Călătoria în timp ar putea deveni realitate. O demonstrație matematică schimbă perspectiva

Călătoria în timp ar putea avea o limitare fundamentală, potrivit unei cercetări realizate de un fizician din China. Hongsheng Zhang, cercetător la Universitatea din Jinan, a analizat condițiile geometrice care ar împiedica întoarcerea în trecut. Demonstrația sa arată că anumite structuri ale spațiu-timpului permit deplasarea doar într-o singură direcție temporală. Studiul identifică însă și două situații teoretice în care această restricție ar putea fi ocolită.

Călătoria în timp spre trecut ar putea fi interzisă de geometria universului

Călătoria în timp reprezintă una dintre problemele fundamentale ale fizicii teoretice, iar o nouă demonstrație matematică analizează posibilitatea revenirii în trecut.

Hongsheng Zhang, cercetător la Universitatea din Jinan, China, a formulat un argument matematic de numai trei rânduri. Acesta arată că întoarcerea în propriul trecut este imposibilă într-o categorie extinsă de modele teoretice ale universului.

Potrivit Euronews, demonstrația pornește de la modul în care lumina se propagă prin spațiu-timp. Cercetătorul analizează situațiile în care acesta poate fi împărțit în suprafețe asociate propagării luminii.

Principiul central al demonstrației este că direcția temporală a unui călător nu poate fi tangentă la aceste suprafețe.

„Lumina nu poate fi niciodată orientată lateral față de direcția în timp a unui călător”, spune Zhang.

Pentru explicarea fenomenului, spațiu-timpul poate fi imaginat ca o succesiune de straturi prin care se propagă lumina.

Un obiect care se deplasează cu o viteză inferioară celei a luminii trebuie să traverseze aceste suprafețe într-o direcție determinată. Mișcarea seamănă cu urcarea unei scări pe care nu este posibilă coborârea.

Dacă fiecare treaptă trebuie parcursă în aceeași direcție, revenirea la punctul temporal inițial devine imposibilă.

Demonstrația nu stabilește însă că toate formele imaginabile de călătorie temporală sunt excluse. Ea identifică proprietățile geometrice care împiedică formarea unor trasee închise în timp.

„Lucrarea mea pune o întrebare mai restrânsă: când permite spațiu-timpul o astfel de buclă și când o interzice însăși geometria lui?”, a declarat Zhang.

Două situații teoretice ar putea permite întoarcerea în trecut

Fizicienii folosesc expresia „curbe temporale închise” pentru a descrie traseele care revin la același punct din spațiu-timp. Acestea ar permite, teoretic, unui călător să ajungă în propriul trecut.

Pentru ca o asemenea călătorie să fie posibilă, traiectoria ar trebui să formeze o buclă fără depășirea vitezei luminii.

„Să presupunem că ați vrea să dați mâna cu varianta mai tânără a dumneavoastră”, spune Zhang. „Pentru asta, ați avea nevoie de un traseu prin spațiu-timp care se închide în buclă, fără să depășească niciodată viteza luminii”.

Ecuațiile relativității generale formulate de Albert Einstein admit existența unor asemenea traiectorii în anumite soluții matematice. Un exemplu îl reprezintă regiunile interioare ale găurilor negre aflate în rotație.

Cercetarea lui Zhang, transmisă pentru evaluare colegială, identifică două situații în care argumentul său matematic nu mai exclude asemenea trasee.

Prima implică torsiunea, adică răsucirea direcțiilor de propagare a luminii.

În loc să se deplaseze paralel, razele luminoase pot urma traiectorii care se răsucesc unele în jurul celorlalte. Fenomenul poate fi comparat cu firele unei frânghii.

În aceste condiții, suprafețele ordonate de lumină necesare demonstrației nu mai pot fi construite. Prin urmare, restricția geometrică identificată de cercetător nu mai poate fi aplicată.

Găurile negre aflate în rotație pot permite bucle temporale în anumite modele matematice

Găurile negre aflate în rotație oferă un exemplu teoretic al modului în care structura spațiu-timpului poate deveni extrem de complexă.

Potrivit relativității generale, rotația unei mase produce un fenomen cunoscut drept antrenarea spațiu-timpului. În apropierea unor regiuni extreme, efectul poate modifica semnificativ traiectoriile posibile.

În anumite soluții matematice care descriu interiorul găurilor negre rotative, direcțiile temporale pot forma bucle.

Un observator care ar urma o asemenea traiectorie și-ar vedea propriul ceas funcționând normal. Totuși, traseul său l-ar putea readuce la momentul temporal inițial.

Fizicianul Brandon Carter a demonstrat în 1968 existența unor asemenea curbe temporale închise în soluția matematică asociată găurilor negre aflate în rotație.

Această posibilitate matematică nu reprezintă însă dovada că asemenea călătorii pot fi realizate fizic.

Zhang precizează că simpla existență a torsiunii nu determină automat apariția unei bucle temporale.

„Torsiunea, de una singură, nu creează o curbă închisă. Doar îmi blochează argumentul”, spune Zhang. „Torsiunea este peste tot în univers și, din câte știm, este inofensivă”.

Forma universului ar putea reprezenta a doua posibilitate teoretică

A doua situație analizată de Hongsheng Zhang privește topologia spațiu-timpului, respectiv modul în care acesta este conectat la scară globală.

Chiar dacă structura locală permite o succesiune ordonată a momentelor temporale, configurația globală ar putea produce un rezultat diferit.

Fenomenul poate fi ilustrat printr-o scară care urcă permanent, dar revine în cele din urmă la prima treaptă.

O asemenea construcție amintește de scările imposibile reprezentate în lucrările artistului M. C. Escher.

În acest scenariu, un călător ar continua să înainteze pe propriul traseu temporal, dar ar ajunge înapoi la punctul inițial.

Numeroase modele teoretice ale mașinilor timpului folosesc proprietăți topologice neobișnuite. Printre acestea se numără și scenariile care implică găuri de vierme.

Aceste structuri ipotetice ar putea conecta regiuni diferite ale spațiu-timpului, în anumite condiții matematice.

Zhang consideră că topologia reprezintă una dintre direcțiile care merită investigate în continuare.

„Portița care ar putea conta este topologia, și este exact cea care pare cel mai puțin probabil să apară fără o inginerie deliberată”, spune Zhang.

Călătoria în timp spre viitor este susținută de teoria relativității

Călătoria în timp spre viitor are o fundamentare fizică diferită de scenariile privind întoarcerea în trecut. Efectele relativiste asupra trecerii timpului au fost demonstrate experimental.

Albert Einstein a arătat că timpul nu trece identic pentru toți observatorii. Ritmul său depinde de viteza relativă și de intensitatea câmpului gravitațional.

Un obiect care se deplasează cu o viteză foarte mare poate experimenta o trecere mai lentă a timpului. Diferența apare atunci când durata este comparată cu cea măsurată de un alt observator.

Un efect asemănător este produs de gravitație. Ceasurile aflate în câmpuri gravitaționale diferite pot măsura intervale de timp diferite.

Aceste fenomene sunt cunoscute sub denumirea de dilatare a timpului.

Potrivit Agenției Spațiale Europene, astronauții care petrec șase luni la bordul Stației Spațiale Internaționale experimentează o diferență temporală foarte mică.

La întoarcerea pe Pământ, aceștia sunt cu aproximativ cinci miimi de secundă mai tineri decât ar fi fost în alte condiții.

Diferența rezultă din efectele relativiste asociate vitezei orbitale și câmpului gravitațional.

În cazul cercetării sale, Zhang subliniază că demonstrația matematică nu exclude toate scenariile posibile privind deplasarea temporală.

„Aceasta nu este o afirmație că o călătorie în timp este imposibilă”, spune el.