Optical time travel: proposal for testing Hawking's Chronology Protection Conjecture in an optical analogue

De Tijdmachine in een Doosje

Stel je voor dat je een bericht naar je verleden kon sturen, bijvoorbeeld om jezelf te waarschuwen voor een slecht cijfer of een gemorste kop koffie. In de wereld van films en fictie is dit een standaardonderdeel van avonturenverhalen. Maar in de echte wereld van de wetenschap bevindt tijdreizen zich in een zeer vreemde hoek van de natuurkunde waar twee enorme regelboeken het niet met elkaar eens lijken te zijn. Aan de ene kant heb je Einsteins algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht en het weefsel van ruimte en tijd beschrijft. Verrassend genoeg zegt deze theorie dat als je de ruimte op de juiste manier vervormt, je een lus zou kunnen creëren waarbij je terugkeert naar een eerder moment in de tijd. Het is als een weg die in zichzelf kromt, waardoor je naar een plek kunt rijden die je al eerder hebt bezocht.

Aan de andere kant heb je de kwantummechanica, het regelboek voor de minuscule wereld van atomen en licht. Deze theorie staat bekend om het feit dat ze vaag en onzeker is; dingen zijn niet altijd precies waar ze zouden moeten zijn. Een beroemde natuurkundige genaamd Stephen Hawking stelde een "Chronology Protection Conjecture" voor, wat een chique manier is om te zeggen dat de natuur waarschijnlijk een veiligheidsschakelaar heeft. Hij vermoedde dat hoewel de weg op de kaart misschien bestaat (Relativiteit), de kwantumwereld een enorme verkeersopstopping of explosie zou veroorzaken op het moment dat je probeert eroverheen te rijden, wat tijdreizen effectief verbiedt om het universum veilig te houden. De grote vraag is: is het universum strikt verboden om aan tijdreizen te doen, of is het gewoon heel, heel moeilijk? Dit is het puzzelstuk waar David Bermudez en Ulf Leonhardt besloten aan te werken, niet met een ruimteschip, maar met een zeer slim experiment met behulp van licht.

De Lichtpuls die Achteruit Springt

In dit artikel stellen de auteurs een manier voor om Hawking's idee te testen met een "tijdmachine" die volledig bestaat uit licht en glasvezel. In plaats van een mens die een machine in stapt, stellen zij zich een lichtpuls voor die door een lus van glasvezelkabel reist. Zo werkt hun "tijdmachine":

Stel je een rechte snelweg voor (een glasvezelkabel) met een zijweg die weer in zichzelf terugloopt. Op het punt waar de snelweg de lus ontmoet, bevindt zich een speciaal apparaat genaamd een parametrische versterker. Dit apparaat werkt als een magische verkeersregelaar. Wanneer een lichtpuls de splitsing bereikt, kan de versterker een "tweelingpuls" binnen de lus creëren. Door de manier waarop de lus is opgezet, reist deze tweelingpuls relatief aan de hoofdpuls achteruit in de tijd.

Om dit perfect te laten werken, moet de puls die achteruit reist de splitsing bereiken voordat de oorspronkelijke puls er zelfs maar is. Wanneer ze elkaar ontmoeten, horen ze elkaar perfect uit te doven, zoals een golf die tegen een gat in het water slaat. Het resultaat? De oorspronkelijke puls lijkt te verdwijnen uit het heden en verschijnt opnieuw in het verleden, of liever gezegd, een nieuwe puls verschijnt in de toekomst die lijkt te komen uit het verleden. De auteurs laten zien dat als je genoeg "gain" (versterking) hebt om het natuurlijke verlies van licht in de kabel te overwinnen, dit tijdreisende effect wiskundig mogelijk is. Sterker nog, ze berekenen dat met een bescheiden versterking van 10, de lichtpuls het apparaat kan verlaten voordat hij er überhaupt in gaat, wat een reis terug in de tijd nabootst.

De Kwantum-haken: Waarom het niet zo simpel is

De paper raakt echter snel een groot struikelblok wanneer we overschakelen van "klassiek" licht (perfecte, gladde golven) naar "kwantumlicht" (echt licht bestaande uit fotonen). In de kwantumwereld is niets perfect glad; alles trilt en fluctueert. Dit komt door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat stelt dat je niet alles tegelijk over een deeltje kunt weten.

De auteurs leggen uit dat voor de tijdmachine te werken, de "achterwaartse" puls in de lus een exacte, perfecte kopie moet zijn van de "voorwaartse" puls om deze uit te doven. Maar in de kwantumwereld kun je nooit een perfecte kopie maken vanwege die kleine, onvermijdelijke trillingen. Het vacuüm van de ruimte zelf is vol van deze kleine fluctuaties. Wanneer de versterker probeert het signaal te versterken om tijdreizen mogelijk te maken, versterkt hij niet alleen het signaal; hij versterkt ook de vacuümruis.

Denk eraan als een geheim proberen te fluisteren tegen je eerdere zelf in een drukke, lawaaierige kamer. Als de kamer stil is (klassieke fysica), kun je dat doen. Maar in de kwantumwereld is de kamer gevuld met statische ruis. Hoe meer je je fluistering probeert te versterken om verstaanbaar te zijn, hoe luider de statische ruis wordt. De auteurs ontdekten dat deze "statische ruis" exponentieel groeit. Tegen de tijd dat het licht probeert terug te reizen, is de ruis zo hard dat het de boodschap overstemt. De "tijdmachine" verandert in essentie in een laser die schreeuwt met willekeurige ruis in plaats van een duidelijk signaal te verzenden.

Wat dit betekent voor tijdreizen

Dus, wat is het eindoordeel? Het artikel suggereert dat hoewel het idee van tijdreizen niet strikt onmogelijk is in de vergelijkingen, de realiteit ervan wordt geblokkeerd door kwantumruis.

1. Klassiek versus Kwantum: Als licht een perfecte, klassieke golf zou zijn, zou tijdreizen werken. Je zou een puls terug kunnen sturen, en deze zou helder aankomen. Maar echt licht is kwantum, en het onzekerheidsprincipe zorgt ervoor dat de "achterwaartse" puls nooit perfect gesynchroniseerd kan zijn met de "voorwaartse" puls.
2. Het Laser-effect: De auteurs wijzen erop dat de voorwaarde die nodig is voor tijdreizen (versterking die het verlies overtreft) exact dezelfde voorwaarde is die nodig is om een laser te laten werken. Dit betekent dat de tijdmachine onvermijdelijk zal fungeren als een laser, die vacuümfluctuaties versterkt. Deze instabiliteit is de optische versie van de "explosie" die Hawking voorspelde om tijdrezen te voorkomen.
3. Onvolmaakte Tijdreizen: Het artikel zegt niet dat tijdreizen voor altijd 100% onmogelijk is. Het suggereert dat als je de machine voor een zeer korte tijd laat draaien, de ruis beheersbaar kan zijn. Je zou een "wazige" tijdreiservaring kunnen krijgen waarbij het signaal aanwezig is maar bedekt is met statische ruis. Het is geen perfecte reis naar het verleden, maar een luidruchtige, onvolmaakte reis.

De auteurs concluderen dat hun voorgestelde experiment haalbaar is en in een laboratorium gebouwd kan worden om deze grenzen te testen. Ze beweren niet dat ze een DeLorean hebben gebouwd, maar ze bieden een manier om precies te zien hoe de natuur de remmen op tijdreizen zet. Het universum staat je, zo lijkt het, toe om even in het verleden te gluren, maar het staat erop het beeld te vervagen zodat je niets kunt veranderen. Zoals Hawking beroemd graptte: als tijdreizen gemakkelijk was, zouden we geïnvasseerd worden door toeristen uit de toekomst; het feit dat we dat niet worden, suggereert dat de "ruis" van het universum zijn werk heel goed doet.