El viaje en el tiempo no se toma más en serio que la imaginación de los escritores de ciencia ficción. De hecho, este es un fenómeno único: la derivación directa de ecuaciones que describen la física de nuestro mundo. Lo que puede hacer realidad estos viajes está en nuestro material.
Nuestra columnista y física Daria Zaremba cree que esforzarse por traducir la idea del viaje en el tiempo a la práctica en la práctica puede contribuir al progreso científico y a los descubrimientos no convencionales. Después de todo, así son las cosas exóticas, nacen los cohetes fotónicos y las nuevas propiedades de los objetos astrofísicos. Ella compiló un diccionario de mecanismos que teóricamente podrían enviar a los humanos a un viaje en el tiempo.
B - Unidad de deformación
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Un warp drive es una tecnología hipotética para viajar al futuro, en la que, debido a la deformación del lienzo del espacio-tiempo, se crea el efecto de movimiento a una velocidad superior a la de la luz.
Imagine que está acostado sobre una alfombra y necesita, sin moverse, estar más allá de su borde frontal. Una posible solución es arrugar el frente de la alfombra debajo de usted y luego tirar de la parte posterior. Aproximadamente lo mismo se puede hacer con la "alfombra" del espacio-tiempo: una nave espacial hipotética impulsada por un motor warp funciona de acuerdo con este principio.
Comprime el espacio frente a él y lo expande detrás, creando la ilusión de movimiento a una velocidad varias veces superior a la de la luz. En este caso, no habrá fuerzas de marea dentro de la nave espacial y la aceleración real será igual a cero.
La tripulación puede beber cócteles con pajitas o incluso relajarse en el burbujeante jacuzzi, mientras que la nave estelar "barrerá" locamente el espacio-tiempo, llevando a los viajeros a las entrañas de la Galaxia.
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Un modelo de máquina del tiempo basado en la tecnología warp drive es la burbuja Alcubierri, que lleva el nombre de su inventor mexicano, Miguel Alcubierri.
Toda la física del viaje al futuro en tal "unidad" se basa en los postulados de la Teoría Especial de la Relatividad, que dice que después de que la burbuja se detiene, la tripulación encontrará el mundo exterior envejecido durante muchos años, porque para ellos el tiempo dentro de la burbuja se ralentizó.
En este caso, no habrá violaciones del principio del carácter absoluto de la velocidad de la luz, porque en este caso, un movimiento más rápido que la luz no significa que la burbuja misma se mueva a esa velocidad, sino que la burbuja llega a su destino más rápido que un rayo de luz que se mueve fuera de la burbuja.
Pero para crear tal efecto de deformación del espacio-tiempo, se requiere una materia especial que exhiba propiedades físicas no convencionales: "materia exótica", que creará una cáscara (burbuja) alrededor de la nave espacial y proporcionará el mismo "rastrillado" del espacio. Si bien no se ha observado ningún progreso en la producción de tal materia, el razonamiento sobre la idoneidad de un mecanismo de deformación en la práctica es bastante limitado.
El mecanismo teórico del impulso warp.
D - Gravedad
Gravedad - en un sentido amplio - una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo, en un sentido estricto - la fuerza que atrae objetos.
El conocido empleado de la oficina de patentes, Albert Einstein, ayudó a abrir las puertas al mundo de la "gestión del tiempo". Para hacer esto, necesitaba establecer solo dos cosas: primero, que el espacio y el tiempo están inextricablemente vinculados, segundo, que los cuerpos masivos con su masa son capaces de deformar este lienzo del espacio-tiempo, creando gravedad.
En otras palabras, Einstein demostró que la Tierra (como otros cuerpos masivos similares), "doblando" el "trampolín" del espacio con su masa (creando órbitas circulares alrededor de sí misma), al mismo tiempo dobla el tiempo, es decir, ralentiza su curso a medida que se acerca. a la superficie (y más profundo).
La naturaleza revolucionaria de esta idea fue que por primera vez ya no se percibía como un valor absoluto en la mecánica clásica. Se encontró que el reloj de pulsera de un minero y un escalador funciona de manera diferente (aunque es imperceptible en tal escala), un hermano gemelo que vive junto al río es más joven (nuevamente, no significativamente) su hermano que vive en una casa en una montaña, y el núcleo de la Tierra es más joven su superficie.
Así, se encontró una manera de ralentizar el tiempo de "uno" y así viajar al futuro, acercándose, por ejemplo, a un cuerpo cuya masa es muchas veces mayor que la masa de la Tierra, para luego regresar al planeta de origen y contemplar el mundo del futuro.
D - Agujero negro
Un agujero negro es un objeto en el espacio que se ha derrumbado bajo la influencia de sus propias fuerzas gravitacionales hasta tal punto que ni siquiera la radiación electromagnética puede escapar de su campo gravitacional.
El mejor objeto para viajar al futuro, si elige el mecanismo gravitacional para influir en el tiempo, es definitivamente un agujero negro.
Para desplazarse por un viaje así, deberá ir al espacio directamente hacia ella. Baje allí con un cable súper fuerte, pero solo para no cruzar el horizonte de eventos - el borde en un agujero negro, seguido de "espaguetificación" - estirando y rasgando todos los objetos que llegaron allí bajo la influencia de la gravedad singular.
Mientras se cuelgue en esta posición, el tiempo se ralentiza. Al mismo tiempo, es completamente imperceptible para usted, porque todo en su marco de referencia se ralentiza: el metabolismo, el reloj biológico, los latidos del corazón, el movimiento de los electrones en los átomos, etc.
Pero si de alguna manera milagrosa pudieras espiar a los terrícolas desde tu agujero negro, ¡entonces te parecería que se están moviendo con una velocidad diez veces mayor! Y ellos, mirándote, pensarían que están viendo un video con efecto de cámara lenta.
Por lo tanto, un día cerca de un agujero negro corresponde a casi tres años de vida en la Tierra (también depende de qué tan cerca esté del horizonte; el tiempo se detiene allí). Y cuando tú, colgando tan poco, regreses a tu planeta de origen, notarás que el mundo es lo suficientemente viejo en tu ausencia. ¡Voila, estás en el futuro!
El mecanismo de viaje hacia el futuro a través del efecto de la dilatación del tiempo cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro. Los conos de la imagen son "conos de luz", la hipersuperficie del espacio-tiempo que limita las áreas del futuro y el pasado en relación con un evento dado. La inclinación del cono demuestra el cambio en el tiempo para el astronauta. Más detalles sobre la estructura del cono de luz en la siguiente imagen:
Cono de luz.
Además de utilizarse como "moderador gravitacional", los agujeros negros giratorios pueden resultar útiles para viajar al pasado. El hecho es que, debido a su campo gravitacional, son capaces de crear las llamadas "curvas cerradas en forma de tiempo", a lo largo de las cuales el viajero puede retroceder en el tiempo.
Pero la “utilidad” de los agujeros negros como máquinas del tiempo tampoco termina ahí. Según el físico y matemático inglés Roger Penrose, algunos agujeros negros, a saber, aquellos con carga o rotación, pueden servir como "puertas" a los universos del futuro.
Según el diagrama de Penrose, más allá del horizonte de eventos, las coordenadas espaciales se intercambian con las temporales.
Lo inusual de los agujeros negros con una carga o con un momento de rotación es que deberían tener dos horizontes de eventos de este tipo. En consecuencia, el reemplazo de coordenadas espaciales y temporales también ocurrirá dos veces.
Resulta que, al saltar a ese agujero, el astronauta primero superará un horizonte de eventos: el punto sin retorno, y luego el segundo, que será seguido por el universo del futuro. Pero es poco probable que se encuentren tales temerarios, por lo que la hipótesis sigue siendo inestable.
Ç - Curva de tiempo cerrada
Una curva cerrada similar al tiempo es una línea del mundo (una curva en el espacio-tiempo que describe el movimiento de un cuerpo) en la estructura del espacio-tiempo, que devuelve un objeto a un evento (un punto en el espacio-tiempo) que ya ha pasado.
ZVK: una de las soluciones matemáticas de la ecuación de la relatividad general. Es este fenómeno físico el que se interpreta con mayor frecuencia como el principal mecanismo de viaje al pasado.
De acuerdo con las ecuaciones gravitacionales, se puede formar una curva cerrada similar al tiempo donde un objeto masivo o un campo gravitacional poderoso se mueve y literalmente "tira" del espacio-tiempo detrás de él. Es por eso que, por ejemplo, solo los agujeros negros giratorios pueden crear ZVK: el campo gravitacional estático no puede formarlos.
Moviéndose por la ZVK, el objeto vuelve a las mismas coordenadas espaciales de las que partió, pero con la hora de llegada antes de su salida. Es decir, realmente hace un viaje al pasado.
L - láser
Un láser (de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) es un dispositivo que emite un haz electromagnético estrecho monocromático intenso de propagación de largo alcance.
Por sus características, el rayo láser tiene una mayor densidad de energía, que incluso puede superar la densidad de energía de una explosión nuclear (con una reducción máxima del ancho del rayo).
El autor de una de las máquinas del tiempo más simples y sofisticadas en implementación es el físico teórico de la Universidad de Connecticut Ronald Mallett.
La idea de crear un dispositivo de este tipo surgió del profesor en la primera infancia, cuando su padre murió inesperadamente de un ataque cardíaco a la edad de 33 años. El profesor ha admitido en repetidas ocasiones que todo lo que ha logrado en el campo de la ciencia se basa en su infinito amor por su padre y el deseo de volver a verlo.
Durante muchos años, Ronald trabajó en su modelo de máquina del tiempo, ocultándolo de sus colegas y "ocultándose detrás" del estudio de los agujeros negros. Y a la edad de unos 70 años logró obtener el resultado deseado.
El modelo de Mallet se basa en la energía de un rayo láser. Y su creación fue facilitada por la ecuación de Einstein más famosa: E = mc2.
De esta fórmula legendaria se deduce que la masa es equivalente a la energía, lo que significa que el lienzo del espacio-tiempo también debe distorsionarse bajo la influencia de altas energías.
Ahora hablemos de la energía de la radiación electromagnética (en sentido estricto: luz). Se transfiere, como saben, por medio de fotones, "porciones" de radiación electromagnética. Estos últimos, a su vez, tienen energía, que se puede calcular mediante una fórmula especial: E = hv, donde h es el coeficiente de proporcionalidad (constante de Planck) y nu es la frecuencia del fotón.
Así, resulta que un haz de luz también puede crear un campo gravitacional, ya que tiene energía. Fue este pensamiento el que sentó las bases de los trabajos científicos de Ronald Mallet.
El científico tomó un potente rayo láser y con la ayuda de un sistema de espejos lo hizo circular en círculo, creando un llamado anillo láser. La idea es que el lienzo del espacio-tiempo dentro de este anillo esté distorsionado, retorciéndose como un remolino.
Observamos aproximadamente lo mismo al remover el té con una cuchara. Debido a estas "manipulaciones", junto con el espacio, el tiempo dentro del anillo se cierra en un bucle, lo que hace posible mover objetos que han entrado en el pasado.
La geometría de la máquina del tiempo de Ronald Mallett.
Según el profesor, dicha unidad podrá enviar mensajes codificados al pasado, transfiriendo partículas en el tiempo. Es cierto que dicho mensaje solo podrá viajar hasta la creación de esta máquina del tiempo: servirá tanto como transmisor como como receptor.
Por lo tanto, será posible, por ejemplo, advertir a personas del pasado sobre desastres inminentes. Con respecto al movimiento de macroobjetos de esta manera, aquí los científicos tendrán, como dicen, sudor.
Pero una máquina del tiempo así también tiene sus "trampas". Por ejemplo, la teoría fue criticada por Allen Everett y Ken Olum por la geometría del espacio-tiempo elegida incorrectamente para la formación de la curva de tiempo cerrada esperada (CTC).
Los científicos también estaban avergonzados por la cantidad de energía requerida: según sus cálculos, para provocar SEC en el espacio-tiempo, el diámetro del anillo láser debe exceder el tamaño del Universo visible. Y aunque Ronald intentó reducir la cantidad de energía requerida disminuyendo la salida de luz de su láser, los rayos lentos resultaron inútiles en el estudio.
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O - energía negativa
La energía negativa es una de las variedades de "materia exótica" (más precisamente - "energía"), obtenida a través del efecto Casimir, que se puede utilizar para viajar al pasado, así como para mantener agujeros de gusano.
De forma simplificada, la "receta" para obtener dicha energía se puede describir de la siguiente manera:
Tome dos platinos metálicos sin cargar y colóquelos al vacío. Juntamos las placas tanto como sea posible, pero para que no se toquen.
Observamos la atracción de los platos entre sí. Esto se debe al hecho de que el vacío en realidad tiene energía - aunque no contiene partículas familiares para nosotros, pares de partículas virtuales y antipartículas surgen constantemente y se aniquilan (se aniquilan mutuamente) en él.
Estos procesos generan presión. Pero debido a que dejamos un pequeño espacio entre las placas, la concentración de partículas de antipartículas allí es mucho menor que en el espacio circundante. Por lo tanto, una presión más fuerte desde el exterior comienza a acercar las placas.
Mientras se jalan, las placas reducen la energía de vacío entre ellas por debajo del punto cero normal, creando así un espacio de energía negativa.
Efecto Casimir.
El fenómeno de aparición de energía negativa como resultado de tal experimento se llama efecto Casimir, en honor al físico holandés Hendrik Casimir. Tal energía puede potencialmente causar la curvatura del espacio-tiempo necesaria para viajar al pasado.
Sin embargo, la cantidad de energía negativa generada de esta manera es insignificante en comparación con la cantidad que se necesita para el efecto de deformación adecuado. Pero, como señalan los científicos, el desarrollo de un mecanismo ya es un buen progreso.
R - Efectos relativistas
Los efectos relativistas son fenómenos físicos que se observan cuando un objeto se mueve a velocidades cercanas a la de la luz. Son objeto de estudio en la mecánica relativista basada en la Teoría especial de la relatividad.
Entre todos los efectos relativistas, como un aumento de masa, una disminución de la longitud de un objeto, el más interesante y práctico, desde el punto de vista del uso en el viaje en el tiempo, es el efecto de dilatación del tiempo.
Según la Teoría Especial de la Relatividad, para un cuerpo que se mueve a una velocidad comparable a la de la luz, el tiempo se ralentiza en relación con los cuerpos en reposo.
Esta teoría encontró su confirmación experimental en 1971, cuando dos físicos desesperados, Hafele y Keating, volaron alrededor del mundo dos veces con cuatro relojes atómicos a bordo. Al aterrizar, descubrieron que la guardia de viaje se estaba quedando atrás de las horas restantes en el Observatorio Naval de los Estados Unidos.
Como oportunidad de viaje en el tiempo, podría verse así. Digamos que ha encontrado una manera de acelerar su nave espacial al 99,5 por ciento de la velocidad de la luz. En este caso, puede llegar a una de las estrellas más cercanas en, digamos, un minuto. Pasarán cuatro años en la Tierra.
Por lo tanto, en el camino de ida y vuelta, pasará dos minutos de su tiempo subjetivo, debido al efecto de la dilatación del tiempo en la nave, y cuando regrese a la Tierra, la encontrará ocho años más vieja.
Por cierto, bendiga al gran Einstein cada vez que busque una hamburguesería cercana en mapas en línea: si los satélites GPS no tuvieran en cuenta estas desaceleraciones de velocidad del tiempo (y se mueven a una velocidad orbital de 14.000 km / h), el marcador de la ubicación que necesita se mostraría con un error de kilómetro. …
Sin embargo, acelerar a una velocidad cercana a la de la luz no es una tarea fácil. Einstein estableció que la velocidad de la luz es la máxima velocidad de movimiento posible y solo se puede lograr con algo sin masa. Cuanto mayor sea la masa de un objeto, es menos probable que alcance la velocidad cercana a la de la luz.
Una de las razones de esto es el colosal aumento de masa al alcanzar velocidades cercanas a la de la luz. Por eso, por ejemplo, los fotones, partículas de luz que no tienen masa en reposo, pueden moverse con tal velocidad.
Aunque hoy en día existen ideas para la creación de los llamados cohetes fotónicos (como el cohete del profesor noruego Haug), la aceleración a tales velocidades es incompatible con la vida de la tripulación debido a sobrecargas excesivas. Entonces, por ahora, estamos hablando de esta forma de viajar al futuro solo en teoría.
H - Agujero de gusano
Un agujero de gusano, o agujero de gusano, es un pasaje teórico en la estructura del espacio-tiempo que conecta dos eventos distantes (puntos en el espacio-tiempo) en el universo.
Los agujeros de gusano son como agujeros negros atravesables. También tienen un horizonte de eventos, pero solo después de atravesarlo no te desgarra bajo la influencia de la fuerte gravedad, sino que solo "escupe" desde el lado opuesto, ya en otro punto del espacio-tiempo (lo principal es no confundir un agujero negro con un lunar, de lo contrario, en lugar de viajar a otro hora en que te moverás "al otro mundo").
Tales entradas y salidas se llaman bocas y están conectadas por un túnel de garganta que atraviesa el Universo. Un agujero de gusano puede conectar eventos pasados y futuros.
Existe la suposición de que todo nuestro Universo está sembrado de agujeros de gusano. Solo que ahora existen en forma de "espuma cuántica" a niveles increíblemente microscópicos: son tantas veces más pequeñas que el núcleo atómico, tanto como el núcleo es más pequeño que el planeta Tierra (estamos hablando de la llamada espuma del espacio-tiempo de John Wheeler).
Y existe la hipótesis de que en el proceso de expansión del universo, estos agujeros de gusano microscópicos podrían haber aumentado a un tamaño notable.
Los científicos también sugieren que los agujeros negros pueden ser la "boca de entrada" de algunos agujeros de gusano. Según el famoso astrofísico-teórico y cosmólogo Igor Novikov, los núcleos de algunas galaxias pueden no ser agujeros negros supermasivos, sino la entrada a un agujero de gusano.
Por eso, como señala el profesor, al buscar agujeros de gusano, primero se debe mirar el centro de la galaxia. Según el científico, es muy posible que algunos agujeros de gusano puedan conectar eventos (puntos en el espacio-tiempo) de dos universos diferentes.
El problema con un agujero de gusano, sin embargo, es que colapsa antes de que cualquier cosa pueda atravesarlo. Y para que un agujero de gusano sea transitable y más o menos estable, se necesita un campo con densidad de energía negativa, que mantenga la boca abierta.
La antigravedad creada por dicha materia actuará contra las fuerzas de la gravedad ("exprimiendo") del agujero de gusano, y así será posible forzarlo a permanecer en un estado pasable por más tiempo, y al mismo tiempo aumentar su tamaño.
El popular físico y astrónomo estadounidense Kip Thorne propuso un mecanismo para mantener un agujero de gusano colocando placas conductoras paralelas en lados opuestos del mismo.
Esto, según el efecto Casimir, creará energía negativa en ambos lados, lo que evitará que la madriguera se derrumbe. Al mismo tiempo, bajo la influencia de la energía negativa, el agujero de gusano se expandirá, lo cual es muy útil si estás acostumbrado a viajar en el tiempo en una impresionante nave espacial (continuando la hipótesis de Thorne, el astrofísico de la Universidad de Cambridge Luke Butcher propuso una forma más efectiva de crear energía negativa dentro de un agujero de gusano generando su mismo agujero de gusano, sin el uso de placas).
Sin embargo, las cantidades de esta energía negativa para mantener un agujero de gusano deben ser enormes. Al mismo tiempo, los cálculos muestran que este número tiene su propio límite, lo que tranquiliza un poco a los escritores de ciencia ficción.
Modelado por Kip Thorn de la apariencia de la boca de un agujero de gusano en función de su longitud y lente.
E - Materia exótica
La materia exótica es materia que de una u otra forma se diferencia de la clásica y tiene propiedades “exóticas”. Esto se considerará materia que tiene una masa negativa, o que es capaz de moverse con velocidad superluminal, o que consta de partículas distintas de los bariones habituales (es decir, protones y neutrones), como la materia oscura, por ejemplo.
En la teoría del viaje en el tiempo, la materia exótica juega uno de los papeles clave en la realización de viajes al pasado. Los teóricos dicen que si se crea o descubre una sustancia exótica que puede deformar el espacio-tiempo de una manera poco convencional, se puede formar un bucle de tiempo en la estructura del continuo espacio-tiempo, adecuado para retroceder en el tiempo.
Esto lo demuestra, por ejemplo, el autor de uno de los modelos matemáticos más precisos de la máquina del tiempo: dominios retrógrados acausales transversales en el espacio-tiempo (TARDIS), el matemático y físico canadiense Ben Tippett:
“El efecto de curvatura del espacio-tiempo con el que estamos más familiarizados es la gravedad: nos empuja hacia el centro de la Tierra y los planetas hacia el Sol.
Pero en la teoría de Einstein, la curvatura del espacio-tiempo puede generar muchos efectos más diversos: los cuerpos masivos en rotación tiran de los objetos cercanos en la dirección de su rotación; El universo se expande rápidamente; los objetos masivos pueden causar ondas gravitacionales medidas recientemente por el observatorio de Ligo”, señala el científico.
Según él, la teoría de Einstein le permite conectar diferentes tipos de curvatura del espacio-tiempo con una naturaleza diferente de la materia involucrada. "Nuestra geometría del espacio-tiempo fue diseñada para permitir el viaje en el tiempo, y la ecuación de Einstein nos dice el tipo de materia que doblará el universo de esta manera con su peso: materia exótica en particular".
Entonces, según el modelo de Tippet, la máquina del tiempo debería ser algo así como una "caja" (una estructura físicamente tangible) rodeada de materia exótica.
Además, la densidad de energía negativa debería impartir "exotismo" a esta materia: en otras palabras, debería crear algo así como un campo antigravitacional y doblar el espacio-tiempo de una manera inusual para nosotros, de modo que la línea del tiempo se cierre en un anillo, formando una curva cerrada similar al tiempo.
El movimiento TARDIS de Ben Tippett en el espacio-tiempo - a lo largo de una curva cerrada en forma de tiempo.
“Basta con distribuirlo en el exterior de la 'máquina', y el universo se doblará como se desee en respuesta a su presencia”, explica Ben.
Ben presentó todos los cálculos que prueban la posibilidad de crear tal máquina del tiempo en su artículo publicado el 31 de marzo de 2017 en la revista Classical and Quantum Gravity.
También se necesita materia exótica con propiedades antigravedad para mantener la permeabilidad de los agujeros de gusano. Hoy en día, se considera que el tipo de materia exótica más adecuado es la energía negativa generada por efecto Casimir.
¿El viaje en el tiempo no te parece tan fantástico? En el próximo artículo de Daria Zaremba, lea sobre lo que impide a la humanidad soñar con estos desplazamientos, sobre cómo refutar los experimentos mentales, las paradojas de los viajes al pasado y sus soluciones.
Daria Zaremba
