タイムトラベルって、結局できそう?

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  • author Daniel Kolitz - Gizmodo US
  • [原文]
  • 山田ちとら
タイムトラベルって、結局できそう?

よくSF映画に出てくる、あのタイムトラベルってやつ。

21世紀に突入してもうしばらく経ちましたが、まだ実現のメドは立っていません。べつに恐竜をひやかしたり、第二次世界大戦を未然に阻止するために過去へ行きたいわけじゃないんです。数週間前の自分にアホなことをしでかさないよう説教してくるだけで充分。それか、次の何ヶ月間か、何年間かを瞬時にやり過ごして、コロナから完全に解放された輝かしい時代にワープできたらいいのに。

もちろん今はそんなことできません。でも、いつかできるようになるんでしょうか?


遠い未来への行き方はふたつある

Natasha Hurley-Walker(カーティン大学国際電波天文学研究所上級講師)

まずはじめに、当たり前のことを指摘しておきますね。タイムトラベルはすでに可能です。私たちは皆、時間の流れに飲みこまれて容赦なく未来へ、未来へと旅しているのですから

人やモノは、空間においては全方向に自由に移動できますが、時間の流れは常に一方向です。これらの違いがあるにしろ、空間と時間はどちらも「時空」という、かのアインシュタインが100年以上も前に「特殊相対性理論」において打ち出した4次元上のコンセプトと密接に関わっています。特殊相対性理論によれば、あなたが空間を移動するスピードが速ければ速いほど、あなたの時間と静止している観察者の時間との間に誤差が生じます。これがあの「双子のパラドックス」ですね。双子のかたわれが地球に残り、もう一人が光速に近い猛スピードで宇宙旅行に出かけたとします。旅する双子が地球に帰還した時、彼女の時計は地球でお留守番していた双子の時計よりも進んでいないことになります。もし遠い未来へ行って地球の行く末を確認したいのなら、めちゃくちゃ速い宇宙船を開発して地球を一旦離れ、戻ってくればいいだけの話です。

アインシュタインの更なる洞察は、重力が力ではなく、物質による時空のゆがみであると「一般相対性理論」において数学的に導き出したことでした。この理論を極限にまで再現したのが映画『インターステラー』です。物理学的なことはおおむね正しく反映されていて、映画の主人公たちは長きにわたって重力のるつぼにハマっていたために、時間の経過がほかの人よりも遅くなってしまった、という筋書きになっていましたよね。(唯一『インターステラー』に物申したい点は、映画に出てくる科学者たちが几帳面に数式を解いていくよりもヒラメキだの勘だのと直感的な要因から行動したがるところです。あと、1時間ぐらい長すぎたかな。)ですから、遠い未来へ旅するもうひとつの方法として、とんでもない質量を持った物体のそばでちょっと時間を潰せばいいということになります。たとえば、ブラックホールなど。もちろん、これを成し遂げるためには

1) ほかの天体と融合しつつあるブラックホールには近寄らないこと(致死量のガンマ線を浴びたくないかぎりは)、

2) 自分が生きている間にブラックホールに到達し、そこから地球に帰ってくること、

3) ブラックホールの潮汐力に引きちぎられないよう、慎重に軌道を選ぶこと、

この3点が重要になってきますね。言うのは簡単、やるのはそう簡単ではないかもしれません。

ここまでは、冒険心あふれる旅人が二度と会えない友人や家族を地球に残し、たった一人で遠い未来へと旅立つことを想定してきました。ですが、わたしたちが通常タイムトラベルに望んでいるのは時間の中を自由に進んだり、戻ったりすることですよね。相対性理論はここでは役に立ってくれません。時間をさかのぼるということは、光の速さよりもさらに速いスピードで移動することを意味し、その時点であなたの質量は無限大になり爆発してしまうでしょうから(洞察をありがとう、アインシュタイン)。さらに、時間を逆戻りする行為は熱力学の第2法則に反しますから、ありとあらゆる時間のパラドックスに悩まされ、そのパラドックスのせいでひどい頭痛にも悩まされることでしょう。

しかし、物理学というものはそもそも私たちの頭に苦痛を与えることを得意としていますから、そんな頭痛を乗り越えて、ワームホールをくぐり抜けさえすれば光が時間をさかのぼることが理論的に可能になると導き出した勇猛な同僚たちもいることはいます。

個人的には、人間原理に基づいて、こんなことを思うんです。「もしタイムトラベルが可能だったら、すでにタイムトラベルしてきている人がいるはずではないのか?」ってね。タイムトラベルが可能になるかどうかファイナルアンサーが欲しいなら、世間がもうちょっと理論物理学の研究にも資金を投じてくれたらうれしいなって思うのですけれど。

タイムトラベルに関する量子力学的な考察

Seth Lloyd(マサチューセッツ工科大学機械工学・物理学教授)

本当のところ答えはまだ誰にもわかりません。しかし前置きとして、タイムトラベルは物理学の法則とつじつまが合いますし、アインシュタインの一般相対性理論とも矛盾していないことをまずお伝えしておきます。

2008年に、当時取り組んでいた量子コンピューティングの研究がヒントとなり、私はあることに気づきました。量子テレポーテーション、そしてブラックホールに関する量子論を組み合わせれば、量子タイムトラベルが可能になるのではないかと。

量子力学をやっている人は、もしブラックホールに吸い込まれたとしてもボロボロになりつつなんとか脱出する方法はあると考えます。もちろん試してみることはおすすめしませんし、私だってそんなことにチャレンジする最初の人類になりたくありませんから、確かめようがありません。ただ、もしも仮にブラックホールから脱出できるとしたら、その時の速度は光速を超えていることになります。そしてアインシュタインの特殊相対性理論によると、光速よりも速く移動できれば過去に信号を送ることが可能になるのです。

万人にその信憑性を認められている相対性理論がタイムトラベルは可能だとしていること、そしてその相対性理論に量子力学的な考察を交えてもなおタイムトラベルが肯定されることから、やはりタイムトラベルは理論的に可能なのではないかということになります。そして物理学の世界においては、もしなにかが理論上可能であれば、それは必ず実行することが可能なのです。

そこで、実際に量子テレポーテーションの実験をラボで行いました。実験の目的は、光の粒である光子を10数億分の1秒だけ過去に送ることです。実験を通じて、タイムトラベルに関するいくつかのパラドックスについても考察したかったのです。たとえば「祖父殺しのパラドックス」。もし過去に戻った旅行者が誤って(もしくは故意に)自らの祖父を殺めてしまったら、自分は生まれなかったことになり、過去にも戻れなかったことになります。しかし、そもそも過去に戻っていなければ祖父を殺すことはできなかったことになりますよね。この矛盾を解明するために、我々の実験でも光子に過去の自分を殺してもらわなければなりませんでした

実験はこのようなかんじでした。光子がタイムマシンに乗り込んだら、ドアを閉めます。もしタイムマシンの赤いライトが消灯したら、光子が時間を逆行して過去に戻ったことを意味しているので、一体どのようなことになったのか確かめることができます。ところが、実験は成功しませんでした。何度試してみても、光子が過去の自分を殺すことはできなかったのです。

お察しの通り、この研究はメディアに大変注目されました。そしてそれ以来、大体月に一回ぐらいは誰かしらから「ロイド教授へ。私は時間に閉じ込められたタイムトラベラーです。助けてください。あなたはタイムマシンを持っているそうですね。それを使って私を自分の時間に戻してくれませんか?」という趣旨のメールを受け取るようになりました。

いただいたお便りの中でも、いくつかはとりわけ切実でした。あるイタリア人の女性は、何通もの手紙の中でいかに時間をさかのぼって過去に戻り、彼女の妹が交通事故で亡くなる前に車に乗るなと警告したいのだと訴えてきたのです。なんと悲しいことでしょう。彼女には残念ながらそれはできないと──もし過去に戻ることができたとしても、過去を変えることはできないのだと説明するしかありませんでした。

未来へは行けるけど、過去へは戻れない(たぶん)

Paul Sutter(ニューヨーク州立大学ストーニーブルック校天体物理学研究教授)

通常私たちが言うタイムトラベルには、未来へ先送りされるものと過去へ舞い戻るものの2種類があります。

未来へ行くには、単に超超超高速で移動すればいいだけの話です。充分な大きさのロケットを開発して、光速に近いスピードまで加速できたなら、未来へポンと飛ぶことは可能でしょう。しかし、そんなに大きなロケットは私たちの時代には作れませんし、もしかしたら私たちの子孫たちにも無理かもしれません。でもまあ、理論的には可能ってことですね。

対して、過去へ戻るタイムトラベルのほうはちょっと厄介です。多くの人が未来よりも過去に戻ることに興味を持っているので、残念なんですが。だれかが過去へ戻る賢い方法を思いつくたびに、その方法をいとも簡単に否定する物理学の法則が必ず現れます。しかも、毎回違う法則が立ちはだかります。タイムトラベルできない理由が一つの法則に統合されているわけではないのですが、過去へのタイムトラベルはどうしても無理なんです。そしてなぜ無理なのかもよくわかっていないんです。

たとえばです、こんなタイムトラベル装置を作ったとしましょう。無限の長さを持った円筒が縦軸の方向にほぼ光速で回転しているため、時間がループする領域ができてタイムトラベルが可能になるという、いわゆる「ティプラーマシン」と呼ばれるものです。しかし、残念ながら私たちの宇宙には無限の長さを持った円筒なんて存在しませんから、ティプラーマシンは現実的にはアウトです。

またはワームホールを作ってみたとしましょう。ワームホールをくぐり抜ければ過去に戻ることができますが、それにはマイナスの質量を持った物質が必要になってきます。そんなもの、今のところ見つかっていませんよね。

こういった様々な現実が邪魔してきて、今のところ過去へのタイムトラベルが可能になる見通しは立っていません。たぶん、可能ではないのでしょうが、「できる」または「できない」と断定的に答えることは現在の物理学の領域を超えています

時が流れるスピードは一律ではない

Thomas Wong(クレイトン大学物理学助教)

ここでは「時間の流れ」という概念が非常に重要になってきます。というのも、時間は流れるという性質において空間とは大きく異なるからです。空間の中だったら前にも進まず、後にも下がらずじっとしていることは可能です。しかし、時間の中でじっととどまっていることは不可能で、常に前へ前へと進んでいかなければなりません。

アインシュタインの相対性理論によれば、あなたが観察者Aに相対して移動している場合、またはあなたとAが異なる重力下に身を置いている場合、あなたとAの時間は異なる速さで経過します。不思議に思えるかもしれませんが、私たちの宇宙の仕組みを説明できるもっとも確立された理論のひとつです。

たとえば、GPSシステムはこの時間差を考慮しないと正しく動作しません。GPS衛星には原子時計が搭載されているのですが、地上から遠く離れているので地球の重力の影響が弱くなり、結果的に地上の原子時計とは時の進み方が変わってきます。この時間差を考慮しなければ、GPSシステムはうまく行きません。位置情報にズレが生じてしまいます。

もうひとつの例として、1970年代に行われたある有名な実験があります。科学者たちは2機のジェット飛行機に同じ時間を示している原子時計を乗せて、そのうち1機は東回り、もう1機は西回りで地球を一周させました。一周したところで地上の原子時計と時間を比べてみた結果、やはりそれぞれの原子時計には相対性理論によって予測されたとおりの誤差が生じていました。

もっと極端な例では、たとえばブラックホールのような巨大な重力を持った天体のそばに行って帰ってくるだけで、地球にずっといた人が40も歳をとっていた間にたった数時間しか歳をとらなかったことになります。

地球で暮らしていても、もし高層ビルのてっぺんあたりに住んでいたら、あなたの時計は地上で暮らしている人や地下で働いている人と比べて進みがちょっとだけ早いかもしれません。もちろん、一生涯のうちほんの1秒の数分の数分の数分の1にも満たないような差ではありますが。このようなことから、時間がほかの人と異なる速さで経過していることもまたタイムトラベルと言えるのではないでしょうか

タイムマシンは理論的に不可能じゃない。でも、18世紀には帰れません

Gary Horowitz(カリフォルニア大学サンタバーバラ校物理学教授)

現在私たちが理解している範囲での物理学の知識と照らし合わせてみると、タイムトラベルは意外なほどに否定しづらいものです。時間と空間の関係について考察しているもっともよく知られた理論といえばアインシュタインの一般相対性理論ですが、アインシュタインの数式には現在から過去へさかのぼれることを意味する解もいくつか見つかっています。

相対性理論に量子力学の知見を加味すると、さらにややこしいことになります。おそらく、物理学者のほとんどは、タイムマシンの存在を信じていないでしょう。過去にはタイムマシンを作ろうとした試みもたくさんありましたが、どうしても不安定になり、崩壊を免れませんでした。どれもこれも有効なタイムマシンではなかったのです。それでも、タイムマシンを作ることはできないという証拠もまだ存在していません。ですから、可能ではあるんです。

ところで、仮にタイムマシンを作れたとして、それに乗って18世紀まで戻れるわけではないですよ。私の言うタイムマシンとは、「今」よりも過去に存在しているけど、同時にタイムマシンが作動してからよりも未来に存在している時点に移動できる装置のことをいいます。物理学では、どんな装置でも必ず未来にしか影響を及ぼせないのです。

時空ループがなんの制約もない過去へと連れていってくれるはず

Fabio Costa(クイーンズランド大学物理学主任教授)

タイムトラベル?できますよ!たとえば今あなたが読んでいるこの記事も一種のタイムマシンです。これを読むことにより、あなたは5分かそこら先の未来へ連れていかれるわけですから。

冗談抜きで、あなたが本当に体験したいのは未来、または過去へひとっ飛びすることですよね。未来の場合は、はい、もちろんできます!でも、まず忘れてほしいのはよく映画に出てくる類のタイムトラベル。誰か、または何かがとつぜん姿を消したと思ったら別の時間の別の場所へパッと姿を現すあれです。あれはテレポーテーションといってまったくの別問題なので、ここでは考慮しないことにします。

さて、未来へ行くには、とても速く移動するか、とても大きな質量を持った物のそばまで行くかのどちらかです。相対性理論によれば、非常にはやい速度で移動している、または非常に深い重力ポテンシャルに影響されている物体には時間の経過が遅くなると言われています。もしあなたがそのような宇宙旅行を経験していたら、あなたや同じ宇宙船の同乗者には時間はふつうに過ぎていくように感じられます。ところが地球に戻ってみると、時間はほかの人たちにはもっと速く過ぎていっていたことがわかるでしょう。あなたにとってみたら1年間だった旅行を終えて地球に戻ると、あなたの友達はみな20歳も歳をとってしまっている。要するに、あなたは19年先の未来へ旅したことになります

このことはすでに多くの実験から立証されていますし、ジェット機に載せた原子時計で実際誤差が確認されています。わずかな誤差とはいえ、衛星に搭載された原子時計が狂ってしまうほど顕著なので、その誤差を調整しなければあなたのスマートフォンのGPSも機能しなくなります。ここでいう誤差はマイクロ秒レベルです。もっと実際に意味のある誤差が生まれるには、光速に近いスピードで移動する必要が出てきます。ということは、未来へのタイムトラベルの可能性は、恒星間航行の可能性とも密接に関係してくるわけですね

さて、では過去へのタイムトラベルはどうなんでしょうか?まだはっきりとした答えはないんですが、アインシュタインの重力に関する一般相対性理論にはいくらか可能性の余地がありそうです。いわく、空間と時間は曲げることができて、あんまり曲がるので360度回転して自分自身に覆いかぶさることができるそうなのです。そんなに曲がった時空を実際作り出せるかどうかは別として、もしそこに到達できたとしたら、ある地点からスタートして元の場所に戻ってこれるだけでなく、元の時間にも戻ってこれるわけです!

しかし、もしこんなことを本当にできたとしたら、いろんなパラドックスが起こりやしないか心配じゃないですか?過去に戻ってタイムマシンを破壊したらどうなるのでしょう?すると、そもそもタイムトラベルができなかったことになりますが、タイムマシンを壊すこともできなくなりますよね。このようなパラドックスを完全に回避できるかどうかはまだ判定が出ていませんが、純粋に理屈だけで考えてみると、パラドックスに苛まれないタイムトラベルは可能なだけでなく、旅行者が自由に振る舞うことに対してなんの制約も課さないのです。簡単にいえば、旅行者が何をやってもパラドックスは生まれない、ということです。もし過去へタイムトラベルできたのなら、結局はタイムマシンを破壊していなかったことになるのですから。

もし過去に戻ることが本当に可能なら、未来から来た旅行者たちはどこにいるの?と不思議に思うかもしれません。実は、過去にさかのぼれる限度は最初のタイムマシンが作られた時までと理論的に導き出せます。ですから、2021年以前の過去へは戻れなさそうですね。でも、もしいつかタイムトラベルが本当にできるようになったら、もう会議に遅刻しなくても済みそうですね!

時間的指向性に逆らったら、それ相応のコストがかかるかも

Francesca Vidotto(ウェスタン大学応用数学助教)

ある意味、タイムトラベルの可能性はアインシュタインの相対性理論によってよく理解されており、もはや議論の余地はありません。

ふたつのまったく同一の時計があったとして、ひとつは地球上に残して、もうひとつは宇宙飛行士が宇宙へ持っていったとします。宇宙飛行士は時計とともに光速で移動する宇宙船に乗り込みます。そしてそのまま木星、またはブラックホールなど、非常に大きな重力を持つ天体のそばまで移動します。宇宙飛行士にとって時計の動きに変化はなく、相変わらず同じように時を刻んでいるように感じられます。しかし、その宇宙飛行士が地球に戻ってきたとき、地球の人々は彼よりもずっと歳をとっていて、時計の進み具合が違ったことに気付くのです。

このシナリオはテクノロジー次第です。もし光速移動に相応する出力が可能な宇宙船をつくることができたなら、誰かがそれに乗って旅をすれば上記のようなことを実際に体験できます。今現在、私たちの生活の中でもこの原理は息づいていて、たとえばGPSシステムを支える衛星と地球とでは原子時計の進み方が違います。その誤差を調整しない限りは、GPS機能は正常に動作しません。

もちろん、「タイムトラベル」というと人々が思い浮かべるのは過去へ戻って何かを変えてくることですね。しかし、残念ながらそれは絶対に不可能です。過去へ戻って何かを変えてしまうのは、時間的指向性を変えるのではなく、壊してしまう行為です。「時間的指向性」とは熱力学に基づいた概念で、物質は熱い状態から冷たい状態へ、整然とした状態から混沌した状態へ、そして不安定な状態から安定の状態へと移っていきます。もちろん、私が皿洗いをすることにより、台所の状態はは無秩序から秩序へと変化しますが、それは私がエネルギーを消費しているからこそ。お皿はきれいになりますけど私は汗をかくハメになり、それ自体は宇宙のほかのどこかで更なる無秩序を作り出すことになるのです。時間的指向性を逆行することは、もしかしたらできるかもしれません。でも、一体どんなコストがかかってくるのでしょうか?

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