年代順保護推測

クロノロジー保護予想は、スティーブン・ホーキングが初めて提唱した仮説であり、標準的な一般相対性理論を超える物理法則が、微視的スケール以外でのタイムトラベルを妨げるというものである。後者の理論ではタイムトラベルが可能であるとされている場合でも（光速を超える移動が許されるシナリオなど）、タイムトラベルは可能である。タイムトラベルの許容性は、一般相対性理論の場の方程式のいくつかの解における閉じた時間的曲線の存在によって数学的に表される。クロノロジー保護予想は、すべての閉じた時間的曲線が事象の地平線を通過するというクロノロジー検閲とは区別されるべきであり、事象の地平線を通過すると、観察者が因果違反を検出できなくなる可能性がある^{[1] （}クロノロジー違反とも呼ばれる）。^[2]

1992 年の論文で、ホーキングは「年代順保護機関」という比喩的な装置を使って、マクロスケールでタイムトラベルを不可能にする物理学の側面を擬人化し、それによって時間的パラドックスを明らかに防いでいる。彼は次のように述べている。

どうやら、閉じた時間曲線の出現を防ぎ、歴史家にとって宇宙を安全なものにする年代学保護局が存在するようだ。^[3]

クロノロジー保護局のアイデアは、タイムパトロールやタイムポリスの概念から冗談めかして引き出されたものと思われる。この概念は、ポール・アンダーソンのタイムパトロールシリーズやアイザック・アシモフの小説『永遠の終り』、テレビシリーズ『ドクター・フー』など、多くのSF作品^[4]で使用されている。 ホーキングの論文の後に出版されたポール・レビンソンの「クロノロジー保護事件」では、タイムトラベルの手段を発明しそうな科学者を殺害するような宇宙を想定している。ラリー・ニーヴンは短編小説『回転する円筒と地球規模の因果律違反の可能性』でこの概念を拡張し、宇宙は、建設が成功した兆候を示す文明に対して、環境災害、地球規模の内戦、または太陽の局所的な新星爆発を引き起こすとしている。

閉じた時間的曲線のシナリオを生成するための多くの試みが提案されており、一般相対性理論は特定の状況下でそれらを可能にする。閉じた時間的曲線を含む一般相対性理論の理論的解決には、ゲーデル計量の万有回転やティプラー円筒として知られる無限長の回転円筒など、私たちの宇宙には見られない特定の特徴を持つ無限宇宙が必要となる。しかし、いくつかの解決法では、閉じた時間的曲線を時空の境界領域に作成することが可能であり、コーシー地平線は、閉じた時間的曲線が存在できる時空領域と、それが存在できない残りの時空領域との境界である。^[5]最初に発見されたそのような境界付きタイムトラベルの解決法の1つは、通過可能なワームホールから構築されたもので、ワームホールの2つの「口」の1つを相対速度で往復し、もう1つの口との間に時間差を作るというアイデアに基づいている（ワームホール#時間旅行の議論を参照）。

一般相対性理論自体には量子効果は含まれず、一般相対性理論と量子力学の完全な統合には量子重力理論が必要になるが、一般相対性理論の曲がった時空における量子場をモデル化する近似法があり、これは半古典的重力として知られている。半古典的重力を通過可能なワームホールタイムマシンに適用する初期の試みでは、ワームホールが初めて閉じた時間的曲線を許容するまさにその瞬間に、量子真空のゆらぎが蓄積し、ワームホールの領域でエネルギー密度が無限大になることが示された。これは、2 つのワームホールの入口 (A と B と呼ぶ) が、光速で移動する粒子または波が T _{2 の時点で B の入口に入り、T 1}の時点で A の入口から出て、通常の空間を通って B の入口に向かって戻り、前のループで B に入ったのと同じ T ₂時点で B の入口に到着するように移動されたときに発生する。このようにして、同じ粒子または波が同じ時空領域を通過する無限のループを作成し、それ自体に積み重なる可能性があります。^[6]計算により、この効果は通常の放射線ビームでは発生しないことが示されました。これは、ワームホールによって「焦点がぼかされる」ため、開口部 A から出たビームの大部分が広がり、開口部 B を通り抜けるためです。^{[7]しかし、}真空の変動について計算を行ったところ、開口部間の移動時に自動的に焦点が再調整されることがわかり、この場合、積み重なり効果がワームホールを破壊するほど大きくなる可能性があることを示しました。^[8]

この結論については不確実性が残っていた。なぜなら、半古典的な計算では、パイルアップはエネルギー密度をほんの一瞬だけ無限大に押し上げ、その後エネルギー密度は低下すると示されていたからである。^{[9]しかし、半古典的な重力は、}プランクスケールに達する大きなエネルギー密度や短い時間周期に対しては信頼できないと考えられている。これらのスケールでは、正確な予測には完全な量子重力理論が必要である。したがって、量子重力効果によってエネルギー密度がワームホールを破壊するほど大きくなるのを防ぐことができるかどうかは不確実である。^[10]スティーブン・ホーキングは、真空揺らぎのパイルアップが量子重力でもワームホールを破壊することに成功するだけでなく、物理法則が最終的にあらゆる種類のタイムマシンの形成を防ぐだろうと推測した。これがクロノロジー保護予想である。^[11]

その後の半古典的重力に関する研究では、真空揺らぎによるエネルギー密度がコーシー地平線の外側の時空領域で無限大に近づかない、閉じた時間的曲線を持つ時空の例が示された。^[11]しかし、1997年に、半古典的重力によれば、量子場のエネルギー（より正確には、量子応力エネルギーテンソルの期待値）は、地平線自体では常に無限大か未定義のいずれかでなければならないことを示す一般的な証明が見つかった。 ^[12]どちらの場合も、半古典的方法は地平線で信頼できなくなり、量子重力効果がそこで重要になることを示しており、そのような効果が常に介入してタイムマシンの形成を妨げる可能性と一致している。^[11]

クロノロジー保護予想の地位に関する明確な理論的決定には、半古典的な方法ではなく、完全な量子重力理論^{[13]が必要となる。}弦理論からもクロノロジー保護を支持すると思われる議論がいくつかあるが^{[14] [15] [16] [17] [18] 、弦理論はまだ完全な量子重力理論ではない。閉じた時間的曲線の実験的観察は、もちろんこの予想が}誤りであることを実証するだろうが、そうでなくても、物理学者が他の分野で十分に確認された予測を持つ量子重力理論を持っていれば、時間旅行の可能性または不可能性に関する理論の予測にかなりの自信を与えることになるだろう。

タイムラインの一貫性を保つことを保証するノビコフの自己無撞着原理や、タイムトラベラーが元のタイムラインをそのままにしたまま並行宇宙に連れて行かれるという考えなど、逆方向へのタイムトラベルを可能にしながらタイムパラドックスを防ぐ他の提案は、「年代順の保護」には該当しません。

• 因果関係
• 宇宙検閲仮説
• ノビコフの自己無撞着原理
• タイムトラベル
• ワームホール

• ホーキング、SW、(1992)年代順保護予想。物理学改訂版D46、603-611。
• Matt Visser、「量子物理学による年代順保護」、GW Gibbons (編集者)、EPS Shellard (編集者)、SJ Rankin (編集者) 著『理論物理学と宇宙論の未来: スティーブン・ホーキングの 60 歳の誕生日を祝う』
• Li, Li-Xin (1996). 「タイムマシンは真空の変動に対して不安定になるか?」.クラス. 量子重力. 13 (9): 2563–2568. arXiv : gr-qc/9703024 . Bibcode :1996CQGra..13.2563L. doi :10.1088/0264-9381/13/9/019. S2CID  250909592.

• https://web.archive.org/web/20101125122824/http://hawking.org.uk/index.php/lectures/63
• https://plus.maths.org/content/time-travel-allowed —キップ・ソーンが一般相対性理論におけるタイムトラベルと、量子物理学における年代順保護予想の基礎について論じる