Kärleken mellan det unga, vackra paret Romeo och Julia är total, men deras familjer avskyr varandra och tänker inte under några omständigheter tillåta ett äktenskap dem emellan, så de olyckliga unga älskande skickas i exil i var sin galax.
Romeo och Julia är dock fysiker och mer än vanligt smarta, så i största hemlighet lokaliserar de ett så kallat maskhål mellan de båda galaxerna. Utifrån ser maskhålets öppningar ut som två svarta hål, det ena i Romeos galax och det andra i Julias.
De unga älskande kastar sig in i var sitt hål, och familjerna tror att deras outhärdliga längtan efter varandra har fått dem att begå självmord.
Så hade Shakespeares klassiska drama om Romeo och Julia kunnat utspela sig ifall det skrevs om till en science fiction-version. Historien hade till och med kunnat få ett lyckligare slut: I maskhålet sänder de extrema gravitationsfälten Romeo och Julia genom röret mellan de två öppningarna, så att de landar i varandras armar mitt i röret, där de kan njuta av sin kärlek. Nu har paret inte bara hamnat någon annanstans i rummet – utom räckhåll för sina elaka familjer – utan även i tiden.
Universums tidsmaskiner är kamouflerade som svarta hål.
Föreställningen att universum kan innehålla maskhål som förbinder annars skilda tider och platser har sitt ursprung i Einsteins relativitetsteori. Om maskhål finns är de kamouflerade som svarta hål. Fysikerna har hittills ansett att det är omöjligt att hitta dem, eftersom vi ju inte kan se vad som händer inne i ett svart hål.
Nu finns det emellertid nya teorier om att maskhålen kanske ändå har särskilda egenskaper som gör det möjligt att identifiera dem – och därmed också att hitta universums inbyggda tidsmaskiner.
Supertunga svarta hål finns i hjärtat av de flesta galaxer. Vissa av dem är kanske ingångar till maskhål.
Rumtiden bildar ett U
Maskhål är en fysisk möjlighet, eftersom gravitationen enligt relativitetsteorin påverkar både tid och rum. Einstein kopplade samman de tre rumsdimensionerna med tiden till den så kallade rumtiden, som därmed har fyra dimensioner.
Vi kan inte visualisera något fyrdimensionellt, så därför illustreras rumtiden ofta som en tvådimensionell matta som tyngs ner av objekt med massa.
Gravitationen från en förhållandevis liten massa som jordens kröker bara rumtiden lite grand, motsvarande en stoppad sits på en köksstol när du sätter dig på den. Enorma, tätt packade massor som svarta hål eller neutronstjärnor skapar emellertid en så extrem nedsänkning att rumtiden bildar en djup brunn.
Om två sådana gravitationsbrunnar är förbundna kan rumtiden tvingas runt, så att den bildar en U-formad säck.
Maskhål förbinder dåtiden och framtiden
1. Stora massor kröker rumtiden
Två supertunga svarta hål bildar djupa gravitationsbrunnar i rumtiden (A och B) och kröker den, så att den bildar ett U. En ljuspartikel eller ett rymdskepp måste normalt följa rummets krökning och ta den långa vägen runt från punkt A till punkt B.
2. Maskhålet är en genväg i tiden
Vissa svarta hål i mitten av galaxer kan vara öppningar till maskhål, som skapar en genväg mellan galaxerna. Om man reser in genom öppning A landar man i framtiden vid B. Den omvända resan leder tillbaka till startpunkten i dåtiden.
3. Exotisk materia vidgar genvägen
Röret mellan maskhålets båda öppningar behöver hållas öppet, så att ett rymdskepp kan passera genom det. Det förutsätter att röret har ett skal av så kallad exotisk materia, som motverkar gravitationen och hindrar den från att dra ihop röret.
När en ljuspartikel rör sig nedför U:ets ena ben, runt i bågen och uppför det andra benet kommer den till en plats nära utgångspunkten. Om den där når en rak kanal mellan de båda benen kan den ta sig igenom kanalen och återvända till en plats där den varit tidigare och på så vis hamna i dåtiden.
Även det omvända gäller: Om ljuspartikeln tar sig igenom kanalen redan under den första resan kan den hoppa över den långa resan längs U:et och ta en genväg in i framtiden.
Om maskhål existerar är de följaktligen genvägar genom tid och rum, som skulle kunna möjliggöra resor både framåt och bakåt i tiden. Och i princip kan vi mötas på mitten, precis som Romeo och Julia.
Exotisk materia banar väg
Maskhål kom upp på den vetenskapliga dagordningen i slutet av 1980-talet, då den amerikanske Nobelpristagaren Kip Thorne beräknade att man i teorin kan sända ett rymdskepp genom röret mellan maskhålets båda öppningar. Det förutsätter emellertid att röret hålls öppet av så kallad exotisk materia.
All vanlig materia har massa och därmed positiv energi, vilket innebär att den utövar attraktion genom gravitation. Exotisk materia, som bokstavligt talat består av mindre än ingenting, har därmed negativ energi.
Det gör den exotiska materien repellerande, så om röret i maskhålet har ett tunt skal av exotisk materia kan skalet hålla kanalen öppen, så att rymdskeppet kan färdas genom röret till en annan plats i tid och rum.
Det låter som rena fantasier, men i experiment har man fått fram pyttesmå områden av negativ energi och bevisat att exotisk materia faktiskt existerar.
Maskhålen är uråldriga
Hypotesen om att vissa supertunga svarta hål i själva verket är ingångar till maskhål lades fram år 2006 av den ryske fysikern Igor Novikov vid Köpenhamns universitet.
Hans teori bygger på antagandet att ett stort antal svarta hål bildades strax efter stora smällen, då den tätt packade rumtiden i universums ursoppa var så hopvispad att den påminde om ett skum. I denna röra kom vissa av de nyfödda svarta hålen i kontakt med varandra och förenades av rör, vilket gjorde dem till maskhål.
Universums utvidgning har dragit ut maskhålen.
I takt med rymdens utvidgning har maskhålen spridits till alla hörn av dagens enorma universum, där rören mellan öppningarna förbinder avlägset belägna galaxer och bildar ett kosmisk nätverk av genvägar i tid och rum.
En del av rören kan ha brustit till följd av rymdens utvidgning, och då har maskhålens öppningar blivit till vanliga supertunga svarta hål i hjärtat av galaxerna.
En av de ledande forskarna på maskhål är Juan Maldacena vid Princeton University i USA. Han är också upphovsmannen bakom den lilla science fiction-versionen av Romeo och Julia. Maldacenas beräkningar visar att maskhålets öppningar i två galaxer faktiskt kan ha en geometri som gör det möjligt att kasta sig ner i dem och mötas i rörets mitt.
Enligt Maldacena kan emellertid de unga älskande inte ta sig ut igen. Eftersom universum utvidgas i alla riktningar flyttas maskhålets öppningar så snabbt från varandra att Romeo och Julia aldrig når tunnelns slut, trots att de färdas genom röret i nära ljusets hastighet.
Kip Thorne kom fram till att det teoretiskt sett är möjligt att skicka ett rymdskepp genom ett maskhål. Juan Maldacena tror dock att rymdskeppet aldrig skulle komma ut ur hålet, eftersom det hela tiden blir längre och längre.
Andra forskare håller inte med honom. Den ryske fysikern Michail Pjotrovitj vid Centrala astronomiska observatoriet i Sankt Petersburg tror att atomer som tar genvägen genom ett maskhål skulle komma ut på andra sidan i form av bubblor av tio biljoner grader varmt plasma.
Därmed är det enligt honom också teoretiskt möjligt att resa hela vägen genom hålet – och nog så viktigt: Det gör det också möjligt för oss att upptäcka maskhålen.
Strålning visar vägen till maskhål
Utifrån ser galaxkärnor ut som supertunga svarta hål, men vissa av dem kan faktiskt vara ingångar till maskhål. Ny forskning visar hur vi kan hitta maskhålen, till exempel med hjälp av Fermiteleskopet.
1. Maskhålet suger till sig gas
Precis som ett supertungt svart hål slukar öppningen till ett maskhål gas från en roterande skiva runt hålet. Enligt en ny teori drar maskhålets gravitationsfält in gas från båda öppningarna genom röret i nära ljusets hastighet.
2. Kollision skapar plasmabubbla
I rörets mitt möts de båda gasströmmarna och kollisioner mellan partiklarna höjer temperaturen kraftigt. Då bildas en plasmabubbla med den svindlande höga temperaturen tio biljoner grader.
3. Bubblan växer ut mot öppningarna
Plasmabubblan, som utvidgas explosivt, transporterar gasernas partiklar till maskhålets båda öppningar. Där väller det glödheta plasmat ut i alla riktningar och avger extremt energirik gammastrålning.
4. Strålningen avslöjar maskhålet
Strålningen från gasskivan gör det möjligt att skilja maskhålet från ett svart hål, till exempel med rymdteleskopet Fermi. Ett svart hål avger bara gammastrålning från partikelströmmar som skjuter vinkelrätt ut ur hålet, inte från gasskivan.
Pjotrovitj har räknat på vad som händer om ett maskhåls båda öppningar slukar gas. Först accelereras atomerna i gasen av de extremt starka gravitationsfälten vid mynningarna, varifrån de far in genom röret i nära ljusets hastighet.
Mitt i röret kolliderar de och omvandlas till en bubbla av tio biljoner grader varmt plasma, som utvidgas våldsamt. Utvidgningen flyttar gasernas partiklar vidare genom röret och ut ur maskhålets öppningar. Där avger plasmat energirik gammastrålning i alla riktningar.
Så fungerar det inte med gasskivan runt ett supertungt svart hål som slukar gas, vilket är anledningen till att astronomerna nu kan avslöja ett maskhål med hjälp av Nasas rymdteleskop Fermi, som observerar just gammastrålning.
Om Pjotrovitj har rätt skulle det i princip också vara möjligt för Romeo och Julia att ta sig ut ur maskhålet.
Andra fysiker har kommit fram till ett annat sätt att ta reda på om maskhål kan vara kamouflerade som supertunga svarta hål.
Ett maskhål i Vintergatan
De-Chang Dai vid universitetet i Yangzhou i Kina och Dejan Stojkovic vid amerikanska University at Buffalo har publicerat beräkningar av förhållandena nära det supertunga svarta hålet i Vintergatans mitt. Det befinner sig i ett slumrande tillstånd, eftersom det har tömt närområdet på gas. Därför har det varit möjligt för astronomer att kartlägga stjärnan S2:s bana, som passerar hålet på endast 20 miljarder kilometers avstånd.
Om det supertunga svarta hålet i vår egen galax verkligen är den ena öppningen av ett maskhål och om även den andra öppningen omges av en närbelägen stjärna, skulle det via röret finnas en direkt ömsesidig massattraktion mellan de båda stjärnorna – vilket skulle lämna spår i S2:s bana, visar beräkningarna.
Nästa generation jätteteleskop med 30–40 meter stora speglar, till exempel Extremely Large Telescope i Chile, kommer att ha tillräckligt skarp syn för att visa massattraktionens inverkan på banan. Om den kan dokumenteras har vi hittat en egen lokal portal till tidsresor i universum.
Stjärnan S2 kretsar runt det svarta hålet i Vintergatans mitt (till vänster). Om det är ett maskhål skulle teleskopet ELT (till höger) kunna se att stjärnans bana påverkas av stjärnor utanför maskhålets andra öppning.
Tanken på tidsresor är fascinerande, men också skrämmande, eftersom de går stick i stäv med vår normala uppfattning av tid som en fast storhet. Det verkar dock inte finnas något i fysikens lagar som utesluter dem.
Flygresor leder till framtiden
Vi har redan visat att det går att resa in i framtiden. Det händer när vi förflyttar oss, i synnerhet när det sker i hög hastighet.
Det kan vara svårt att förstå, men föreställ dig att tiden är en flod som går från dåtiden in i framtiden. Vi sitter alla i samma båt, som driver med strömmen. För att resa in i framtiden behöver vi bara starta motorn, så att båten rör sig snabbare än strömmen.
På så vis reser miljontals människor varje dag några få miljarddelar av en sekund in i framtiden ombord på flygplan som flyger tusen kilometer i timmen. Tidsskillnaden är dock så liten att vi inte märker den, och den kan bara mätas med atomur.
Om vi vill få den fart som krävs för att resa in i framtiden måste vi bygga ett rymdskepp som flyger i nära ljusets hastighet, så att tiden går märkbart långsammare ombord på farkosten.
På en resa till vår närmaste grannstjärna och hem igen skulle astronauterna uppleva att det har gått ett år i deras liv, men när de landar på jorden har det gått tio år sedan avresan. De har då landat i framtiden.
Detta exempel grundar sig på Einsteins speciella relativitetsteori och visar att samtidighet inte existerar över stora avstånd i rummet, eftersom tidens förlopp påverkas av iakttagarens hastighet.
Dessutom förutsäger allmänna relativitetsteorin att tiden påverkas av stora massor i rummet. Ju större en massa är, desto starkare är gravitationsfältet och desto långsammare går tiden. Även detta fenomen har vi kunnat mäta på jorden. Tiden går faktiskt en aning snabbare på en bergstopp än vid havsytan, eftersom toppen befinner sig längre bort från tyngdpunkten i planetens mitt.
Om vi kunde resa ut till en kompakt neutronstjärna med en diameter på 10–20 kilometer och större massa än solens, skulle effekten vara mycket tydligare. Tiden vid en sådan stjärnan går nämligen hela 30 procent långsammare än på jorden.
En resa till en neutronstjärna skulle föra oss århundraden framåt i tiden.
När astronauternas supersnabba rymdskepp återvänder hem efter resan till stjärnan skulle de landa flera hundra år i framtiden.
Gravitationens inverkan på tiden innebär också att Romeo och Julia inte behöver bäva inför sitt möte med sina familjer ifall de någon gång skulle bestämma sig för att återvända till deras galax. Vistelsen i maskhålets extremt starka gravitationsfält skulle försena deras tid så mycket att de vid hemkomsten befinner sig så långt fram i tiden att ingen längre skulle känna dem.
Resor till dåtiden är farliga
Medan det redan i dag går att genomföra resor till framtiden i mindre skala är resor bakåt i tiden mer spekulativa. De är dock principiellt möjliga om maskhål i rumtiden existerar.
Resor till dåtiden medför emellertid vissa problem som framstår som olösliga. Det gäller bland annat den så kallade farfarsparadoxen. Vad händer om man reser tillbaka i tiden och dödar sin farfar innan han har satt några barn till världen? Då skulle du ju aldrig själv ha fötts. Men vem är det då som dödar din farfar?
Denna paradox har fått den legendariske brittiske fysikern Stephen Hawking att hävda att det helt enkelt måste finnas någon okänd mekanism i de fysikaliska lagarna som förhindrar resor bakåt i tiden.
Igor Novikov är mer försiktig i sina spekulationer. Hans bedömning är att vi i princip kan besöka dåtiden, men att vi inte kan förändra den på något vis som utesluter vare sig nuet eller framtiden.
Om tidsmaskinen någonsin uppfinns kommer vi hur som helst inte att kunna resa längre tillbaka än till den dag då maskinen togs i bruk. Vi kommer alltså inte att kunna semestra i det gamla Egypten och se pyramiderna byggas. Av samma anledning har vi – såvitt vi vet – ännu aldrig haft något besök från framtiden.
