タイムトラベルの物理学

ブラックホールから始めましょう…

タイムトラベルの物理的な可能性は、ある意味ジレンマです。タイムトラベルに必要な歪んだ時空に囲まれた物体は、その性質上、とてつもなく危険で、無謀な旅行者を必ず引き裂く大渦巻となります。そこで物理学者たちは、確実な死などの厄介な副作用のない、理論的に許容できるタイムマシンを作ろうと努力してきました。彼らの出発点は、ブラックホールです。

ブラックホールは、光も含め、周囲のあらゆるものを吸い込んで放さないことで有名です。しかし、ブラックホールには他の特徴もあります。それは、近くの時空を曲げる方法です。ブラックホールは無限に高密度であるため、時空構造を限界まで引き寄せ、底部に小さな裂け目を含む深い穴を作ります。

この裂け目の向こう側には何があるのか​​、多くの人が疑問に思っている。1935年、アインシュタインと同僚のネイサン・ローゼンは、ブラックホールの小さな裂け目が別のブラックホールの小さな裂け目とつながり、狭い通路、つまり喉部を介して2つの異なる時空部分を結びつけるというシナリオを考案した。当時この概念はアインシュタイン・ローゼン橋と呼ばれていたが、これはブラックホールが自身の鏡像にくっついているように見える。

この橋は、ブラックホールの内部から別のブラックホールへとつながる裏口のようなもので、今日ではワームホールとして知られています。このようなポータルは、理論上は時空をショートカットできる可能性があり、まさにタイムトラベラーが数百万年という時間を騙し取ろうとするときに必要なものです。

次に、ワームホールを変更します…

ワームホールの問題は、チャネルが
2つのブラックホールの間にできる隙間は原子1個分よりも小さく、ほんの一瞬しか開いていません。宇宙で最も速い光でさえ、通り抜けるには時間が足りません。そして、宇宙船がどれだけ頑丈であっても、ブラックホールの巨大な重力によって引き裂かれるのは避けられません。これらの問題やその他の問題のため、アインシュタイン-ローゼン橋は長年、幾何学的な珍奇なもの、架空のタイムトラベラーにさえ決して役に立たない理論上の奇抜なものと考えられてきました。アインシュタインの方程式はワームホールを許容するかもしれませんが、宇宙には確かにそうではありません。しかし、1980年代にカリフォルニア工科大学の物理学者がワームホールをタイムマシンとして使用するより優れた方法を考案したことで、すべてが変わりました。

アインシュタインとローゼンが時空ショートカットの設計者だとすれば、カリフォルニア工科大学のキップ・ソーンはその構造エンジニアだ。ソーンは、アインシュタインとローゼンが残したラフスケッチから出発して、実際に機能するタイムマシンの物理を厳密な数学的用語で説明するアルゴリズムを作成した。もちろん、ソーンのタイムポータルを実際に構築するには、少なくとも数世紀先の技術力が必要になるだろう。しかし、彼の研究は、少なくとも理論上はタイムトラベルが可能だということを証明している。

ソーンの課題は、探査機が通過できるほど長くワームホールの通路、つまり喉を開いたままにする方法を見つけることだった。普通の物質ではだめだ。どんなに頑丈でも、物質でできた足場は時空の圧迫に耐えることはできない。ソーンはブラックホールの圧迫に対抗できる物質を必要としていた。ソーンは反重力を必要としていた。

反重力（負のエネルギーとも呼ばれる）は、通常の物質のように周囲の空間を収縮させるのではなく、空間を押し広げる。理論上は、反重力はワームホールの口の中に配置され、宇宙飛行士、あるいは宇宙船が通過できるほど十分に開くことになる。
反重力は役に立つが、問題はそれを見つけることだ。アインシュタインは1915年に初めて宇宙規模での反重力の存在を仮定し、その推測は80年後に正しいことが証明された。しかし、アインシュタインの反重力はかすかで希薄であり、太平洋にスプーン一杯の砂糖が溶けたようなものだ。ワームホールを開くには、反重力の定期的な奔流が必要だ。

集中した反重力を作り出すための現在最も有力な候補は、カシミール効果と呼ばれるものです。量子力学の奇妙な性質により、髪の毛ほどの幅で離した 2 枚の平らな金属板は、少量の負のエネルギーを生成します。このエネルギーを何倍にも増幅すれば、原理的には通過可能なワームホールを作るのに使用できます。一方、ワームホールが広がることで、近くの重力の強さが弱まり、旅行者が引き裂かれるのを防ぐことができます。

反重力の足場がポータルを開いたままにしておくと、そこを通過する旅行者は遠く離れた場所に現れる。しかし、もちろん、タイムトラベラーは地理的にだけでなく時間的にも旅をしたい。そこでソーンの次のステップは、ワームホールの両側にある 2 つの領域の同期を解除することだった。

これを行うために、彼はアインシュタインの古いトリックを応用した。アインシュタインの特殊相対性理論の主な帰結は、高速で移動する物体の時間は遅くなるということだ。ソーンは、この原理をワームホールを構成する 2 つのブラックホールの 1 つに適用した。ブラックホールの 1 つを (おそらく負のエネルギーの檻の中に閉じ込めるなどして) 捕まえ、光速に近い速度で宇宙を周回することを想像してみてほしい。そのブラックホール、つまりワームホールのその端は、ワームホールの静止端よりもゆっくりと老化する。時が経つにつれて、ブラックホールは非同期になり、2 つの物体はワームホールを通じてつながっていながらも、異なる時代に存在するようになる。ワームホールの静止端に入った探検家は、出発した時よりも何年も早く動いている端から出ることになるので、ワームホールは真のタイム ポータルとなる。

または、低予算で試してみる

タイムトラベルの物理学における最新の進歩は、1991年にプリンストン大学の天体物理学者 J. リチャード ゴット 3 世が、宇宙ひもと呼ばれる仮想の物体によって宇宙飛行士が時間を遡ることができるかもしれないと示唆したことでした。宇宙ひもは、宇宙のごく初期の頃に形成されたと一部の宇宙学者が考える、長くて細い物体です。宇宙ひもは無限に長く、幅は原子 1 個分以下で、密度が非常に高いため、1 本の宇宙ひもを数マイル伸ばすと地球自体の重量を超えます。

ゴットの提案は、宇宙ひもの理想化バージョンに依存している。タイムトラベラーの役に立てるためには、2 本の宇宙ひもが完全に平行でほぼ光速で移動し、高速道路を反対方向に走る 2 台の車のように、すれ違う必要がある。ひもがすれ違うと、これらの高速で移動するフィラメントの影響で時空が大きく歪む。近くの宇宙船で待機している抜け目のないタイムトラベラーは、結合したひもの周りを飛ぶことでこれらの歪みを利用できる。タイミングが正しければ、時空のねじれによって出発前の出発点に戻ることができ、旅は一方通行のタイムトラベルになる。つまり、物理法則によれば、時間旅行は実現可能だが、手配するのはかなり難しい。それは時間の問題かもしれない。