"Als iemand een onderzoeksbeurs zou aanvragen om te werken met tijdreizen, zou deze onmiddellijk worden afgewezen, " schrijft de natuurkundige Stephen Hawking in zijn postume boek Korte antwoorden op de grote vragen . Hij had gelijk. Maar hij had ook gelijk dat de vraag of tijdreizen mogelijk is een "zeer serieuze vraag" is die nog steeds wetenschappelijk kan worden benaderd.

Met het argument dat ons huidige begrip het niet kan uitsluiten, Hawking, het lijkt, was voorzichtig optimistisch. Dus waar laat dit ons? We kunnen vandaag geen tijdmachine bouwen, maar kunnen we dat in de toekomst?

Laten we beginnen met onze dagelijkse ervaring. We beschouwen de mogelijkheid om onze vrienden en familie te bellen waar ook ter wereld als vanzelfsprekend om te weten wat ze van plan zijn direct . Maar dit is iets dat we nooit echt kunnen weten. De signalen die hun stemmen en beelden dragen, reizen onbegrijpelijk snel, maar het duurt nog steeds een eindige tijd voordat die signalen ons bereiken.

Ons onvermogen om toegang te krijgen tot het 'nu' van iemand die ver weg is, vormt de kern van Albert Einsteins theorieën over ruimte en tijd.

Lichtsnelheid

Einstein vertelde ons dat ruimte en tijd deel uitmaken van één ding - ruimtetijd - en dat we net zo bereid moeten zijn om over afstanden in de tijd na te denken als over afstanden in de ruimte. Hoe vreemd dit ook mag klinken, we antwoorden graag "ongeveer twee en een half uur", wanneer iemand vraagt ​​hoe ver Birmingham van Londen is. Wat we bedoelen is dat de reis zo lang duurt bij een gemiddelde snelheid van 50 mijl per uur.

wiskundig, onze verklaring komt overeen met te zeggen dat Birmingham ongeveer 200 mijl van Londen ligt. Zoals natuurkundigen Brian Cox en Jeff Forshaw schrijven in hun boek Why does E=mc²?, tijd en afstand "kunnen worden uitgewisseld met iets dat de valuta van een snelheid heeft". Einsteins intellectuele sprong was om te veronderstellen dat de wisselkoers van een tijd naar een afstand in ruimtetijd universeel is - en het is de snelheid van het licht.

De snelheid van het licht is de snelste die een signaal kan reizen, een fundamentele limiet stellen aan hoe snel we kunnen weten wat er elders in het universum gebeurt. Dit geeft ons "causaliteit" - de wet dat effecten altijd moeten komen na hun oorzaken. Het is een serieuze theoretische doorn in het oog van tijdreizende protagonisten. Voor mij is om terug te reizen in de tijd en gebeurtenissen in gang te zetten die mijn geboorte verhinderen, het gevolg (ik) voor de oorzaak (mijn geboorte) te stellen.

Nutsvoorzieningen, als de lichtsnelheid universeel is, we moeten het meten om hetzelfde te zijn - 299, 792, 458 meter per seconde in vacuüm – hoe snel we zelf ook gaan. Einstein realiseerde zich dat het gevolg van het feit dat de snelheid van het licht absoluut is, is dat ruimte en tijd zelf dat niet kunnen zijn. En het blijkt dat bewegende klokken langzamer moeten tikken dan stilstaande.

Hoe sneller je beweegt, hoe langzamer je klok tikt ten opzichte van degene waar je voorbij loopt. Het woord "relatief" is de sleutel:de tijd lijkt normaal voor je voorbij te gaan. Voor iedereen die stilstaat, echter, je zult in slow motion zijn. Als je met de snelheid van het licht zou bewegen, je zou lijken bevroren in de tijd - wat jou betreft, iedereen zou snel vooruit zijn.

Dus wat als we zouden reizen? sneller dan licht, zou de tijd teruglopen zoals sciencefiction ons heeft geleerd?

Helaas, het kost oneindig veel energie om een ​​mens te versnellen tot de lichtsnelheid, laat staan ​​erbuiten. Maar zelfs als we dat zouden kunnen, de tijd zou niet gewoon achteruit lopen. In plaats daarvan, het heeft geen zin meer om over vooruit en achteruit te praten. De wet van causaliteit zou worden geschonden en het begrip oorzaak en gevolg zou zijn betekenis verliezen.

Wormgaten

Einstein vertelde ons ook dat de zwaartekracht een gevolg is van de manier waarop massa ruimte en tijd vervormt. Hoe meer massa we in een gebied van de ruimte persen, hoe meer ruimtetijd wordt vervormd en hoe langzamer de klokken in de buurt tikken. Als we er genoeg massa in persen, ruimtetijd wordt zo kromgetrokken dat zelfs licht niet aan zijn zwaartekracht kan ontsnappen en er ontstaat een zwart gat. En als je de rand van het zwarte gat zou naderen - zijn waarnemingshorizon - zou je klok oneindig langzaam tikken ten opzichte van degenen die er ver van verwijderd zijn.

Dus kunnen we de ruimtetijd precies op de juiste manier vervormen om hem weer op zichzelf te sluiten en terug in de tijd te reizen?

Het antwoord is misschien, en het kromtrekken dat we nodig hebben, is een verplaatsbaar wormgat. Maar we moeten ook regio's met een negatieve energiedichtheid produceren om deze te stabiliseren, en de klassieke fysica van de 19e eeuw verhindert dit. De moderne theorie van de kwantummechanica, echter, misschien niet.

Volgens de kwantummechanica, lege ruimte is niet leeg. In plaats daarvan, het is gevuld met paren deeltjes die in en uit het bestaan ​​springen. Als we een regio kunnen maken waar minder paren in en uit mogen springen dan overal elders, dan zal deze regio een negatieve energiedichtheid hebben.

Echter, het vinden van een consistente theorie die de kwantummechanica combineert met de zwaartekrachttheorie van Einstein blijft een van de grootste uitdagingen in de theoretische fysica. Een kandidaat, snaartheorie (meer bepaald M-theorie) biedt wellicht een andere mogelijkheid.

M-theorie vereist dat ruimtetijd 11 dimensies heeft:die van tijd en drie van ruimte waarin we ons bewegen en nog zeven, onzichtbaar klein opgerold. Kunnen we deze extra ruimtelijke dimensies gebruiken om ruimte en tijd te verkorten? Hawking, minstens, was hoopvol.

Geschiedenis opslaan

Dus is tijdreizen echt een mogelijkheid? Ons huidige begrip kan het niet uitsluiten, maar het antwoord is waarschijnlijk nee.

De theorieën van Einstein slagen er niet in om de structuur van ruimtetijd op ongelooflijk kleine schaal te beschrijven. En hoewel de natuurwetten vaak volledig op gespannen voet staan ​​met onze dagelijkse ervaring, zij zijn altijd zelfconsistent – ​​weinig ruimte latend voor de paradoxen die in overvloed aanwezig zijn als we knoeien met oorzaak en gevolg in sciencefiction's kijk op tijdreizen.

Ondanks zijn speelse optimisme, Hawking erkende dat de onontdekte natuurwetten die op een dag die van Einstein zullen vervangen, kunnen samenzweren om te voorkomen dat grote objecten zoals jij en ik nonchalant (niet causaal) heen en weer door de tijd huppelen. We noemen deze erfenis zijn 'chronologiebeschermingsgissing'.

Of de toekomst tijdmachines in petto heeft of niet, we kunnen ons troosten met de wetenschap dat wanneer we een berg beklimmen of in onze auto's razen, we veranderen hoe de tijd tikt.

Dus, deze "doe alsof je een dag van een tijdreiziger bent" (8 december), onthoud dat je dat al bent, alleen niet op de manier waarop je zou hopen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.