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FRACTAL Dr.SAKAI の科学ブログ

タイムトラベル 11の理論とその方法

こんにちは。 最近ではタイムリープの実験を行っていたりするわけですが。

タイムリープとタイムマシンの違いご存知ですか?

タイムマシンとは タイムマシンとは一般的に物体を違う時間に転送する装置です。 2016念1月現在、公式にタイムマシン発明成功の発表はありません。

タイムマシンを制作するにあたって現在は11の理論があります。

 

01 「中性子星理論」

中性子星」は、太陽より比較的重い恒星が寿命を迎えた時に生じる高密度の星のこと。太陽をはじめとする恒星(夜光る星のほとんど)は軽い元素が衝突で重い元素へと変わっていく過程でエネルギーを放出する核融合反応で光っている。しかし寿命が尽きると、鉄のような重い元素ばかりが貯まって核融合反応が起きにくくなる。

軽い星はそうした金属が残って静かに冷えてゆくが、重い星では「自分の重量で重力が大きくなる」→「重力でもっと自分を締め付ける」→「さらに重力が大きくなる」→ という無限ループに陥り、最終的に巨大な爆発を起こす(超新星爆発)。

その後はあらゆる元素が重力で潰れてしまい、原子よりも小さくて結合力の非常に強い素粒子中性子」しか残っていない。  この上では地球はおろか、太陽をも超える非常に強い重力が働く。「アインシュタイン一般相対性理論」では「重力が働く場所では時間の進みが遅くなる」とされており、非常に強い重力のために時間がゆっくり経過する。もし中性子星の上でしばらく生活することができれば、外の世界では中の数倍~数百倍の時間が経過しており、一種の未来へのタイムトラベルが成立する(例:1時間いたはずが20年過ぎている)。 (なお、重力による時間のひずみは地球でも起きている。位置情報システムGPSでは人工衛星に正確な原子時計を積でいるが、地球から離れている衛星の中では地上より重力が弱いため時間は早く経過し、人工衛星内の原子時計は地上の電子時計より進んでしまう。時間がずれると正確な位置情報が得られずGPSは正常に働かないため、時間のずれを計算で補正して運用している。)

(反論)中性子星の周りの表面重力は強すぎる(地球の約1000億倍)ため、何も考えずに近づくとその超重力と潮汐力によってプチっと潰れて、それこそゲル状になって表面にドロリと流れることになるだろう。また、中性子星は重力が強いだけでなく強烈な磁気と電磁波を放出するため、よっぽど強力な遮蔽手段が無い限り接近は難しい。 また、地球に最も近い中性子星でも200光年と結構な距離があるため利用は難しいと見られる。もちろん今後もっと地球に近いものが発見される可能性がないわけではないが、そのときは太陽系や地球に与える影響(おもに宇宙放射線による被曝)は少なくないだろう。  もし中性子だけで球殻状の構造物をつくることができれば、中に入った人間は全方向から均等に重力を受けるため、潰れることなくまるで無重力状態のように中で浮かびながら時間の経過を待つことができるだろう。

ただし、そんなものをどうやって作るか、どうやって潰されずに中に入るのかという問題もあり、これまたハードルが高い。

 

02 「ブラックホール理論」

ブラックホール」は中性子星の場合よりさらに質量が大きい恒星が寿命を迎えた後に生成されるとみられる天体であり、自分の重力が大きすぎて全てが潰れてしまったものをいう。ブラックホールはその強大な重力で光すら吸い込み、絶対に逃すことはない。

その表側にある領域「事象の地平面(イベント・ホライゾン)」を超えた先の密度無限大になる一点「特異点」では既存の物理法則が適用できない。

その周りではタイムトラベルが可能な時空構造を実現する可能性がある。 代表的なものとしては、アインシュタイン方程式の「カー解」から予測される、回転するブラックホールでの「閉じた時間線(Closed Timeline Curve/CTC/時間的閉曲線)」がある。

アインシュタイン方程式」は宇宙における重力の役割を記述し、星の成長から宇宙の死まであらゆる重力関連現象を規定する重要な式であるが、その解の中に、「過去に戻るループ」を許容するものが存在することが数学者クルト・ゲーデルによって示された。この場合物体はある軌道をめぐって過去の同じ地点に戻ってくるという不可思議な現象をおこす。これは一種の過去へのタイムトラベルである。

ほとんどの物理学者は「そんな解は現実世界ではありえない」として無視したが、いくつかの事例でこの閉じた時間線が生じる可能性のある現象(例:宇宙が回転している場合に生じるゲーデル解)が出てきており、カー・ブラックホールもそのひとつ。 実際にブラックホールを「扱う」のであれば、回転に加えて電荷も持つ「カー・ニューマン解」によるブラックホール(カー・ニューマン・ブラックホール)のほうが電磁場で制御できるため使い勝手がいいとされる。

ブラックホール」についてはキーワード項目も詳しいのでそちらも参考に。

(反論)ブラックホールに接近するためには中性子星以上の超重力(と重力の変異や潮汐力)に耐える必要があり、より現実的でない。

通常の物体は潮汐力のもたらす「スパゲッティ化現象」で引き伸ばされて粒子レベルまで分解される可能性が高い。超巨大なブラックホールでは潮汐力は弱くなるため生き延びる可能性は増えると推測されている。 ただ、基本的に「事象の地平面」に入った物体は外に出てくることは光ですら不可能である。

そして吸い込まれたあと、吸い込まれた対象がどうなるかはまったく未知である。よく言われるブラックホールの対となる出口:ホワイトホールは出て来た物質が出口にたまってブラックホール化してしまうので存在可能性は限りなく低いとされ、いったい吸い込まれた物体が持っていた情報がどこへ消えるのか?という疑問はまだ完全に解決されていない。

一説には、 現象としては一瞬で吸い込まれて死亡する。 それを外から観測すると、事象の地平面に近づくにつれてスピードが遅くなり、最後には永久に静止しているように見える。 吸い込まれた張本人から見ると、強力な重力で主観時間が無限に引き延ばされるため、身動きもとれず死ぬこともできないまま永久に事象の地平面に囚われ続ける。 ということになるのではないか…と言われている。

こればっかりは実際に飲み込まれてみるしかない。そのうち考えるのをやめた、となれるぐらいの体力と精神力があればよいのだが。 ただし、この「主観時間が無限に引き延ばされる」という部分には疑問の余地が大いにある。

主観者自身はその場所の時間の流れの中にいるわけで、仮に外から観測すると永久に停止しているように見えたとしても主観時間は通常と変わりはないはずである。(仮に主観者の10秒が外の観測者の五十年にあたる条件だとする。外の観測者から見ると主観者はほぼ停止しているように見えるだろうが、主観者がその場所で過ごす主観時間は10秒だけである。10秒の間に五十年の主観時間を過ごすことにはならない。) CERNによって高エネルギーの素粒子衝突などから超小型のブラックホールを地球上で生成するという案もあるが、発生する「マイクロブラックホール(MBH)」はできたとしても「外に出てくる(輻射)エネルギー」が「吸い込んで得るエネルギー」より多く、すぐ消滅する可能性が指摘されている。

よく言われるように発生後ただちに地球を吸い込むように成長するのは難しいとみられる。 閉じた時間線が実在するかという問題に関しては、今のところ存在が確認されていない。

理論物理学者スティーブン・ホーキング博士は「閉じた時間線は場のエネルギー密度が無限大になり存在できない」という「時間順序保護仮説」を立てている。  

 

03 「光速理論」

移動速度が光速度(秒速30万キロ)に近づくと、「アインシュタイン特殊相対性理論」に基づき時間がゆっくり進むようになる(ローレンツ収縮)。

光速に達することができれば、内部での時間は停止する。そして光速を超えた場合、時間は過去に向かって逆行するとみられる。

SF作品においてはこの時間の遅れが「ウラシマ効果」と呼ばれる場合がある。

宇宙船で高速移動を経験した乗員が地球に戻ると、数百年の時が経過していて知り合いは皆死んでいた…といった具合。一種の未来へのタイムトラベルである。

この時間の遅れの発生も実験的に実証されている。そのままでは数百メートル飛ぶうちに分裂してしまうような寿命の短い粒子が宇宙から地球上に数100km飛んで観測されるのは、時間の遅れで粒子の寿命が延びるためである。

また、旅客機に乗せて移動させた精密な原子時計も遅れが確認されている。 (前述の一般相対性理論の例として人工衛星の時計は進むとしたが、実は特殊相対性理論もこれに絡んでいる。秒速約4kmという高速で動いている人工衛星の時計は特殊相対性理論の影響だけを見ると地上よりも遅れる。

ただし、人工衛星においては「一般相対性理論による時間の進み」のほうが「特殊相対性理論による時間の遅れ」より大きいため、人工衛星の時計は進むことになる。この両方の影響をきちんと補正しないと、GPSは運用できない。)

(反論)特殊相対性理論では「情報が伝わる速度の最高値は光速であり、それ以上の速度に加速することは出来ない」としている。

また特殊相対性理論によれば物体の速度が光速に近づくにつれ時間の伸びとともに同時に質量が増大・長さの収縮も起こるため、正の質量がある物体は光速に達することは出来ないことが実験的にも証明されている。

どれだけ強力なエンジンが開発されても、スピードが光速に近づけば近づくほど質量が増加するので加速効率が落ちていき光速には達しない、ということになる。

光速に近い加速が可能な手段があれば「若いまま未来に行くこと」は出来るようになる。ただし光速を超えることができない以上、過去に行くことは不可能である。 ちなみに光の粒子(光子)が高エネルギー状態などで光速を超えて移動する可能性を示唆する「光速変動理論」が一部で提唱されていたが、2011年に香港の研究グループが厳密な測定により「光子が光速を超えることはない」こと、つまりアインシュタインが提唱していた「光速度不変則」を証明した、と発表した。

このニュースは「タイムトラベルは不可能と証明」というタイトルで紹介されて話題になった。ただし以下にも示すように、光速が絡まないタイムトラベル理論はいくつもある。

 

04 「タキオン理論」

先の「光速理論」の延長上。もし光の速度を超える粒子が存在するとすれば、特殊相対性理論に基づき質量が「虚数」という存在が仮定される。

このような粒子を「タキオン」と呼ぶ。

逆に光速以下でしか運動できない一般的な粒子を区別してターディオンと呼ぶ。

もしタキオンが存在しかつ利用できるなら時間を逆行するため、過去への通信に利用できる可能性がある。

なお、一部健康関連商品で「タキオン含有」なるものが売られているが、タキオンは理論上超光速で動き続けなければならず止まっていることはないので、まずウソだと思った方がよい。そもそも、タキオンの観測とか収拾ができたら絶対にノーベル賞が狙えるはず。

(反論)そのような粒子は未だ観測されておらず、また観測できると因果律の原則に触れるため観測できる可能性はないと見られている。

タキオンによる超光速の効果が因果律に影響を与えないとする「再解釈理論」も物理学者から提案されている。  

そもそも、「虚数の質量」とはローレンツ収縮の式内に含まれる速度の項vに光速c以上の値を代入したときに出てくる値だが、物理的に何を指すのか分かっていない。

なお、2011年にヨーロッパ・アメリカ・日本などの共同研究チームが、欧州原子核研究機構・CERNの施設(スイス)で生成した貫通性の高い素粒子ニュートリノを地中に飛ばし、イタリアの施設で検出する「OPERA実験」の際に同じ距離を光が通過した場合よりも60ナノ秒早いタイミングで検出されるという謎の現象を発見。

ニュートリノは日本の研究施設・スーパーカミオカンデなどの実験により正の質量をもつことが判明しているため、タキオンですらない正質量粒子が超光速などありえないと大騒ぎになった。

このことはセンセーショナルに世界中で報道され、日本でもNHK等が通常のニュース番組で報道したため一般にも広く知られることとなった。

最終的に、実験中厳密に時間を計測するために使用していたGPS衛星からの信号と時計を同期させる装置の間のケーブルに緩みがあったことがによる時間のズレが確認され、超光速ニュートリノの存在は否定された。  

 

05 「ワームホール理論」

時空構造の位相幾何学の中で、時空の二か所を任意につなぐ「時空の虫食い穴」の存在が想定されており、これを「ワームホール」という。

これを用いれば、空間の2か所をつなげて瞬間移動する「ワープ」が実現する可能性がある。 理論物理学者キップ・ソーンはワームホールの出入り口を光速に近い速度で移動させる(先の「光速理論」に基づく)ことで過去と現代を接続することができると考えた。 

1.まず離れたA地点とB地点をワームホールでつなぐ。

これにより、たとえば午前2時にAからワームホールに入ると同じ時刻、午前2時にB地点から出ることができる。

移動は一瞬であり、同じ時間に接続される。

2.この状態でB地点のワームホールの出入口を光速に近いスピードで移動させ、その後元の位置に戻す。

するとB地点では時間の遅れが発生することになる。

たとえばB地点では時間の遅れが2時間生じたとすれば、A地点で午前6時でも、まだB地点の時計は午前4時である。

※このとき早まってA地点の入口をくぐりたくなるが、ワームホールは同じ時間をつなぐので意味がないことに注意されたい(午前6時にAをくぐっても、出て来たB地点は午前6時である)。

ここで午前6時、A地点にいる人がB地点までワームホールを用いず自力で移動し、1時間後にB地点に到着。B地点の出入口からワームホールを通ってAに戻る、という場合を考える。

B地点は時間が遅れているため、Bに入る時刻は遅れと移動時間を考慮して6+1-2=5で午前5時である。

先に述べたようにワームホールの移動では同じ地点が同じ時間で接続されているため、B地点で午前5時に入ったとすれば、ワームホールを抜けた先のA地点の時刻も5時であり、「午前6時にAを出たのに午前5時のAに戻った」となって過去へのタイムトラベルが成立する。

もっと過去へ戻りたければ、もっとワームホールの移動速度を増加させて時間の遅れを大きくしてやればよい。

やろうと思えば100年分でも1000年分でも繋ぐことは可能(その間ずっとワームホールとその出入り口を保持できれば、だが)。

なお、この過去へのタイムトラベルでは、ワームホールができる前の時代に戻ることはできない。

(反論)

ワームホールは微小(大きくても素粒子サイズ)かつ不安定で、生じてもすぐに崩壊してしまうとみられる。これを保持するためには下記のエキゾチック物質が必要となる。 また、先のタイムトラベルも、ホーキング博士は移動過程とウラシマ効果で時間の遅れが相殺されるので意味がない(過去にはたどり着かない。先の場合はワームホールをくぐっても結局午前7時のAにつくだけ)と主張している。

ただ、これもワームホールの実在やその性質が分からない以上推測にすぎない。  

 

06 「エキゾチック物質理論」

「エキゾチック物質」は負のエネルギーと質量を持つ物質であり、これをワームホールの中へ入れてやることで微小かつ不安定なワームホールを安定化させ、物体や情報を通過させることができるとみられる。

(反論)そんな物質は今のところ確認されておらず、またエキゾチック物質それ自身が不安定であるとみられる。後に述べるように、現在の物理学では負のエネルギーの存在は認められていない。  

 

07 「宇宙ひも理論」

物理学者リチャード・ゴットが考案。

宇宙ひもとは無限の長さを持つ素粒子ほどのひび割れのことで、宇宙誕生時の「時空の相転移」の際に生じる特殊な領域のこと。

物体が結晶化する時、なりきれなかった部分が欠陥として残ることがある(時空の角度欠損)が、その時空版のようなものである(所謂「ひも理論」「超弦理論」とは関係が無い)。この部分は宇宙である部分と宇宙である部分の隙間であり、そこでは「時間」が存在しない。

宇宙ひもがある部分を通過すると、そこでは時空が歪んでいるため通過時間は0。ワープのように一瞬で長距離を飛び越えたように見える(空間欠損ジャンプ)。

この際、光速を超えた移動が実現する可能性がある。もし2本の宇宙ひもを用意できれば、この超光速移動によって「閉じた時間線」が形成することができ、その周りを周回することで過去へ戻ることができるとみられる。

(反論)無限の長さと莫大な質量をもつ「宇宙ひも」の取り扱い方法が一切不明。むろんまだ発見されていない。  

 

08 「量子重力理論」

重力相互作用(重力)を量子化した新理論が考案されており、これによって一般相対性理論が適用できないブラックホールの事象の地平面内部の理論的解明が進むと考えられる。

これにより一般には存在が許されないとされる「裸の特異点」が存在する可能性も出てくる (特異点は「大きさゼロなのに質量を持ち、密度が無限大」であり、ここでは既存の物理が適用できない。

特異点が外部に出ていると一般相対性理論がその部分だけ破綻してしまうため、基本的に「事象の地平面」の奥に隠ぺいされて観測不能であるとされている これをホーキングの「宇宙検閲官仮説」という。)

(反論)現時点ではまったく未知の理論であり、今後の発展性も不透明。

 

09 「セシウムレーザー光理論」

光速度は一定だが、光の「群速度」は光速を超えることができる。

セシウム原子中の非常に短い距離を、光速の310倍の群速度でレーザー光線を伝える実験が成功している。

(反論)群速度で情報を伝えることはできないとされている。

極端な話、負の群速度(つまり、波と逆方向に進む)や速度ゼロの波も存在できる。そしてこの場合も、信号それ自体の速度は光速より遅いことが示されている。 他にも見かけ上は光速を超える「超光速現象」が知られているが、その多くは情報やモノが実際に移動したわけではないのでタイムトラベルや通信に使用することは出来ない。

(たとえばA地点にいる人間が懐中電灯でB地点を照らす。その後、懐中電灯をつけたままC地点に動かすと光点がBからCへ移動する。

実際にはAからBへ、AからCへそれぞれ光が移動しただけであり、BからCへ移動した物はない。これと同じことが宇宙スケールで発生すると、すさまじい速度で何かが移動したように見えるが、あくまで見かけだけである。

また、「とても長い棒の端をちょっと押せば、反対側も同時に動くから光速を超えるんじゃ?という意見もよく見られるが、実際にはどんな物質も無限に硬いわけではなく歪みが徐々に伝わるので同時に動くことはない)  

 

10 「素粒子リング・レーザー理論」

理論物理学者ロナルド・L・マレットが考案。

複数の高出力レーザーをリング状に配置し冷却した状態でレーザーを照射することで弱い重力場を生じさせる事により、「擬似的なブラックホールの外周」を形成させる。

生じた重力場で「閉じた時間軸」が発生する可能性がある。

(反論)あくまで疑似的なブラックホールであり、本当にブラックホールと同じ物理的特性を持つかは不明である。

実際にそのように動くことはないという反対意見も多い。

特にレーザーで重力場が作れるかという問題にはクリアすべき点がいくつも存在する。

また閉じた時間軸は装置の形成時までしか遡れない(それ以前には存在しないため)。  

 

11 「ディラック反粒子理論」

この宇宙では物体はよりエネルギーが低いところへ移動する

(例:お湯は低い温度に移行して冷める・物はより低い位置へ落ちる)ため、

一般に「負のエネルギー」は存在が認められていない。

もし負のエネルギーを認めると、この世全てのエネルギーが無限に低くなって、宇宙の全てがカチンコチンに凍ってるはずである。

しかし、量子力学の基礎方程式「ディラック方程式」からは負のエネルギーを含む解が出てきてしまう。

そこで、物理学者ポール・ディラックは「真空とは反粒子が隙間なく存在する状態(ディラックの海)である」と主張た)。

物理学者リチャード・ファインマンはこれを拡張。

反粒子は時間を逆行する負のエネルギーを持つ存在であるとしている。

もしそうであれば、タイムトラベルに利用できる可能性が出てくる。 中には、「宇宙には実は電子がただ一個しかなく、宇宙すべての物質はその電子の過去方向や未来方向への写像でしかない」という大胆な仮説もある。

(反論)今では「ディラックの海」を仮定しなくても粒子-反粒子の問題を解けるため、その存在は疑問視される。また、反粒子はいわゆる「反物質」であり、我々を構成する常物質と接触すると「対消滅」と呼ばれる大爆発を起こす。

反粒子をどうやって捉えるのか?そもそも常物質で構成された我々がどうやって反粒子と干渉するのか?未知の部分は尽きない。

 

以上が現在のタイムトラベルの理論です。

上記の通り、現在11の理論が提唱されていますが、中にはほかの理論によって否定されているものもあります。

今後もしかしたら12番目の理論が誕生してタイムトラベルが可能になるかもしれません。しかし同時に13番目の理論によって否定される可能性もあるわけです。

人間が超えられない壁「時間」

いつかは越えてみたいですよね。

「過去にいきたい」だとか「未来を見たい」と誰もは一回は考えます。

ドイツの哲学者ハイデガーの名言「人間は、時間的な存在である」

まさにその通りかもしれませんね。

 

しかしいつかタイムトラベルが可能になることを信じ続けます。

 

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