بی تردید "دکتر هو" یکی از معروف‌ترین داستان‌ها درباره سفر در زمان است. در کنار ماشین زمان و سفر به آینده، در این داستان، وسوسه‌ها و پارادوکس‌های بازدید از گذشته و سفر به آینده مورد بررسی قرار گرفته است.
به گزارش خبرآنلاین، در یک نمایش تلویزیونی، دکتر با ماشین زمان خود به نام " تاردیس" در زمان سفر می‌کند: او با سفینه پیشرفته‌اش می‌تواند به هر جایی در زمان و مکان برود و تاردیس درک ما از فضای فیزیکی را به چالش می‌کشد. داخل تاردیس از آنچه که از بیرون به چشم می‌آید، بزرگتر است.
در شرایطی که سفر در زمان برای دکتر هو، امری اساسی است، اما در جریان برنامه، هرگز تلاش نمی‌شود تا توانایی‌های تاردیس را در چیزی شبیه به فیزیکی دنیای واقعی شبیه‌سازی کند. شاید عجیب باشد که بخواهیم در این باره شکایت کنیم که دکتر هو هویتی افسانه‌ای دارد و نمی‌خواهد یک علمی تخیلی واقع‌گرایانه باشد.
اما در دنیای واقعی اوضاع به چه ترتیب است؟ آیا تا به امروز توانسته‌ایم یک ماشین زمان بسازیم و به گذشته سفر کنیم یا برای دیدن نوادگانمان به آینده برویم؟ پاسخ دادن به این سوال نیازمند درک این مسئله است که زمان واقعا چطور کار می‌کند؟ این موضوعی است که فیزیک‌دانان در موردش مطمئن نیستند و تنها چیزی که می‌توانیم با اطمینان بگوئیم این است که سفر به آینده دست یافتنی است؛ اما سفر به گذشته بسیار دشوار یا کاملا غیر ممکن است.
بیایید بحث را با نظریه نسبیت آلبرت اینشتین آغاز کنیم که توصیفی از فضا، زمان، جرم و گرانش را ارائه می‌کند. نتیجه کلیدی نسبیت این است که جریان زمان ثابت نیست و بسته به شرایط، سرعت زمان ممکن است افزایش یا کاهش بیابد.
به عنوان مثال اگر شما با سرعت نور حرکت کنید، زمان کندتر می‌گذرد؛ هر چند که باید برای مشاهده اثر قابل توجه آن، به سرعت نور نزدیک شده باشید. برای بررسی بیشتر یک جفت دوقلو را درنظر بگیرید که در آن یکی از این دوقلو‌های همسان، فضانورد می‌شود و با سرعتی نزدیک به سرعت نور در فضا می‌چرخد و دیگری روی زمین باقی می‌ماند. فرد فضانورد، کندتر از دوقلوی زمینی خود پیر می‌شود.
ولاتکو ودرال، فیزیکدان کوانتومی دانشگاه آکسفورد بریتانیا در این باره گفته: «اگر شما سفر کنید و برگردید، واقعا از برادر دوقلویتان جوان‌تر خواهید بود.» این اتفاقی بود که برای دوقلو‌هایی به نام اسکات و مارک کلی در دنیای واقعی رخ داد و اسکات چند ماهی را در فضا سپری کرد؛ اما نتوانست به سرعتی نزدیک به سرعت نور برسد.
به صورت مشابه، اگر شما در یک میدان گرانشی شدید مثل یک سیاهچاله قرار بگیرید، زمان برایتان کندتر می‌گذرد. اما آزبورن، اخترفیزیکدان دانشگاه یورک انگلیس در این باره گفته: «سر شما سریعتر از پاهایتان پیر می‌شود؛ چرا که گرانش زمین در اطراف پاهایتان قوی‌تر است.»
دکتر هو از این موضوع به عنوان تنظیمات فصل ۱۰ World Enough and Time استفاده کرد. در این فصل دکتر و دوستانش در یک سفینه فضایی در نزدیکی یک سیاهچاله به دام افتادند و در جلوی سفینه و در فضای نزدیک به سیاهچاله، زمان کندتر از بخش پشتی سپری می‌شد. این بدان معنا بود که گروهی از سایبرمن‌ها در بخش عقبی سفینه می‌توانستند در عرض چند دقیقه به یک ارتش بزرگ تبدیل شوند. این تاثیر گرانش بر زمان، در فیلم Interstellar نیز دیده می‌شود.
در زندگی روزمره ما، این اثرات نسبیتی واقعا ناچیز است و به چشم نمی‌آید، ولی در ماهواره‌هایی که ما از آن‌ها برای GPS بهره می‌بریم، تاثیرگذار هستند. آزبورن دراین باره گفته: «ساعت‌ها در فضا سریعتر از ساعت‌ها در زمین سریعتر کار می‌کنند و از همین رو باید دائما تنظیم شوند. اگر ما این کار را نمی‌کردیم، برنامه نقشه گوگل در طول هر روز حدود ۱۰ کیلومتر خطا داشت.»
نسبیت بدین معناست که سفر به آینده ممکن است. برای این کار حتی به یک ماشین زمان هم نیاز نیست و حتی لازم هم نیست که با سرعتی نزدیک به سرعت نور سفر کنیم و یا زمانی را در یک میدان گرانشی شدید بگذرانیم. در نسبیت، این دو عمل اساسا معادل هم هستند. در هر حال، زمان نسبتا کوتاهی از زمان ذهنی را تجربه خواهید کرد و این در حالی است که دهه‌ها یا قرن‌ها در بقیه جهان سپری شده است. اگر می‌خواهید ببینید که صد‌ها سال دیگر چه اتفاقاتی رخ خواهد داد، این گونه می‌توان این کار را انجام داد.
از سوی دیگر، عقب رفتن در زمان، به مراتب سخت‌تر از این‌هاست. باراک شوشانی، فیزیکدان نظری دانشگاه براک کانادا می‌گوید: «این شاید ممکن و شاید هم غیرممکن باشد. آنچه ما در حال حاضر در اختیار داریم، تنها دانشی ناکافی و احتمالا نظریه‌های ناکافی هستند.»
نسبیت چند گزینه برای سفر به گذشته ارائه می‌دهد که البته همه این‌ها کاملا در حد تئوری هستند. کتی مک، کیهان‌شناس نظری در موسسه فیزیک نظری پیرامونی در واترلوی کانادا در این باره گفته «مردم در تلاش برای یافتن راه‌هایی برای بازآرایی فضا-زمان هستند تا بتوانند سفر به گذشته را مقدور کنند.»
یک راه این است که یک منحنی بسته زمان مانند ایجاد کنیم: مسیری در فضا و زمان که به شکل یک حلقه بسته با حرکت در آن به جای ابتدایی خود باز خواهید گشت. توصیف ریاضی چنین مسیری در سال ۱۹۴۹ توسط منطق‌دانی به نام کورت گودل منتشر شد و بسیاری از افراد هم آن را دنبال کردند. اما به چند دلیل، این رویکرد امیدوارکننده‌ای به نظر نمی‌رسد.
وردال در این رابطه گفت: «ما نمی‌دانیم که آیا این در هیچ کجای کیهان وجود دارد یا نه. این کاملا نظری است و هیچ مدرکی در این رابطه وجود ندارد.»
به علاوه اصلا مشخص نیست که چطور می‌توان چنین چیزی ساخت. امیلی آدلام، فیلسوف دانشگاه چپمن کالیفرنیا در این رابطه گفته: «حتی اگر قدرت‌های تکنولوژی به مراتب بیشتری نسبت به امروز داشته باشیم، بعید است بتوان منحنی‌های بسته زمان مانند را ایجاد کرد.» وردال گفته که حتی اگر می‌شد این کار را هم کرد، ما نمی‌خواستیم این کار را انجام دهیم: «شما به معنای واقعی کلمه دقیقا همان چیز را بار‌ها و بار‌ها تکرار خواهید کرد.»
دکتر هو تنظیمات مشابهی را در اپیزود Heaven Sent انجام داد که در آن دکتر یک بازه زمانی چند ساعته را برای چندین بار در طول میلیارد‌ها سال زندگی می‌کند. البته این شامل یک منحنی زمان مانند بسته نبود و بلکه استفاده مکرر از تله پورتر بود.
در همین راستا، فیزیک‌دانی به نام ریچارد گات در مطالعه‌ای در سال ۱۹۹۱، توصیفی ریاضی را از یک سناریوی عجیب ارائه کرد که در آن "دو رشته کیهانی" در جهت مخالف کنار هم حرکت می‌کردند و طبق محاسبات او، این منحنی‌های زمان مانند، بسته‌ای را در اطراف رشته‌ها ایجاد می‌کرد.
این مفید به نظر می‌رسد؛ اما ما کجا می‌توانیم یک جفت رشته کیهانی پیدا کنیم؟ بر طبق برخی نظریه‌ها، این‌ها پدیده‌هایی فرضی هستند که ممکن است در اوایل کیهان شکل گرفته باشند، ولی هیچ یک تا به امروز شناسایی نشده‌اند. مک در این باره گفته: «ما هیچ دلیلی نداریم که باور کنیم که این رشته‌های کیهانی وجود دارند.» حتی اگر وجود هم داشته باشند، پیدا کردن دو رشته کیهانی که به شکلی منظم به موازات هم حرکت کنند، بسیار شانسی خواهد بود.
در نتیجه دلیلی نیست تا باور کنیم که این اتفاق رخ خواهد داد. پدیده دیگری هم هست که ظاهرا با نسبیت جور در می‌آید: کرم چاله ها؛ در تئوری این امکان وجود دارد که فضا- زمان مانند یک تکه کاغذ تا شده و با ایجاد یک تونل، اجازه دهد تا یک میانبر بین دو نقطه کاملا جدا شده، ایجاد شود. وردال دراین باره گفته: «کرم‌چاله‌ها از نظر تئوری نسبیت عامل، امکان‌پذیر هستند.»
با این وجود، دوباره مشکلات به سرعت افزایش پیدا می‌کنند. در ابتدا، ما هیچ مدرکی مبنی بر وجود کرم‌چاله‌ها نداریم. آزبورن در این باره گفته: «از نظر ریاضی نشان داده شده که ممکن است کرم‌چاله‌ها وجود داشته باشند، اما آیا اینکه آن‌ها از نظر فیزیکی وجود داشته باشند، بحث دیگری است.»
به علاوه اگر کرم‌چاله‌ها وجود داشته باشند، عمر آن‌ها بسیار کوتاه است. آزبورن ادامه داد: «معمولا کرم‌چاله‌ها تحت عنوان دو سیاهچاله که به یکدیگر متصل شده‌اند توصیف می‌شوند.» این بدان معناست که یک کرم‌چاله میدان گرانشی فوق‌العاده شدیدی خواهد داشت و تحت گرانش خود فرو می‌پاشد.
کرم‌چاله‌های واقعی از نظر میکروسکوپیک کوچک هستند و نمی‌توانید یک انسان و حتی یک باکتری را در یکی از آن‌ها جای دهید.
در تئوری، هر دوی این مشکلات قابل حل هستند، ولی به مقدار عظیمی از چیزی که "انرژی منفی" نامیده می‌شود، نیاز خواهد بود. این چیزی است که ممکن است در کوچکترین مقیاس مطلق اتفاق بیفتد؛ در فضایی کوچکتر از اتم‌ها.
آزبورن گفته که یک میدان انرژی باید یک انرژی کلی مثبت داشته باشد، اما ممکن است در درون آن بسته‌های کوچکی از انرژی منفی نیز وجود داشته باشد. او گفته: «چیزی که شما می‌خواهید این است که این بسته‌های کوچک انرژی منفی محلی گسترش پیدا کند و فکر نمی‌کنم که این ماجرا به هیچ ترتیبی امکان‌پذیر باشد.»
ودرال هم در ادامه گفت: «این گزینه خیلی واقع‌بینانه به نظر نمی‌رسد.»
بخش عمده‌ای از بحث سفر در زمان بر پایه نسبیت مطرح می‌شود. اما در مورد دیگر نظریه بزرگ جهان، یعنی مکانیک کوانتومی چه می‌توان گفت؟
در شرایطی که نسبیت، رفتار اجرام بزرگی مثل انسان‌ها و کهکشان‌ها را توصیف می‌کند، مکانیک کوانتومی به توصیف اجرام بسیار کوچک، یعنی اجرامی کوچکتر از اتم، مثل الکترون‌ها و فوتون‌ها می‌پردازد. در این مقیاس‌های کوچکتر از اتم، فیزیک به گونه‌ای وارد عمل می‌شود که شهود ما را مخدوش می‌کند.
یکی از مشاهدات عجیبی که از مطالعه قلمرو کوانتومی به دست آمده، غیرمحلی بودن آن است. تغییر در حالت یک ذره در یک مکان، می‌تواند فورا بر ذره در هم تنیده دیگری در جایی دیگر تاثیر بگذارد (این همان چیزی است که اینشتین از آن تحت عنوان "عمل شبح‌آور در فاصله‌ای دور" یاد می‌کند).
آدلام در این رابطه گفته: «این موضوع بار‌ها در تحقیقات برنده جایزه نوبل به شکل تجربی نشان داده شده است.» او ادامه داد: «بسیاری از فیزیک‌دانان از احتمال غیرمحلی بودن بسیار ناراضی هستند.» آن هم به این دلیل است که برای آنکه تاثیرگذاری آنی باشد، اطلاعات باید با سرعتی بیشتر از سرعت نور از جایی به جای دیگر منتقل شود و این امری غیرممکن به نظر می‌رسد.
برخی از فیزیک‌دانان در واکنش به این موضوع، راه‌های جایگزینی را برای تفسیر آزمایش‌ها پیشنهاد کرده‌اند. این تفاسیر از غیرمحلی بودن فارغ هستند، ولی انجام این کار، درک ما از زمان را به هم می‌ریزد. آدلام ادامه داد: «به جای اینکه یک اثر آنی غیرمحلی داشته باشید، فقط اثر خود را به آینده می‌فرستید و این در نقطه‌ای تغییر کرده و به گذشته بر می‌گردد. این آنی به نظر می‌رسد.»، ولی در واقعیت، این اثر سفری به آینده و بازگشت دوباره خواهد بود.
به نظر می‌رسد که این تعبیر، "علیت معکوس" را معرفی می‌کند؛ یعنی رویداد‌هایی در آینده که در گذشته تاثیر داشته‌اند. این برخلاف شهود ماست. چرا که ما رویداد‌ها را در یک خط مستقیم، از گذشته تا حال و سپس در آینده تصور می‌کنیم. در این تنظیمات کوانتومی عجیب، ممکن است اطلاعات به آینده و سپس به گذشته بازگردند.
اولین چیزی که باید به آن توجه کرد این است که این تفسیر از آزمایش‌ها و از پذیرش جهانی فاصله زیادی دارد. بسیاری از فیزیک‌دانان کوانتومی استدلال می‌کنند که "علیت معکوس" به اندازه معرفی غیرمحلی بودن، یا حتی بیشتر از آن، غیرقابل درک و غیرقابل هضم است.
حتی در صورتی که علیت معکوس واقعی باشد هم احتمالا به ما در مسیر تبدیل شدن به "ارباب زمان" کمکی نمی‌کند. آدلام دراین باره گفت: «علیت معکوس با سفر در زمان یکسان نیست.»
برای یک چیز، مشاهدات ما از غیرمحلی بودن، شامل تعداد کمی از ذرات است. بزرگ شدن در ابعاد یک انسان یا حتی چیزی کوچکتر، مثل یک تکه کاغذ، چالش بزرگی خواهد بود. طبق گفته آدلام، این امکان وجود ندارد که حتی پیغامی را به گذشته ارسال کنیم. او در این باره گفته: «علیت معکوس به طور خاص، در روشی که اجرا می‌شود، پنهان است.»
این را با فکر کردن از طریق یک آزمایش بهتر درک می‌کنید. تصور کنید که آدام یک آزمایش اندازه‌گیری را در یک آزمایشگاه انجام می‌دهد. در هر حال نتیجه‌ای که او به دست می‌آورد، وابسته به اندازه‌گیری‌ای است که بث در آینده انجام خواهد داد. به عبارت دیگر، آزمایشات بث در آینده، نتیجه آزمایشات آدام در گذشته را تعیین خواهد کرد. در هر حال، تنها در صورتی به نتیجه خواهیم رسید که آزمایشات بث، تمام سوابق کار‌هایی که آدام دیده و انجام داده را از بین ببرد.
آدلام می‌گوید: «شما به نوعی، سیگنالی را به گذشته ارسال می‌کنید، ولی تنها با از بین بردن تمام سوابق چیز‌هایی که در گذشته اتفاق افتاده است. شما نمی‌توانید از آن استفاده عملی کنید؛ چرا که لزوما باید سوابق به دست آمده در گذشته را از بین برده و این سیگنال را ارسال کنید.»
با درک کنونی ما از کیهان، ما به طور بالقوه می‌توانیم به آینده سفر کنیم؛ اما درباره احتمال سفر به گذشته، احتمالا با یک "نه" قاطع روبرو می‌شویم.
تنها خلاء باقیمانده این است که تئوری‌هایی که این ماجرا براساس آن‌ها استوار هستند، ناقص باشند. نسبیت و مکانیک کوانتومی برای جنبه‌های خاصی از کیهان بسیار خوب عمل می‌کنند، اما با هم سازگار نیستند. این نشان می‌دهد که ما به یک نظریه عمیق‌تر نیاز داریم تا این دو تئوری را با هم متحد کند؛ اما به رغم چندین دهه تلاش، هنوز به چنین نظریه‌ای نرسیده‌ایم. شوشانی دراین باره می‌گوید: «تا زمانی که به این نظریه نرسیم، نمی‌توانیم مطمئن باشیم.»