การเดินทางข้ามเวลา
ประวัติแนวคิดของการเดินทางข้ามเวลา > เครื่องไทม์แมชชีนในยุคแรก

หนึ่งในเรื่องแรก ๆ ที่มีลักษณะของการเดินทางข้ามเวลาโดยใช้วิธีการของเครื่องจักรกลคือ เรื่อง "นาฬิกาที่เดินถอยหลัง" (The Clock that Went Backward) โดย เอ็ดเวิร์ด เพจ มิทเชล (Edward Page Mitchell)
มีทฤษฎีบางทฤษฎีที่โดดเด่นที่สุด ได้แก่ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป, ได้แนะนำถึงรูปทรงเรขาคณิตที่เหมาะสมของปริภูมิ-เวลา, หรือรูปแบบที่จำเพาะเจาะจงของการเคลื่อนที่ในอวกาศ, ที่อาจอนุญาตให้มีการเดินทางข้ามเวลาไปในอดีตและอนาคตได้ถ้ารูปทรงเรขาคณิตหรือการเคลื่อนที่เหล่านี้เป็นสิ่งที่เป็นไปได้ ในเอกสารทางเทคนิค, นักฟิสิกส์มักหลีกเลี่ยงการใช้ภาษาที่ธรรมดา ๆ ของ "การเคลื่อนย้าย" หรือ "การเดินทาง" ผ่านช่วงเวลา ("การเคลื่อนที่" โดยปกติหมายถึงเฉพาะการเปลี่ยนแปลงในตำแหน่งเชิงพื้นที่เป็นพิกัดของเวลาที่แตกต่างกัน), และจะพิจารณาเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของ "เส้นโค้งปิดเสมือนเวลา" (closed timelike curves), ซึ่งเป็นเส้นโลก (worldlines) แบบลูปปิดในกาลอวกาศ ที่อนุญาตให้วัตถุสามารถย้อนกลับไปในอดีตของตัวเองได้แทน มีวิธีการแก้สมการของทฤษฎีสัมพัทธทั่วไปที่ทราบกันว่าสามารถอธิบายถึงปริภูมิ-เวลาซึ่งบรรจุเส้นโค้งปิดของเวลาเสมือนไว้ได้ (เช่น ปริภูมิ-เวลาแบบเกอเดิล (Gödel spacetime) ) แต่ความมีเหตุผลทางกายภาพของการแก้ปัญหาเหล่านี้เป็นสิ่งที่มีความไม่แน่นอน
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทำนายว่าถ้าใครคนใดคนหนึ่งเคลื่อนที่ออกไปจากโลกที่ความเร็วความสัมพัทธ์และย้อนกลับมายังโลก, เวลาจะผ่านไปบนโลกมากขึ้นมากกว่าเวลาสำหรับนักเดินทางนั้น, ดังนั้นในแง่นี้เป็นที่ยอมรับกันว่าสัมพัทธภาพช่วยให้มี "การเดินทางไปในอนาคต" (ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพนั้นมีวัตถุประสงค์คือ จะไม่มีคำตอบเพียงคำตอบเดียวว่าเวลาได้ผ่านไปจริง ๆ เท่าไหร่ในระหว่างการเดินทางไปและย้อนกลับมา, แต่มีคำตอบที่เป็นวัตถุประสงค์ที่ว่า เวลาที่เหมาะสม (proper time) นานเท่าใดสำหรับการได้รับประสบการณ์จากทั้งผู้สังเกตบนโลกและผู้เดินทาง, กล่าวคือ, แต่ละคนนั้นจะมีอายุกันคนละเท่าไหร่; ดู ปัญหาฝาแฝดพิศวง) ในทางตรงกันข้ามหลายคนในที่ประชุมนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าการเดินทางข้ามเวลาถอยหลังไม่น่าจะมีความเป็นไปได้อย่างสูง ทฤษฎีที่จะอนุญาตให้สามารถมีการเดินทางข้ามเวลาใด ๆ อาจจะเกิดปัญหาที่เกิดจากความสัมพันธ์ระหว่างเหตุและผลขึ้นได้ ตัวอย่างของปัญหาแบบคลาสสิกที่เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ของเหตุและผลคือ "ปฏิทรรศน์คุณปู่" (grandfather paradox) : จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคนใดคนหนึ่งจะกลับไปในเวลาและฆ่าปู่ของตัวเองเสียก่อนที่พ่อของตนได้ถือกำเนิดขึ้นมา? แต่นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อว่าความขัดแย้งดังกล่าวสามารถหลีกเลี่ยงได้, โดยมีความน่าสนใจจากหลักการอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่างคือทั้ง หลักความสอดคล้องในตัวเองของนาฟวิคัฟ (Novikov self-consistency principle) หรือแนวคิดของเส้นทางแยกย่อยของจักรวาลคู่ขนาน (ดูส่วน 'ปฏิทรรศน์' ด้านล่าง) เช่น ใน การตีความแบบพหุโลกของเอเวอเรต-วีลเลอร์ (Everett–Wheeler many-worlds .interpretation)
การท่องไปในเวลา
สตีเฟน ฮอว์คิงได้ชี้ให้เห็นว่าการที่ไม่มีการปรากฏตัวของนักท่องเที่ยวจากในอนาคต คือ ข้อโต้แย้งถึงการดำรงอยู่ของการเดินทางข้ามเวลาด้วยตัวแปรของปฏิทรรศน์เฟอร์มิ แน่นอนว่านี่จะไม่เป็นการพิสูจน์ให้เห็นได้ว่าการเดินทางข้ามเวลาเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ทางกายภาพ, เพราะมันอาจเป็นไปได้ว่าการเดินทางข้ามเวลานั้นมีทางเป็นไปได้ แต่มันอาจไม่เคยได้รับการพัฒนาเทคโนโลยีนี้ขึ้นมา (หรือไม่เคยใช้ความระมัดระวังรอบคอบในการพัฒนาเทคโนโลยีนี้); และถึงแม้ว่าอาจจะมีการพัฒนาขึ้นมาแล้วก็ตาม ฮอว์คิงยังตั้งข้อสังเกตอีกว่าในสถานที่แห่งอื่น ๆ นั้นการเดินทางเพียงครั้งเดียวอาจเป็นไปได้ในขอบเขตของปริภูมิ-เวลาที่โค้งงอในเส้นทางที่ถูกต้อง, และซึ่งถ้าเราไม่สามารถสร้างขอบเขตดังกล่าวไปจนกระทั่งถึงช่วงเวลาในอนาคต แล้วการเดินทางข้ามเวลาจะไม่สามารถที่จะเดินทางย้อนกลับไปก่อน ณ วันที่เริ่มต้นออกเดินทางจากมา ดังนั้น "นี่จะเป็นคำอธิบายว่าทำไมเราจึงยังไม่เคยเจอะเจอนักท่องเที่ยวจากอนาคตเลย" คาร์ล เซแกนยังเคยชี้ให้เห็นความเป็นไปได้ที่ผู้เดินทางข้ามเวลาอาจจะเคยมาเยี่ยมเยียนพวกเรา แต่จะมีการปิดบังอำพรางตัวในการมีอยู่ของพวกเขาอย่างไรหรือไม่นั้นก็ไม่ได้รับการยืนยันได้ว่าจะเป็นนักเดินทางข้ามเวลาตัวจริง เป็นเพราะว่ามันจะเป็นการนำการเปลี่ยนแปลงความต่อเนื่องของปริภูมิ-เวลาโดยไม่ได้ตั้งใจที่สามารถนำมาเกี่ยวข้องกับผลลัพธ์ที่ไม่พึงประสงค์กับนักเดินทางเหล่านั้น
สัมพัทธภาพทั่วไป
อย่างไรก็ตาม, ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้แนะนำถึงพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับความเป็นไปได้ของการเดินทางข้ามเวลาย้อนอดีตในสถานการณ์ที่ผิดปกติบางอย่าง, แม้ว่าข้อโต้แย้งจากความโน้มถ่วงกึ่งคลาสสิค (semiclassical gravity) ชี้ให้เห็นว่าเมื่อผลควอนตัมรวมอยู่ในสัมพัทธภาพทั่วไป, รูเปิดเหล่านี้อาจจะปิดตัวเองลง ข้อโต้แย้งเหล่านี้ได้ทำให้ฮอว์คิงนำไปใช้ในการกำหนดการคาดคะเนการปกป้องของลำดับเหตุการณ์ (chronology protection conjecture), ที่ชี้ให้เห็นว่ากฎพื้นฐานของธรรมชาติจะป้องกันไม่ให้มีการเดินทางข้ามเวลาได้, แต่นักฟิสิกส์ไม่สามารถที่จะตัดสินใจได้ชัดเจนเกี่ยวกับประเด็นนี้โดยปราศจากทฤษฎีโน้มถ่วงเชิงควอนตัมที่จะเชื่อมเอากลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้าไว้ด้วยกันจนกลายเป็นทฤษฎีเอกภาพ (unified theory) หรือ ทฤษฎีแห่งสรรพสิ่ง ได้อย่างสมบูรณ์แบบ
การเดินทางข้ามเวลาไปในอดีตที่ยอมรับได้ในทางทฤษฎีนั้นใช้วิธีการดังต่อไปนี้:
การเดินทางได้เร็วกว่าความเร็วของแสง
การใช้เส้นคอสมิคและหลุมดำ
รูหนอนและการขับเคลื่อนแบบอัลคับเบียร์ (Alcubierre drive)
การเดินทางโดยการเคลื่อนที่ที่เร็วกว่าแสง (faster-than-light : FTL)
ถ้าใครคนใดคนหนึ่งสามารถเคลื่อนย้ายข้อมูลหรือสสารจากจุดใดจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งด้วยความเร็วกว่าแสง, ดังนั้นตามสัมพัทธภาพพิเศษ, จะมีบางกรอบเฉื่อยของการอ้างอิงในการที่สัญญาณหรือวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะย้อนกลับไปในเวลาได้ นี้เป็นผลมาจากสัมพัทธภาพของความพร้อมกัน (relativity of simultaneity) ในสัมพัทธภาพพิเศษ, ซึ่งกล่าวว่าในบางกรณีกรอบอ้างอิงที่แตกต่างกันจะไม่ขัดแย้งกันไม่ว่าสองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในตำแหน่งที่แตกต่างกันเกิดขึ้น "ในเวลาเดียวกัน" หรือไม่ก็ตามและพวกมันยังสามารถที่จะไม่ขัดแย้งกับลำดับของสองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น (ในทางเทคนิคความขัดแย้งเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อระยะห่างของปริภูมิ-เวลา ระหว่างเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเป็น 'อวกาศ-เสมือน' (space-like), หมายความว่าเหตุการณ์ทั้งสองตั้งอยู่ในกรวยแสงในอนาคตอื่น ๆ หากหนึ่งในสองเหตุการณ์ที่แสดงถึงการส่งสัญญาณจากตำแหน่งหนึ่งและเหตุการณ์ที่สองแสดงให้เห็นถึงการรับสัญญาณเดียวกันที่ตำแหน่งอื่น ๆ, แล้วตราบนั้นสัญญาณจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วของแสงหรือช้ากว่า, คณิตศาสตร์ของความพร้อมกันได้ทำให้แน่ใจว่าทุกกรอบอ้างอิงยอมรับว่าการส่งผ่านเหตุการณ์ได้เกิดขึ้นก่อนที่จะมีการรับเหตุการณ์นั้น ๆ
อย่างไรก็ตามในกรณีของสัญญาณสมมุติที่เคลื่อนที่เร็วกว่าแสง, จะมีอยู่เสมอ ๆ ที่จะมีกรอบบางอันที่สัญญาณจะสามารถถูกรับได้ก่อนมันที่จะถูกส่งไปเพื่อให้สัญญาณดังกล่าวได้เคลื่อนที่ย้อนเวลากลับไป และเนื่องจากหนึ่งในสองพื้นฐานของสมมุติฐานของสัมพัทธภาพพิเศษที่กล่าวว่ากฎของฟิสิกส์ควรจะทำงานในลักษณะเดียวกันในทุกกรอบเฉื่อย, ดังนั้นถ้ามันมีความเป็นไปได้สำหรับสัญญาณที่จะเคลื่อนที่ย้อนเวลากลับไปสำหรับกรอบใดกรอบหนึ่ง, มันก็จะต้องมีความเป็นไปได้กับทุก ๆ กรอบเสมอ ซึ่งหมายความว่าหากผู้สังเกตการณ์ A จะส่งสัญญาณไปสู่ผู้สังเกตการณ์ B ซึ่งเคลื่อนที่แบบ FTL (เร็วกว่าแสง) เมื่อเทียบกับกรอบของผู้สังเกตการณ์ A แต่ย้อนเวลากลับไปเมื่อเทียบกับกรอบของ B, แล้วจากนั้น B ได้ส่งสัญญาณตอบกลับซึ่งเคลื่อนที่แบบ FTL เทียบกับกรอบของ B แต่ย้อนเวลากลับไปเทียบกับกรอบของ A, มันสามารถแสดงให้เห็นได้ว่า A จะได้รับการตอบกลับนั้นก่อนที่จะมีการส่งสัญญาณต้นฉบับดั้งเดิมออกมา, อันเป็นวิธีการแก้ปัญหาสำหรับในเรื่องของการฝ่าฝืนหลักความสัมพันธ์ระหว่างเหตุและผลในทุก ๆ กรอบ
การใช้รูหนอน
รูหนอนเป็นสมมติฐานของปริภูมิ-เวลาที่โค้งงอซึ่งจะได้รับอนุญาตโดยสมการสนามของไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป, แม้ว่ามันจะเป็นไปไม่ได้ที่จะเดินทางผ่านรูหนอนเว้นเสียแต่ว่ามันจะเป็นสิ่งที่เรียกว่า รูหนอนทะลุได้ (traversable wormhole) เท่านั้น
เครื่องมือสำหรับการเดินทางย้อนเวลาที่นำเสนอโดยใช้รูหนอนทะลุได้ (ตามสมมุติฐาน) จะทำงานในลักษณะดังต่อไปนี้: ปลายด้านหนึ่งของรูหนอนจะถูกทำให้เคลื่อนที่จนมีความเร่งอย่างมีนัยสำคัญบางอย่างเป็นสัดส่วนของอัตราเร็วของแสง, ซึ่งอาจจะใช้ระบบขับเคลื่อนขั้นสูงบางอย่าง, และสามารถที่จะนำปลายด้านนี้กลับไปที่จุดเริ่มต้นได้ หรืออีกวิธีหนึ่งคือการใช้ช่วงระยะเวลาหนึ่ง ณ บริเวณปากทางเข้าของรูหนอนและเคลื่อนย้ายมันไปให้อยู่ภายในสนามแรงโน้มถ่วงจากวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงสูงกว่าบริเวณปากทางเข้าอีกทางหนึ่ง , แล้วจากนั้นก็ย้ายมันกลับไปยังตำแหน่งเดิม สำหรับทั้งสองวิธีการดังกล่าวนี้ ทำให้เกิดการยืดออกของเวลาของส่วนทางด้านปลายของรูหนอนด้านที่ถูกทำให้เคลื่อนที่ไปทำให้ได้อายุเวลาที่มีค่าน้อยกว่าด้านส่วนปลายที่อยู่นิ่ง ๆ กับที่,
วิธีการอื่น ๆ ตามหลักสัมพัทธภาพทั่วไป
อีกวิธีหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับทรงกระบอกความหนาแน่นสูงที่มีการปั่นหมุนมักจะเรียกว่าทรงกระบอกทิปเลอร์ (Tipler cylinder)
การทดลองดำเนินการ
การทดลองบางอย่างที่ได้ดำเนินการกันอยู่นั้นทำให้เกิดความประทับใจในความเป็นเหตุเป็นผลซึ่งกันและกันหรือเรื่องของเวรกรรมตามสนอง (reverse causality) กันอยู่ แต่ก็อาจจะต้องมีการตีความพิจารณาความหมายกันให้ถ่องแท้