楽しい話：タイムマシンを作るには？

1895 年にイギリスの作家ハーバート・ジョージ・ウェルズの SF 小説『タイムマシン』が出版されて以来、タイムトラベルに関する話題は大いに話題となり、人気を保ち続けています。それで、人間は空間と時間を越えてタイムトラベルすることができるのでしょうか?

時空とは何か

タイムマシンを作る前に、まず時間そのものを理解し、時間とは何なのかを考えなければなりません。

春の暖かい日差しを楽しんでいるとき、実はそれが8分前の日差しだったと思ったことはありませんか？なぜなら、光でも太陽から地球までの約1億5000万キロメートルを「走る」のに約8分かかるからです。つまり、私たちが見ているのは過去の太陽なのです。

長い間、人々は一般的に、ここが 15 時であれば、月や宇宙のどこでも 15 時であるはずだと信じていました。しかし、現実には、時計を宇宙の標準時間に合わせることは不可能です。

多くの人は、時間の経過速度は一定であり、宇宙全体で時間は同じ速度で流れていると信じています。実際、宇宙では地球上よりも時計の進み方が遅くなります。注: レートは速度と同じではありません。レートはスカラーであり、大きさはありますが方向はありません。

GPS 衛星ナビゲーション システムは、衛星の時計を毎日調整することによってのみ機能します。時間には絶対的な価値はありません。場所によって速度が異なります。したがって、タイムトラベルをしたい人は、時間に関する従来の見方を捨て、時間を次元として捉えなければなりません。

ほとんどの人は私たちが三次元空間に住んでいると考えていますが、実際には四次元空間に住んでいます。通常の三次元空間の長さ、幅、高さの 3 つの軸に加えて、時間軸が加わります。もちろん、時間を次元として受け入れることは私たちにとって容易なことではありません。

簡単に言えば、ある建物の特定の階で友人と会う約束をするときは、会う時間についても合意する必要があります。時間の 4 次元は、空間の他の 3 次元と密接に絡み合っています。物理学者はこの 4 つの次元を「時空」と呼びます。したがって、正確に言えば、私たちが住んでいるマクロな世界は、実際には 3 次元空間と 4 次元時空です。

今日、ほとんどの科学者は、時間は空間と同様に目に見えないものではなく、引き伸ばしたり、結び目を作ることもできる構造であると信じています。もしそれが本当なら、タイムトラベルはそれほど非現実的ではないかもしれない。言い換えれば、空間と時間の構造を操作する方法を見つけることができれば、真のタイムトラベルが可能になる可能性があるのです。

スピードタイムマシン

私たちのほとんどは通常の時間と空間に住んでいますが、私たちの中にはすでにタイムトラベラーがいると言っても過言ではありません。実際、国際宇宙ステーションと中国の宇宙ステーションの宇宙飛行士たちはすでに未来へのタイムトラベルに乗り出している。彼らはどうやって未来に入ることができるのか、不思議に思うに違いありません。

彼らは主にスピードに依存しています。宇宙ステーションは時速27,000キロメートル以上の速度で地球を周回しており、何百日も何百夜も国際宇宙ステーションで生活している人もいます。

彼らが地球に戻るまでに、彼らはおよそ 1 マイクロ秒、つまり 100 万分の 1 秒だけ未来へ旅していたことになります。したがって、宇宙船は超高速で移動することで時間を遅くすることができるタイムマシンと考えることもできます。

では、時間は操作できるのでしょうか?

科学者たちは、光が垂直に上下に動く「光時計」が車のダッシュボードに置かれていると推測している。車が通過すると、通行人は光時計の光が斜めに動いているのを見るでしょう。したがって、車の外から見ると、光がより長い距離を移動しているように見えます。しかし、車内の人や車外の人にとっては光の速度は変わりません。

時間は距離を速度で割った値に等しいので、車内に座っている人はより短い時間しかかかりません。つまり、高速で移動している人にとっては、時間がゆっくり流れます。科学者はこの現象を「時間の遅れ」と呼んでいます。

世界最大の粒子加速器である CERN は、スイスのジュネーブにあります。ほぼ半世紀にわたり、世界80か国以上の科学者たちがここでタイムトラベルの研究と実験を行ってきました。現在、彼らはミューオンと呼ばれる有用な時間旅行粒子を発見しました。これらの高エネルギー粒子は宇宙線から発生し、地球の大気圏に絶えず「衝撃」を与えていますが、その寿命はわずか100万分の1秒程度です。

科学者たちは粒子加速器を使ってミューオンを光速に近い速度まで加速し、ミューオンの寿命を延ばすつもりだ。つまり、中間子に対応する時間はどんどん遅くなっているのに対し、加速器の外側の時間は通常と同じままです。ある意味、ミューオンはすでに私たちの未来に入ってきているのです。

しかし、スピードを利用してタイムマシンを構築するには、依然として多くの障害が伴います。質量は一定量のエネルギーに対応しており、物体の運動量が増加すると質量も増加することがわかります。物体が光速に近い速度で動く場合、追加される質量は無限大に近づきます。たとえば、ミューオンが光速に近い速度で移動すると、その質量は静止しているときの 7,000 倍以上になります。

したがって、エネルギーは私たちのタイムトラベルにとって最大の障害の 1 つです。簡単に言えば、現時点では人間サイズの物体を光速に近い速度で動かすことはできません。たとえ地球に知られているすべてのエネルギーを使ったとしても、ロケットを光速に近い速度で飛ばすことはできません。

重力タイムマシン

必ず抜け道はあります。もちろん、タイムトラベルを実現する別の方法もあり、この方法は人々を未来に連れて行くだけでなく、過去に連れて行くこともできます。

科学者が一般的に認識している、時間を前進させる方法は、速度に頼る以外に、重力に頼ることです。

簡単に言えば、重力は質量が時空構造をどのように曲げる（または歪める）かを示しています。もし物体が星やブラックホールに匹敵するほど大きければ、時空は大きく歪むだろう。物体の質量が大きいほど、時空構造を揺さぶったり曲げたりする影響が大きくなります。ハッブル宇宙望遠鏡は、銀河を通過する光の進路の曲がりを捉え、質量によって時空が曲がる可能性があることを証明した。そして、時空の曲率はタイムマシンの構築に役立ちます。なぜなら、重力が時空を曲げると、時間の経過に実際の影響を与えるからです。

高層ビルの最上階よりも1階の方が時間がゆっくり流れます。地球の表面に近づくほど重力が強くなり、時空が曲がり、時間の流れが遅くなるからです。これは非常に小さな違いですが、最上階に 100 年間立っていると、時計は 1 階の時計よりも 500,000 分の 1 秒だけ進みます。つまり、ある意味では、地球自体がタイムマシンなのです。

場面を宇宙に変えれば、インパクトはさらに大きくなります。地球のはるか上空の軌道上では、地上とは異なる速度で時間が経過します。これは、地球規模の衛星測位システムにとって重要です。これらのシステムが正しく機能するためには、地上と衛星の時計を同期させる必要があります。また、衛星が位置する場所では重力場が弱いため、時間の経過が速くなり、1日で約50マイクロ秒の差が生じます。修正を加えず、時間の経過速度の違いを考慮に入れなければ、衛星ナビゲーションは機能しません。

地球の重力とそれが時空にもたらす歪みだけでは、時間を遡るには不十分ですが、宇宙には重力によって時空が大きく歪んでいる場所が存在します。時空は大体平坦ですが、ブラックホール内部では急激に湾曲します。ブラックホールの重力は周囲の時空を引き伸ばしたり曲げたりして、非常に深い円錐形の穴に変えることができます。ブラックホールの重力は非常に強いため、ブラックホール内では時間が劇的に遅くなります。

タイムトラベルをしたい人にとって、ブラックホールに入ることはその願いを叶える一つの方法かもしれません。しかし、ブラックホールでは、ブラックホール内で最も密度の高い点である特異点に必ず遭遇します。したがって、特異点において押しつぶされることになります。

しかし、科学者たちはすぐに、ビッグバンの時に形成されたと仮説された、細くて長く、エネルギーが集中した一種の管である宇宙ひもを発見しました。長さ1メートルの宇宙ひもの質量は地球の質量よりも大きいと推測されており、時空の歪みを引き起こす可能性もあります。したがって、互いに通過する 2 つの無限の宇宙ひもがあれば、タイムマシンを作成できます。科学者たちは、光速よりも速く移動し、2本の宇宙ひもの周りを周回する宇宙船があれば、出発する前に戻ってくることができるだろうと推測している。

しかし、現在の宇宙ひも理論によれば、1年前に戻るには、天の川銀河の質量の約半分が必要になる。このような大きな質量を制御するには、銀河全体のエネルギーを支配する能力が必要です。

タイムトラベルに関するさまざまな理論はばかげているように思えるかもしれませんが、1世紀以上もの間、科学者たちは知識と想像力を組み合わせて、タイムトラベルが実現することを証明しようとしてきました。ほんの数マイクロ秒先の未来にいた人もいるかもしれないが、タイムトラベルを研究している科学者たちは今も前進し続けている。

なぜなら、すべての偉大な冒険は実は小さな一歩から始まるからです。