Marty en Albert denken na over de fijne kneepjes van tijdreizen. UNIVERSEEL/SHIRLAINE FORREST/BETTMANN/GETTY

Zullen we ooit door de tijd kunnen reizen? We zullen, volgens een nieuwe wiskundige theorie, het zou mogelijk kunnen zijn - ervan uitgaande dat we exotische materie kunnen vinden.

Sinds H.G. Wells het concept van de tijdmachine populair maakte met zijn roman uit 1895, populaire cultuur is gefascineerd door het idee om een ​​machine te bouwen die op magische wijze door de geschiedenis kan glippen. Toen Wells "The Time Machine" schreef, "wetenschap zag tijd als een meedogenloze rivier, voor altijd in een constant tempo vooruit stromen.

Vervolgens, meer dan 20 jaar later, Albert Einstein zette onze kijk op het universum op zijn kop door de wereld kennis te laten maken met zijn baanbrekende algemene relativiteitstheorie. Plotseling, we realiseerden ons dat ruimte en tijd niet zo rigide waren als klassieke theorieën voorspelden. In het universum van Einstein, ruimte en tijd zijn verenigd om ruimtetijd te creëren en het kan worden vervormd, buigen en zelfs rimpelingen veroorzaken - een fenomeen dat bekend staat als zwaartekrachtsgolven.

De algemene relativiteitstheorie opende de sluizen voor tijdreizen. In 1949, wiskundige Kurt Gödel presenteerde Einstein het eerste wiskundige model waarbinnen een roterend universum tijdreizen mogelijk maakt. Recenter, natuurkundigen zoals Kip Thorne hebben het gebruik van wormgaten voorgesteld (een andere voorspelling van de algemene relativiteitstheorie) om tijdreizen te vergemakkelijken.

In 2013, Ben Tippett en collega David Tsang formuleerden een wiskundig model voor tijdreizen. De methode werd TARDIS genoemd.

Natuurlijk, de naam "TARDIS" - een acroniem voor doorkruisbare acausale retrograde domeinen in ruimtetijd - was geen toeval.

"Mijn werk hieraan begon rond het 50-jarig jubileum van 'Doctor Who, '" zegt Tippett, die werkt als wiskunde- en natuurkundeleraar aan de University of British Columbia. "Sindsdien ben ik in de weekenden en vakanties bezig met het analyseren en herschrijven van de krant, en kreeg het uiteindelijk gepubliceerd."

Gepubliceerd in het tijdschrift Classical and Quantum Gravity, TARDIS beschrijft een andere manier om naar de dimensie van tijd zelf te kijken en hoe deze kan worden gemanipuleerd om een ​​tijdmachine te creëren - of, minstens, een wiskundige constructie van a hypothetisch tijd machine.

Ruimte en tijd

Hoewel Einstein meer dan een eeuw geleden ruimte en tijd verenigde, te vaak zien we tijd als een aparte dimensie, wijst Tippett erop, een expert in de algemene relativiteitstheorie.

Een veel voorkomende manier om over ruimtetijd te denken, is door je een opgehangen vel rubber voor te stellen. Als je een zwaar voorwerp rolt, als een bowlingbal, over het blad, het blad zal rond de massa kromtrekken. Dit is een van de belangrijkste principes van de algemene relativiteitstheorie; de kromming van de ruimtetijd (het kromgetrokken rubber) rond massieve objecten (bowlingbal) creëert zwaartekracht. Hoe groter de massa, hoe groter de zwaartekrachtseffecten op de ruimtetijd. Massa en zwaartekracht zijn dus nauw met elkaar verbonden.

Dit model kan een geweldige manier zijn om je voor te stellen hoe de drie dimensies van de ruimte door massa worden vervormd, maar hoe zit het met de tijd?

Alle vier dimensies - de drie dimensies van ruimte en één van tijd - moeten worden gezien als een ruimtetijdcontinuüm. In dit geval, het zijn niet alleen de drie dimensies van de ruimte die vervormd zijn; tijd is, ook.

Natuurlijk, wij al weten dit. Om de klokken op satellieten synchroon te houden met klokken op aarde, een kleine correctie voor de effecten van de algemene relativiteitstheorie moet worden opgenomen in de software van de satellieten - satellieten draaien om de aarde in een omgeving met een lagere zwaartekracht dan op het aardoppervlak. Daarom, de tijd loopt langzamer (zij het oneindig klein) hier beneden, diep in de zwaartekrachtbron van de aarde.

Ga nu tot het uiterste in deze redenering:stel je voor dat je een tweelingzus hebt die dapper naar de waarnemingshorizon van een zwart gat reist - het punt waarop de ruimtetijd zo vervormd is dat zelfs licht niet aan de zwaartekracht van het zwarte gat kan ontsnappen. Naarmate ze dichter bij de gebeurtenishorizon komt, ruimtetijd wordt steeds krommer, de zwaartekracht neemt toe en de tijd vertraagt . Ervan uitgaande dat haar ruimteschip genoeg brandstof heeft, ze trekt zich terug voordat ze de waarnemingshorizon bereikt en zoomt terug naar de aarde. Als ze terugkomt, slechts een dag ouder zijn geworden, je bent er niet om haar te verwelkomen. Je bent dood. In feite, de tijdsvertraging was zo extreem tijdens haar missie dat iedereen oud werd en stierf, de menselijke beschaving is uitgestorven en de aarde wordt overspoeld met gigantische kakkerlakken.

Dit is een variatie op wat bekend staat als de 'Twin Paradox'.

De behoefte aan exotische materie

In plaats van door de ruimtetijd te stoten (door een wormgat te reizen) of dichtbij een onmogelijk massief object te reizen om de ruimtetijd (een zwart gat) te vervormen, TARDIS vereist een soort ruimtetijdkromming die niet door gewone materie kan worden geproduceerd. Volgens de algemene relativiteitstheorie grote massa's gewone materie kunnen alleen krommingen veroorzaken die door de zwaartekracht aantrekkelijk zijn. Volgens Tippett, de kromming die nodig is om TARDIS te bouwen, kan alleen worden gemaakt met een bizarre, en momenteel onbekend, soort materie dat eenvoudigweg "exotische materie" wordt genoemd en het tegenovergestelde effect heeft.

Indien, in de toekomst, we vinden deze exotische materie en bedenken hoe we het kunnen benutten, de TARDIS "tijdmachine" kan een tijdreiziger vooruit en achteruit in de tijd sturen. De tijdreiziger zou zich in een bel van "normale" ruimtetijd bevinden en exotische materie zou dan op de bel worden aangebracht, waardoor het door de ruimtetijd reist op een groot, rond pad. De reiziger in de bubbel zou tijdens zijn reis een constante versnelling voelen. Hoe groter de cirkel, hoe verder terug en vooruit in de tijd ze zouden gaan.

Maar er is een addertje onder het gras.

"Zover ik begrijp, we hebben nooit ontdekt, opgemerkt, of interactie met exotische materie, " Tippett vertelt HowStuffWorks. "Exotische materie is een klasse van materie die zwaartekracht afstotend is - of liever, het veroorzaakt een soort kromming van de ruimtetijd die wordt geassocieerd met zwaartekracht die dingen uit elkaar duwt - en we hebben het nog nooit gezien."

Paradoxen in overvloed?

Nutsvoorzieningen, laten we aannemen dat we het probleem van de exotische materie overwinnen en tijdreizen bereiken, zou reizen in de tijd niet allerlei "Back to the Future"-achtige ruimtetijd-continuümparadoxen veroorzaken? Zou Marty terug kunnen reizen naar 1955? Echt zijn eigen leven in gevaar brengen door per ongeluk de liefdesbelang van zijn eigen moeder te worden?

Als terug in de tijd reizen de geschiedenis kan veranderen, net zoals Marty's existentiële crisis voorspelt, we hebben een paradox. In dit geval, het staat bekend als de "Grootvaderparadox, " en het is een goede manier om dit probleem te visualiseren. De paradox vraagt ​​in feite:als je terug in de tijd reist en je grootvader vermoordt (of je moeder trouwt nooit met je biologische vader), zou je ophouden te bestaan?

"Zoals Doc Brown ons eraan herinnert:de resolutie van de grootvaderparadox is om vierdimensionaal te denken, ' zegt Tippet.

Volgens de theorie van Einstein, allemaal verleden, huidige en toekomstige geschiedenis is vastgelegd in ruimtetijd, als draden geweven in een vierdimensionaal tapijt. Als je terug in de tijd zou gaan en je jongere zelf zou ontmoeten, een relativistische situatie genaamd een "gesloten tijdachtige curve, " zou je je jongere zelf de Grays Sports Almanac kunnen geven, waardoor uw financiële toekomst drastisch verandert?

Om deze paradox aan te pakken, De Russische theoretisch fysicus Igor Novikov stelde voor dat het universum een ​​faalveilige en, terwijl het gesloten tijdachtige curven kan toestaan ​​(d.w.z. tijdreizigers), het tapijt van ruimtetijd kan niet worden veranderd, hoe hard je ook probeert. Telkens als je probeert je vroegere zelf de almanak te geven, er zal een situatie ontstaan ​​om te voorkomen dat zich een paradox voordoet. Het universum zal zich aanpassen en je paradoxale (en, eerlijk gezegd, roekeloze) handelingen.

"De grootvaderparadox, in mijn gedachten, wordt opgelost met de Novikov-zelfconsistentievoorwaarde:je kunt het verleden niet veranderen, " zegt Tippett. "Alle evenementen, verleden en toekomst, zijn vastgelegd op de vierdimensionale ruimtetijd, en kan niet veranderen.

"Terwijl een object kan interageren met zijn eigen verleden, het kan dat niet doen op een manier die niet in overeenstemming is met zijn eigen geschiedenis, " hij voegt toe.

Tippett vergelijkt het idee met de plot van de film- en tv-serie "12 Monkeys" - het universum zal voorkomen dat je historische gebeurtenissen verandert. Maar, hij geeft toe, we zouden waarschijnlijk geen van deze hypothesen kunnen testen totdat we daadwerkelijk tijdreizen bereiken.

Dat gezegd hebbende, hoewel een leuk idee om over na te denken, het is onwaarschijnlijk dat een wiskundig model in een volledig operationele tijdmachine verandert.

"De nadruk ligt hier op 'wiskundig mogelijk, maar fysiek onwaarschijnlijk. Heel, heel, zeer onwaarschijnlijk, '", besluit Tippett.

Dat is nu interessant

Natuurkundige Stephen Hawking organiseerde ooit een feest voor tijdreizigers. Behalve dat er niemand kwam opdagen. Hawking verzond de uitnodigingen pas nadat de receptie had plaatsgevonden, in de veronderstelling dat de enige mensen die zouden komen degenen zouden zijn die terug in de tijd zouden kunnen reizen.