home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ linuxmafia.com 2016 / linuxmafia.com.tar / linuxmafia.com / pub / skeptic / files-to-classify / time-travel.txt < prev    next >
Text File  |  1996-02-19  |  20KB  |  348 lines

  1.  
  2.                    Time Travel and the Laws of Physics
  3.                    -----------------------------------
  4.                        An Exercise in Speculation
  5.                         by Joey Swails  (c) 1992
  6.  
  7.  
  8.     Wouldn't it be wonderful if travel to another time was possible.
  9. Time travel has been a mainstay of fantasy and science fiction for
  10. almost a century, from H.G. Wells to Star Trek. This short essay shall
  11. attempt to discuss the concept in the framework of what is currently
  12. held to be true in the realm of physical science, and how current
  13. theories might apply.
  14.     I'm not a professional physicist, just a well read amatuer with a
  15. couple of underclassman physics courses to my credit. Nothing I have
  16. to say on the subject requires a doctorate in Theoretical Physics to
  17. comprehend. I've always been impressed by the fact that, unlike most
  18. of his collegues, Einstein felt that the average intelligent person
  19. could grasp the ideas of Relativity without the heavy mathematics; to
  20. him it was an indication of the fundimental truth of what he was
  21. working on. To that end, he wrote several highly readable "layman's"
  22. books on the subject himself. I gleaned EVERYTHING in this essay from
  23. other writers, Einstein, Hawking and Sagan among them. And Arthur C.
  24. Clarke, Larry Niven, and Isaac Asimov; these gentlemen, while best
  25. known for their science FICTION writing, are also excellent SCIENCE
  26. writers as well!
  27.  
  28. And now, from high atop the shoulders of giants...
  29.  
  30.  
  31.     Most people have an intuitive grasp of what is meant by "time
  32. travel", at least in a personal sense. One activates a machine or says
  33. the magic words and is "transported" bodily to a different "point in
  34. time", be it the past or future. Sounds simple. But in a universe that
  35. is observed to obey certain "rules of behavior", in practice it may
  36. not be as simple as it sounds.
  37.  
  38.  
  39.     Why should we assume that certain laws of physics should apply to
  40. time travel? Aren't new theories of physics often proposed that
  41. supersede older theories, showing them to be incorrect? And therefore,
  42. couldn't even newer theories allow for time travel to be possible?
  43.     The popular misconception is that when a new physical theory is
  44. proposed, it renders preceding one's obsolete. This may have been true
  45. in the case of Copernicus, where what is being superceded is basically
  46. a myth. In modern theoretical physics, the distiction is not so clear
  47. cut. The value of a theory is in it's power to predict the behavior of
  48. the universe by logical inference. Physical theories apply logical
  49. rules to analyzing a specific facet of the "universe of discourse",
  50. that reality which is accessable to everyone, either directly through
  51. the senses, or "second hand" through the use of insturments of
  52. measurement. To invoke logic, the proposed theory need only be
  53. logically self- consistent, even if what it descirbes applies only in
  54. very limited cases.
  55.     When Einstein published his theories of Special and General
  56. Relativity, the planets did not suddenly alter their orbits. We still
  57. use Newtonian laws of motion to predict the trajectories of
  58. spacecraft, and they appear to work quite well WITHIN THEIR LIMITS.
  59. What happens is that the limits are expanded, and new theories are
  60. proposed to describe behavior outside the old law's limits. The old
  61. laws still hold; new laws usually apply only to new areas of
  62. observation. They build on, rather than eliminate, the old laws.
  63.  
  64.     So, let's speculate on some of the concepts of time travel. For
  65. the purposes of speculation, we must make some assumptions and see
  66. where they take us. For logic to work, the only requirement is that
  67. the assumptions are internally consistent, i.e. if something is true
  68. in case A(1) it is also true in case A(2) - no changing the rules as
  69. you go along. The overall assumption I'm making is that certain laws
  70. of the universe will always hold, and time travel can only be possible
  71. if NONE of them are violated in the process. Specifically, I refer to
  72. the Conservation of Matter and Energy; the Conservation of Motion;
  73. Entropy; and Causality. Perhaps I'm nitpicking, but not really - we'll
  74. leave Relativity and Quantum Mechanics aside for now and concentrate
  75. on predictive theories that have meaning across a broad spectrum of
  76. universal models, from Newton to Hawking.
  77.     Also because Relativity tends to knock out time travel in the
  78. first round, which wouldn't be much fun; and Quantum Mechanics STILL
  79. can't find that damn tachyon particle (predicted to travel "backwards
  80. in time"), and at the quantum level, we can't even tell which way even
  81. NORMAL time is "moving" anyway...
  82.  
  83.     At least, not yet...
  84.  
  85. The Basic Paradox of Time Travel
  86. --------------------------------
  87.     When anyone speculates about time travel, one of the first things
  88. encountered is known as the Grandfather Paradox, the origination of
  89. which is credited to Einstein. The basic idea is this:
  90.     I invent a time machine. Since I always hated my nasty old
  91. grandfather, I travel back in time to when he was a young boy and
  92. murder him. The perfect crime!
  93.     But I've gone and killed him before he met my grandmother, so
  94. therefore I was never born, and of course couldn't have invented a
  95. time machine.
  96.     So I couldn't have killed him. So he sires my father, who sires
  97. me, who invents a time machine...
  98.     Me and my time machine must both exist and not exist. There lies
  99. the paradox. Any process that interferes with the past in a
  100. self-cancelling way is broadly called a Grandfather Paradox.
  101.     This is the big one: Causality. Our belief in ANY physical laws at
  102. all presupposes cause-and-effect; if this, then that. Maybe you don't
  103. WANT to kill your grandfather, but the possibility would exist that
  104. you COULD, and that's all that matters. The effect is made to come
  105. before the cause, and causes the cause not to effect the effect.
  106. Fundimentally illogical, and was reason enough for Einstein to consider
  107. time travel impossible.
  108.     But it gets even stickier when we consider along with it the next
  109. law we will speculate about - Conservation of Matter and Energy.
  110.  
  111. Conservation Laws and Time Travel
  112. ---------------------------------
  113.     The law basically states that matter and energy can be converted
  114. into one another, but can NEVER be destroyed (as in totally
  115. eliminated) from the universe. Conversely, neither one can be created
  116. spontaneously out of nothing. A time machine that travels from now to
  117. 1000 years ago, can be said by any test available, to have appeared
  118. out of nothing, and can be said to also have dissappeared INTO nothing
  119. (from it's original starting point). This also goes for any energy
  120. that made the trip with it. As long as it remains translated out of
  121. it's original point in time, there's extra matter running around. But
  122. it doesn't stop there.
  123.     Let's assume that I build a time machine in my workshop. Then I
  124. travel back to the past, visit the workshop, and remove or destroy
  125. some irreplacable part of the machine. How then would I be able to
  126. build the machine? Paradox again!
  127.     Let's continue further along this line. I travel back in time to
  128. 1pm yesterday and remain there for one hour, then return. Upon
  129. returning, I again travel back to 1pm yesterday. I meet myself! BIG
  130. paradox!
  131.     Some may want to believe in some "grand overall" theory of
  132. Conservation. It goes something like this - since the time machine
  133. disappeared in one time period, and reappeared in another, there is
  134. still only one time machine in any one place at a time, so some kind
  135. of "overall conservation" from the beginning of time to infinity, is
  136. preserved. There's no evidence that this should be the case, but no
  137. clear evidence that it could NOT be, so let's be gracious. Now, a
  138. problem arises when I time travel from various points in the future to
  139. the SAME point in the past. If I assume I could go on doing this
  140. indefinitely, a HUGE pile of doppelgangers begins to accumulate at a
  141. single point in time, seemingly replicating me and my time machine ad
  142. infinitum. Clearly a violation of logic as well as conservation.
  143.     For MORE fun, let's say we all agree to return to the same point
  144. in future space/time. Now, how do we all occupy the same point in
  145. space/time?
  146.  
  147.     Now I here someone in the last row say, "OK, perhaps the process
  148. won't work if you try to go somewhere (or is it someWHEN?) that the
  149. time machine already is." Then the question arises, what constitutes
  150. "the time machine"? The collection of atoms and energy packets that
  151. make up it's physical structure? OK. But all of those components
  152. existed in SOME form before I built a time machine out of them. Why
  153. would matter behave differently once it was part of a time machine?
  154. Does it mean I can't travel back to my workshop to the time before I
  155. assembled the machine, when all I had were component parts? Or I can't
  156. travel to the time at the foundry where/when they cast the steel for
  157. the outer hull? A particle of matter or energy has no "knowledge" of
  158. what it is a "part of" at a given point of space/time (at least, an
  159. isolated particle has never been observed to behave differently due to
  160. where it "came from".) There's no clear place to "draw the line" -
  161. either it's drawn with no exceptions (paradox) or it's not drawn at
  162. all (impossibility)!
  163.  
  164.     That leaves the Law of Conservation of Motion. Newton described it
  165. first, but Einstein was the first to offer a viable explanation for
  166. it. (I know, I promised "no Relativity", but this will be over in a
  167. second.) A rigid fourth dimensional continuum is required for his
  168. explaination to work; and it DOES work - If E=mc^2 was incorrect,
  169. thermonuclear bombs would not explode. I think we can all agree that
  170. they DO. For anything to move around in the time dimension, it must
  171. move faster than light, acquiring infinite mass and energy along the
  172. way. Once you EXCEED the speed of light, you're traveling backwards in
  173. time - but GETTING THERE could be hazardous to your health.
  174.     Physical time travel clearly violates any law of motion, as motion
  175. ALWAYS relates to time. This effects conservation of motion, rules of
  176. kinetic energy, even the law of gravity.(At least, any law of gravity 
  177. I can think of!)
  178.  
  179. Entropy and Time Travel
  180. -----------------------
  181.     Finally, there is entropy (sounds like a philosophical statement,
  182. doesn't it?) - the tendency of matter and energy to move from order to
  183. disorder, embodied by the Second Law of Thermodynamics. This tendency
  184. toward randomization gives us the most obvious impression of "moving
  185. forward in time". It's not easy to observe the decaying orbit of a
  186. planet, or the breakdown of a lambda particle, but try to get an
  187. exploded bomb back into it's casing. That's entropy. It's happening
  188. all the time, to everything in the universe, and it's rate of decay
  189. for a given type of particle is steady in the extreme. This makes
  190. things like atomic clocks and Carbon-14 dating possible.
  191.     There's also the products of this breakdown to consider. A human
  192. body going through it's biological processes is a walking bundle of
  193. changing energy states, some changing to higher states, but more
  194. changing to lower states - always a net loss. Entropy again.
  195.     So say I travel to the past, and while there I'm breathing the air
  196. of the past, breaking down the bonds of the O2 molocules and binding
  197. them to carbon, deriving energy for my metabolism from the process. So
  198. I'm exhaling particles with lower energy states than they had when I
  199. sucked them into my lungs (or less of them; a moot point, because
  200. matter and energy are the same thing ultimately.) When I return to my
  201. original time, how do I recover all of the exhaled particles that now
  202. have an "incorrect" energy state relative to all the other particles
  203. in their "new" time-frame? I'd HAVE to, in order to perserve any idea
  204. of universal entropy; if I leave them "behind" they stay there until
  205. the end of infinity, and we never "balance the books" of the total
  206. energy state of the Universe.
  207.  
  208. Quantum Mechanics and Time Travel
  209. ---------------------------------
  210.     I suppose we're going to HAVE to bring up tachyons. I know, it IS
  211. Quantum Mechanics, but the tachyon is the darling of time-travel
  212. enthusiasts, so in anticipation of it being brought up by SOMEBODY,
  213. let's discuss it a bit.
  214.     Tachyons, though not yet detected, are predicted to exist by
  215. Quantum Theory. Let me dig out the physics text - what physicists are
  216. looking for is the decay of a lambda particle into a proton plus a pi
  217. meson. They predict they will find a nonzero value for the beta
  218. component of the spin of the proton (whew!), implying the release of a
  219. particle with reversed spin and charge - meaning it's moving "backward
  220. in time"!
  221.     The problem is they have not found such a reaction to take place.
  222. Particle accelerators have been blasting away at the particles in
  223. their cloud chambers for years now, and the shy tachyon still refuses
  224. to "show itself". Most scientists studying the subject now believe
  225. they will find something wrong with the model that predicts the
  226. existence of tachyons.
  227.  
  228.     But let's assume that they DO exist. Can a machine (or a human
  229. body) "make like a tachyon" and boogie backward in time? All you have
  230. to do is start moving backwards and wait for the past to catch up with
  231. you.
  232.     The theory that predicts tachyons says that in order to do that
  233. trick, the mass in question would have to instantly reverse the spin
  234. and charge of every sub-atomic particle in it. But since the mass is
  235. NOT made of tachyons in the first place, to impose this on any other
  236. kind of particle will have the distressing side-effect of converting
  237. the entire mass into anti-matter. MAJOR fireworks...
  238.  
  239.     This points out the error in the logic of "if tachyons can move
  240. backwards in time, then why can't something ELSE do it too?". If you
  241. subscribe to the theory that allows for the existence of the backwards
  242. moving tachyon, you can't selectivly ignore any of the corrolaries
  243. that go along with the prediction. Tachyons are a LIMITED SPECIAL
  244. CASE, and QM is full of them. Sauce for the tachyon is not necessarily
  245. sauce for the proton, in a manner of speaking. It's this plethora of
  246. limited special cases that makes coming up with a Grand Unified Theory
  247. to cover ALL the cases so difficult to formulate.
  248.  
  249. Relativity and Time Travel
  250. --------------------------
  251.     Before anybody gets upset, let me point out that the Relativity
  252. Laws provide the ONLY available means to travel in time that we know
  253. about. It's called time dilation, and it occurs during acceleration of
  254. mass. It's almost undetectable at speeds we normally deal with, but
  255. experiments with atomic clocks in space capsules have borne out the
  256. theory - it happens. An accelerating mass experiences the flow of time
  257. at a slower rate than a mass at rest. Travel to Proxima Centauri, a
  258. trip of 4.3 light years, and accelerate steadily to 9/10ths of
  259. lightspeed till you're halfway there, then de-accelerate down to rest;
  260. now turn around and go back. To you, the round trip took about 25
  261. years. Returning to earth, you find that about 3000 years have elapsed
  262. while you were gone! The closer you approach lightspeed, the more
  263. drastic the effect. A one-way trip, and only to the future, but it
  264. works!
  265.     Also, the mathematics of Relativity predict that some strange
  266. things may occur to a mass that manages to travel at a trajectory that
  267. passes the outer event horizon of a rotating black hole (look up
  268. Penrose diagrams in a text on Relativity for more about this effect.)
  269. Suffice it to say that it MAY allow a mass to travel outside it's
  270. normal space-time axis. The theory can't predict exactly HOW this
  271. effect, if it exists, would manifest itself; it could mean
  272. superluminal motion, it could mean time-travel, or it could mean
  273. emerging into a different universe entirely. It might also not follow
  274. the prediction at all (remember tachyons? Theory says we should find
  275. them, but we haven't.)
  276.     Plus there are the practical problems. Converting enough energy
  277. for a controlled fly-by of a black hole would require a LOT of logs to
  278. throw on the fire, to say the least! Something like the output of your
  279. average star should suffice. And then there's the question of what to
  280. build the hull out of - something that can handle the hellish
  281. radiation spewing out of the event horizon, as well as the
  282. acceleration, gravity pull and tidal forces involved. A few gigatons
  283. of neutron star material should do quite nicely, I would think. And
  284. also the problem of controlling the trajectory that you take, which is
  285. what determines where/when you will end up, calculated to many
  286. fiendish decimal places. The tiniest of mistakes and you end up being
  287. INTIMATELY aquainted with a black hole...
  288.  
  289.     It may be fun to think about, but it's not likely that this
  290. "loophole" in Relativity will lead to a practical time machine!
  291.  
  292. The Letter of the Law
  293. ---------------------
  294.     I've assumed throughout all my speculations here that the physical
  295. laws involved cannot be broken. To be fair, I've accepted that there
  296. can even be some slight bending in the cases of Relativity and Quantum
  297. Mechanics, which really means only that our understanding of them is
  298. incomplete. I've been really stubborn, however, regarding Conservation
  299. Laws. Is this justifiable? I believe it is.
  300.     One of Einstien's postulations was that the universe is the same
  301. everywhere. The rules governing the behavior of mass and energy are
  302. the same no matter where you are. And in ALL known cases, the Laws of
  303. Conservation hold rigorously, from the behavior of galaxies to the
  304. behavior of particles. They are what Quantum scientists use to find
  305. new quantum states. The existence of the neutrino was postulated using
  306. them, and this very elusive particle has been successfully detected,
  307. behaveing exactly as the Laws say it should.
  308.      If we allow exceptions, we have some serious problems trying to
  309. find another way to explain all the phenomena occuring in our
  310. universe. Conservation is a FACT, as cast in immutable stone as
  311. anything like it can possibly be.
  312.     Any theory is an exercise in speculation, and must start with
  313. assumptions. I chose the ones that allowed for the reality of ghost
  314. particles and hydrogen bombs. I think I'm in good company. But what
  315. truly matters is self - consistancy. Make you own assumptions and see
  316. where they take you. However, once you make them, stick to them, or
  317. you can't expect truth to emerge.
  318.  
  319. A Few Direct Quotes
  320. -------------------
  321.     First, from the fictional character of Lazarus Long, the oldest
  322. living human, (when last seen, over 2000 years old!)created by Robert
  323. Heinlein:
  324.     "What are the facts? Again and again and again - what are the
  325. FACTS? Shun wishful thinking, ignore divine revelation, forget what
  326. "the stars foretell", avoid opinion (especially your own), care not
  327. what the neighbors think, never mind the "unguessable verdict of
  328. history" - what are the facts, and to how many decimal places? You
  329. pilot always into an unknowable future, and facts are your single
  330. clue. GET THE FACTS!"
  331.  
  332.     Lastly, from Isaac Asimov, a NON-fictional character (but quite a
  333. character, nonetheless):
  334.     "It is not required of The Laws of the Universe that they manifest
  335. themselves in a way that is convienient."
  336.  
  337.     In other words, "anything is possible" might simply be impossible.
  338. The universal dice just might be loaded in such a way that things like
  339. time travel and faster-than-light speeds are TRULY IMPOSSIBLE, now and
  340. forever, no matter how much we may wish it were otherwise.
  341.  
  342.     But take heart. There are enough wonderous, mind-boggling things
  343. left in the Universe to keep us entertained for a very long time to
  344. come...
  345.  
  346.     ...but please, no time machines.
  347.  
  348.