstruktion av en hypotetisk tidsmaskin.

Rum och tid

Även om Einstein förenade rum och tid för över ett sekel sedan, alltför ofta ser vi tiden som en separat dimension, påpekar Tippett, en expert på allmän relativitet.

Ett vanligt sätt att tänka på rymdtid är att föreställa sig ett hängande gummiark. Om du rullar ett tungt föremål, som en bowlingboll, över arket, arket kommer att vrida sig runt massan. Detta är en av de grundläggande principerna för allmän relativitet; krökning av rymdtid (det skeva gummit) runt massiva föremål (bowlingboll) skapar gravitation. Ju större massan, desto större gravitationseffekter på rymdtiden. Massa och gravitation är därför nära besläktade.

Den här modellen kan vara ett bra sätt att föreställa sig hur rymdets tre dimensioner förvrängs av massa, men hur är det med tiden?

Alla fyra dimensionerna - de tre dimensionerna av rymden och en av tiden - ska ses som en rymdtidskontinuum. I detta fall, det är inte bara de tre dimensionerna av rymden som är snedvridna; tiden är, också.

Självklart, vi redan känna till detta. För att hålla klockorna på satelliter synkroniserade med klockorna på jorden, en liten korrigering för effekterna av allmän relativitet måste inkluderas i satelliternas programvara - satelliter kretsar kring jorden i en miljö med lägre gravitation än på jordens yta. Därför, tiden går långsammare (om än oändligt så) här nere, djupt i jordens gravitationskälla.

Ta nu detta resonemang till det yttersta:Tänk dig att du har en tvillingsyster som tappert reser mot ett svart håls händelsehorisont - den punkt där rymdtiden är så skev att inte ens ljus kan komma undan det svarta hålets gravitation. När hon kommer närmare händelsehorisonten, rymdtiden blir allt mer skev, tyngdkraften ökar och tiden saktar ner . Förutsatt att hennes rymdskepp har tillräckligt med bränsle, hon drar ut innan hon når händelsehorisonten och zoomar tillbaka till jorden. När hon återvänder, har bara åldrats en dag, du är inte där för att välkomna henne. Du är död. Faktiskt, tidsutvidgningen var så extrem under hennes uppdrag att alla blev gamla och dog, den mänskliga civilisationen är utrotad och jorden överskrids av gigantiska kackerlackor.

Detta är en variant av det som kallas "Twin Paradox."

Behovet av exotisk materia

Snarare än att slå igenom rymdtiden (resa genom ett maskhål) eller resa nära ett omöjligt massivt föremål för att förvränga rymdtiden (ett svart hål), TARDIS kräver en typ av rymdtidskurvatur som inte kan produceras av vanligt material. Enligt allmän relativitet, stora massor av vanlig materia kan bara orsaka krökning som är gravitationsmässigt attraktiv. Enligt Tippett, krökningen som krävs för att bygga TARDIS kan bara skapas med en bisarr, och för närvarande okänd, typ av materia som helt enkelt kallas "exotisk materia" som har motsatt effekt.

Om, i framtiden, vi hittar den här exotiska saken och räknar ut hur vi kan utnyttja den, TARDIS "tidsmaskin" kan skicka en tidsresenär bakåt och framåt i tiden. Tidsresenären skulle rymmas i en bubbla av "normal" rymdtid och exotisk materia skulle sedan appliceras på bubblan, får den att resa genom rymdtiden på en stor, cirkulär väg. Resenären inuti bubblan skulle känna en konstant acceleration under sin resa. Ju större cirkel, ju längre fram och tillbaka i tiden de skulle gå.

Men det finns en fångst.

"Så vitt jag förstår, vi har aldrig upptäckt, observerade, eller interagerade med exotisk materia, "Tippett berättar för HowStuffWorks." Exotisk materia är en klass av materia som är gravitationellt avstötande - eller snarare, det orsakar en typ av rymdtidskurvatur som är förknippad med gravitation som trycker isär saker - och vi har aldrig sett det. "

Paradoxer i överflöd?

Nu, låt oss bara anta att vi övervinner problemet med exotiska ämnen och uppnår tidsresor, skulle inte resa tillbaka i tiden orsaka alla slags "Back to the Future" -liknande kontinuumparadoxer i rymdtiden? Kan Marty resa tillbaka till 1955 verkligen äventyra sitt eget liv genom att av misstag bli sin egen mammas kärleksintresse?

Om resan tillbaka i tiden kan ändra historia, precis som Martys existentiella kris förutsäger, vi har en paradox. I detta fall, det är känt som "Farfar Paradox, "och det är ett bra sätt att visualisera detta problem. Paradoxen frågar i princip:Om du reste tillbaka i tiden och dödade din farfar (eller din mor aldrig hamnar i gift med din biologiska far), skulle du sluta existera?

"Som Doc Brown påminner oss om:farfarparadoxens upplösning är att tänka fyrdimensionellt, säger Tippett.

Enligt Einsteins teori, allt förflutet, nuvarande och framtida historia läggs upp i rymdtid, som trådar vävda i ett fyrdimensionellt tapet. Om du gick tillbaka i tiden och träffade ditt yngre jag, en relativistisk situation som kallas en "sluten tidliknande kurva, "kan du ge ditt yngre jag Grays Sports Almanac, och därmed dramatiskt förändra din ekonomiska framtid?

För att ta itu med denna paradox, Den ryska teoretiska fysikern Igor Novikov föreslog att universum har en felsäkerhet och medan det kan tillåta stängda tidstypiska kurvor (dvs. tidsresenärer), rymdtidens gobeläng kan inte ändras oavsett hur mycket du försöker. När du försöker ge ditt tidigare jag almanackan, någon situation kommer att uppstå för att förhindra att en paradox uppstår. Universum kommer att anpassa sig och motverka ditt paradoxala (och, uppriktigt sagt, hänsynslösa) handlingar.

"Farfar Paradox, i mina tankar, är löst med Novikovs självkonsistensvillkor:du kan inte ändra det förflutna, "säger Tippett." Alla evenemang, förflutna och framtid, läggs ut på den fyrdimensionella rymdtiden, och kan inte förändras.

"Även om ett objekt kan interagera med sitt eget förflutna, det kan inte göra det på ett sätt som är oförenligt med sin egen historia, " han lägger till.

Tippett liknar idén med handlingen i filmen och tv -serien "12 Monkeys" - universum kommer att hindra dig från att ändra historiska händelser. Men, han erkänner, vi skulle förmodligen inte kunna testa någon av dessa hypoteser förrän vi faktiskt uppnår tidsresor.

Som sagt, även om det är en rolig idé att fundera över, att förvandla en matematisk modell till en fullt fungerande tidsmaskin är osannolikt.

"Tyngdpunkten ligger här på" matematiskt möjligt, men fysiskt osannolikt. Mycket, mycket, mycket osannolikt, '"avslutar Tippett.

Fysikern Stephen Hawking var en gång värd för en fest för tidsresenärer. Förutom att ingen dök upp. Hawking skickade inte inbjudningarna förrän efter mottagningen, tänka på att de enda som skulle komma skulle vara de som kunde resa tillbaka i tiden.