КАК СОЗДАТЬ МАШИНУ ВРЕМЕНИ?
Сложно, но возможно
Пол Дэйвис
Многие годы путешествия во времени не вписывались в рамки серьезной науки. Тем не менее эта тема стала чем — то вроде побочного занятия для физиков-теоретиков. Размышления о путешествиях во времени приводят к довольно забавным и в то же время весьма глубокомысленным выводам. Например, сущность единой теории физики, основанной на понимании связи между причиной и следствием, придется серьезно пересмотреть, если свободное перемещение во времени хотя бы в принципе возможно.
Наиболее полное понятие о времени дает нам теория относительности Эйнштейна. До ее возникновения время считалось универсальным и абсолютным, одинаковым для каждого на- блюдателя независимо от его физического состояния. В своей специальной теории относительности Эйнштейн выдвинул предположение, что значение интервала времени, измеряемого между двумя событиями, зависит от того, каким образом движется наблюдатель. Иными словами, два наблюдателя, движущихся по-разному, отметят различную продолжительность интервалов между одними и теми же двумя событиями.
Подобные явления часто называют «парадоксом близнецов».
Сдвиг во времени
Эффект растяжения времени возникает всякий раз, когда один наблюдатель движется относительно другого.
Чтобы пронаблюдать действительно заметные искажения времени, нам придется заглянуть за пределы повседневного опыта. В больших ускорителях элементарные частицы могут быть разогнаны до скоростей, близких к скорости света. Некоторые из частиц, такие как мюоны, обладают «встроенными часами», ибо имеют определенный период полураспада. Наблюдения показывают, что в соответствии с теорией Эйнштейна мюоны, движущиеся в ускорителе с высокой скоростью, распадаются медленнее. Для неподвижного наблюдателя заметные временные искажения испытывают и частицы космических лучей. Скорость движения этих частиц настолько близка к скорости света, что с их «точки зрения» они пересекают галактику за считанные минуты, хотя в земной системе отсчета это занимает десятки тысяч лет. Если бы не проявлялось растяжение времени, подобные частицы никогда не достигли бы Земли.
Скорость — один из способов перенестись в будущее. Другой способ — гравитация. В общей теории относительности Эйнштейн показал, что гравитация замедляет ход времени. Часы на крыше идут немного быстрее, чем часы в подвале, которые находятся ближе к центру Земли и поэтому сильнее испытывают влияние ее поля тяготения. Аналогично часы в космосе идут быстрее, чем на Земле. Наблюдаемые отклонения очень незначительны, однако они были зафиксированы высокоточными часами. Эти искажения времени были учтены при создании Глобальной системы позиционирования (GPS), иначе моряки, таксисты и крылатые ракеты постоянно сбивались бы с курса.
Гравитация нейтронных звезд настолько велика, что время на их поверхности замедляется примерно на 30% по сравнению со временем на Земле. События, происходящие на Земле и наблюдаемые с одной из таких звезд, будут похожи на ускоренное видео. Черные дыры представляют предельный вариант искажения времени: на их поверхности время неподвижно застыло для внешнего наблюдателя. Это значит, что за то короткое время, которое наблюдатель затратит на падение на поверхность черной дыры, во всей остальной Вселенной пройдет целая вечность. Поэтому для стороннего наблюдателя область внутри черной дыры находится за пределами конца времен. Если бы некий космонавт сумел приблизиться к черной дыре на малое расстояние, а затем вернуться живым и невредимым, — несомненно, фантастичный и к тому же безрассудный проект, — то он смог бы оказаться в далеком будущем.
Голова идет кругом
До сих пор речь шла о перемещении в будущее. А как насчет путешествия в прошлое? Здесь все гораздо сложнее. В 1948 г. Курт Гедель (Kurt Gaedel) нашел решение для составленных Эйнштейном уравнений гравитационного поля, описывающих вращающуюся Вселенную. Путешествуя в пространстве такой Вселенной, космонавт может достичь своего прошлого. Это происходит вследствие воздействия поля тяготения на электромагнитные волны. В такой Вселенной свет (и, соответственно, причинно-следственная связь между объектами) будет вовлечен во вращательное движение, что позволит материальным объектам описывать траектории, замкнутые не только в пространстве, но и во времени. Пожав плечами, решение Геделя отложили в сторону как математический парадокс — в конце концов, нет свидетельств того, что вся наша Вселенная вращается. Тем не менее полученный Геделем результат показал, что теория относительности не исключает перемещения назад во времени. Более того, сам Эйнштейн был озадачен этим фактом.
А наиболее правдоподобный сценарий машины времени появился в середине 80-х гг. прошлого века. Он основан на концепции пространственно-временного туннеля.
В научной фантастике пространственно-временные туннели часто называются звездными вратами; они представляют кратчайший путь между двумя далеко разнесенными в пространстве точками. Войдя в гипотетический пространственно-временной туннель, вы можете через несколько мгновений выйти из него на другом конце галактики. Звездные врата действительно вписываются в общую теорию относительности, согласно которой тяготение искажает не только время, но и пространство. Эта теория позволяет провести аналогию с объездной дорогой и туннелем, соединяющими две точки пространства. Математики называют такое пространство многосвязанным. Так же как туннель сквозь горный хребет обычно короче объездной дороги, так и пространственно-временной туннель может быть короче пути в обычном пространстве.
Фантастический пространственно-временной туннель описан в романе Карла Сагана «Контакт», вышедшем в свет в 1985 г. Вдохновленный Саганом, Кип С. Торн (Kip S. Thorne) и его сотрудники из Калифорнийского технологического института решили выяснить, не противоречит ли идея звездных врат законам современной физики. Отправной точкой их исследований стало предположение о том, что пространственно-временной туннель должен быть схож с черной дырой, являясь телом с чудовищной силой тяготения. Однако в отличие от черной дыры, которая предлагает безвозвратно отправиться в никуда, звездные врата должны иметь не только вход, но и выход.
В петле
Чтобы пространственно-временной туннель был проходимым, он должен содержать, говоря словами Торна, экзотическую материю. Это должно быть нечто, создающее антигравитационное поле и тем самым препятствующее превращению массивной системы в черную дыру под действием собственной гигантской массы. Источником антигравитации, или гравитационного отталкивания, может стать отрицательная энергия. Как известно, отрицательные энергетические состояния присущи некоторым квантовым системам. Это наводит на мысль, что существование торновской экзотической материи не противоречит законам физики. Тем не менее пока неизвестно, удастся ли создать достаточное количество антигравитационного вещества для стабилизации туннеля.
Вскоре Торн и его коллеги осознали, что в случае создания стабильного пространственно-временного туннеля он может быть использован как машина времени: пройдя через такой туннель, можно будет оказаться не только в другой точке Вселенной, но и в другой точке времени — в прошлом или в будущем.
Чтобы приспособить туннель для путешествий во времени, необходимо один из его входов отбуксировать на достаточно близкое расстояние к поверхности нейтронной звезды. Тяготение звезды замедлит время вблизи этого входа в туннель, поэтому разница во времени между двумя входами будет накапливаться. Если затем поместить оба входа в соответствующем месте пространства, разница во времени между ними останется зафиксированной.
Самой большой проблемой при создании туннельной машины времени является построение пространственно-временного туннеля. Возможно, наше пространство пронизано такими туннелями еще со времени Большого взрыва. В таком случае высокоразвитая цивилизация могла бы воспользоваться одним из них. Пространственно-временные туннели могут также возникать в микроскопических масштабах и иметь размеры порядка атомного ядра. В принципе такой туннель может быть стабилизирован энергетическим импульсом и затем как-нибудь растянут до приемлемых размеров.
| СИСТЕМА | ХАРАКТЕРИСТИКИ | НАКАПЛИВАЕМЫЙ ВРЕМЕННОЙ СДВИГ |
| Авиаперелет | скорость 920 км/ч в течение 8 часов | 10 наносекунд (относительно инерциальной системы отсчета) |
| Рейс атомной подводной лодки | глубина 300 м в течение 6 месяцев | 500 наносекунд (относительно уровня моря) |
| Нейтрон космического луча | 10 18 электрон-вольт | Среднее время жизни увеличивается с 15 минут до 30 тыс. лет |
| Нейтронная звезда | красное смещение составляет 0,2 | Временные интервалы увеличиваются на 20 % (относительно открытого космоса |
Запрещено цензурой!
Допустим, что инженерные трудности преодолимы. Тогда создание машины времени открывает ящик Пандоры, содержащий массу причинных парадоксов. Представьте себе путешественника, который отправляется в прошлое и убивает свою мать, которая в тот момент была еще маленькой девочкой. Бессмыслица, не правда ли? Если девочка погибает, то она не может стать матерью нашего путешественника. Но если он никогда не был рожден, то как он попал в прошлое и убил свою мать?
Парадоксы такого рода возникают всякий раз, когда путешественник пытается внести в свое прошлое заведомо невозможные изменения. Однако это не мешает кому-нибудь быть частью своего прошлого. Предположим, что, попав в прошлое, путешественник спасает юную леди от убийства, а она затем становится его матерью. Причинная петля в этом случае является самосогласованной и не выглядит парадоксальной. Таким образом, причинная согласованность может накладывать ограничения на действия путешественника во времени и вместе с тем не исключает путешествия во времени как таковые.
Неестественные последствия путешествий во времени заставили некоторых фантастов напрочь отказаться от этой идеи. Стефан Хокинг (Stephen W. Hawking) из Кембриджского университета выдвинул «гипотезу защиты хронологии», которая запрещает существование причинных петель. Поскольку теория относительности, как известно, допускает путешествия в прошлое, то для защиты хронологии должен существовать какой-либо фактор, запрещающий такие путешествия. Что может стать таким фактором? Возможно, на помощь придут квантовые процессы. Существование машины времени позволит частицам попадать в свое собственное прошлое. Вычисления показали, что возникающая в результате этого цепная реакция породит расходящуюся энергетическую волну, которая разрушит туннель.
Защита хронологии все еще остается гипотезой, поэтому путешествия во времени пока не могут считаться невозможными. Вероятно, окончательное решение этой проблемы будет возможно в случае успешного обобщения квантовой механики и теории тяготения с использованием теории струн и ее дополнений (так называемой М-теории). Вполне возможно, что ускорители элементарных частиц следующего поколения будут способны создавать субатомарные пространственно-временные туннели, стабильности которых будет достаточно для совершения ближайшими частицами стремительных временных петель. Это будет лишь отголосок уэллсовского видения машины времени, который, впрочем, навсегда изменит нашу картину физической реальности.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник
Мы уже знаем, как построить машину времени
Это всего лишь вопрос времени, когда мы построим то, что сможет перенести нас в далёкое будущее.
В сентябре 2015 года космонавт Геннадий Падалка в последний раз вернулся на Землю. Он только что завершил свою шестую миссию в космосе и побил рекорд общего времени, проведённого за пределами атмосферы Земли: 879 дней. И из-за этих 2,5 лет, проведённых на орбите планеты на высоких скоростях, Падалка также стал путешественником во времени, испытывая общую теорию относительности Эйнштейна в действии.
«Когда г-н Падалка вернулся, он обнаружил, что Земля находится на 1/44 секунды в будущем, – объясняет Дж. Ричард Готт, физик из Принстона и автор книги „Time Travel in Einstein’s Universe“, – Он буквально путешествовал… в будущее». Быть на долю секунды моложе, чем если бы он остался на Земле, не является чем-то невероятным, тем не менее это дало Падалке звание «нынешнего рекорда путешественника во времени», согласно Готту.
Хотя это и не совсем заряжённый плутонием DeLorean, путешествие во времени – совсем не фантастика. Настоящие астрофизики, такие как Готт, почти уверены, что знают, как построить машину времени, и высокая скорость – намного, намного быстрее, чем орбитальный полёт Падалки, – является ключевым ингредиентом.
Ускоренный курс путешествия во времени
До ХХ века время считалось абсолютно незыблемым, а путешествия во времени – научной невозможными. В 1680-х годах мысленное время сэра Исаака Ньютона развивалось в неизменном темпе по всей Вселенной, независимо от внешних сил или местоположения. И в течение двух столетий научный мир поддерживал теорию Ньютона.
Пока не появился 26-летний Альберт Эйнштейн.
В 1905 году Эйнштейн раскрыл свои идеи по особой теории относительности, используя эту основу для своей теории общей теории относительности десять лет спустя. Расчёты Эйнштейна, определяющие Вселенную, ввели много вещей, а также некоторые понятия, связанные со временем. Самое главное – что время эластично и зависит от скорости, замедляется или ускоряется в зависимости от того, насколько быстро движется объект или человек.
В 1971 году четыре атомных цезиевых луча облетели весь мир, а затем их сравнили с наземными часами. В результате мизерная разница во времени доказала, что Эйнштейн на что-то наткнулся. Есть ещё одна технология, спрятанная внутри вашего смартфона, которая также подтверждает теорию Эйнштейна.
Без общей теории относительности Эйнштейна не будет работать GPS.
«Без общей теории относительности Эйнштейна наша система GPS не будет работать», – рассказывает Рон Маллет, астрофизик и автор книги Time Traveler: A Scientist’s Personal Mission to Make Time Travel a Reality. Это также доказательство того, что теории Эйнштейна верны».
Но помимо этой изменчивой версии времени Эйнштейн также рассчитал скорость света. Скорость 300 000 000 метров (или 186 282 миль) в секунду Эйнштейн описывает как «предел скорости» и универсальную константу, независимо от того, сидит ли человек на скамейке или путешествует на ракетном корабле.
Последняя часть эйнштейновских идей об искривлении времени предполагает, что гравитация также замедляет время, то есть время идёт быстрее там, где гравитация слабее, например, в огромной пустоте среди массивных небесных тел, таких как Солнце, Юпитер и Земля.
Перенесёмся на столетие вперёд, когда все эти теории – разумеется, в высшей степени обобщённые – образуют строительные блоки астрофизики и похоронены среди всей этой математики экспертного уровня. Эйнштейн также доказал, что путешествия во времени возможны.
Субатомная машина времени
В самом деле путешествия во времени не только возможны, они уже произошли, но просто не похожи на типичный научно-фантастический фильм.
Возвращаясь к нашему путешествующего во времени космонавту Падалке, его 1/44-секундный прыжок в будущее настолько мизерный, потому что он перемещался со скоростью всего 17000 миль в час. Это не очень быстро, по крайней мере по сравнению со скоростью света. Но что произойдёт, если мы создадим что-то, что может двигаться гораздо быстрее, чем на геостационарной орбите? Речь идёт не о коммерческом лайнере (550–600 миль в час) или ракете ХХI века, летящей к МКС (25 000 миль в час), а о том, что может приблизить к 186 282 милям в секунду.
«На субатомном уровне это уже произошло», – рассказывает Маллетт. – Примером является… Большой адронный коллайдер. Он регулярно посылает субатомные частицы в будущее».
Ускоритель элементарных частиц способен перемещать протоны со скоростью 99,999999 процентов от скорости света, скорости, с которой их относительное время движется примерно в 6900 раз медленнее по сравнению со временем их стационарных наблюдателей – людей.
Так что да, мы посылали атомы в будущее, и мы делали это в течение последнего десятилетия, но люди – другое дело.
Готт поясняет: учитывая, что мы регулярно разгоняем частицы почти до скоростью света, концептуально для людей довольно просто путешествовать во времени в будущее. «Если вы хотите посетить Землю в 3000 году, – говорит Готт, – всё, что вам нужно сделать, – это сесть на космический корабль и полететь со скоростью в 99,995 процентов от скорости света».
Допустим, человека посадили на такой корабль и отправили на планету, которая находится на расстоянии немногим менее 500 световых лет (например, Кеплер 186f), то есть, если бы он путешествовал со скоростью 99,995 % от скорости света, нужно было бы 500 лет, чтобы добраться туда, так как корабль летит почти со скоростью света.
После быстрого перекуса и перерыва в ванной комнате они развернулись и направились обратно на Землю, что заняло ещё 500 лет. Таким образом, в общей сложности нужно около тысячи лет, чтобы благополучно вернуться домой. На Земле это будет 3018 год.
Однако, поскольку корабль двигался так быстро, результирующее замедление времени не могло показаться им тысячей лет с того момента, как их внутренние часы замедлились. «[Их] часы будут отсчитывать 1/100 от скорости часов на Земле. Для них пройдет только 10 лет», – говорит Готт. Для нас пройдёт тысячелетие, для них это будет десятилетие.
«Если бы мы [на Земле] смотрели в окно, они бы завтракали очень медленно, – говорит Готт, – тогда как для [них] всё было бы нормально».
Но существует огромная пропасть между теоретическим и реальным. Так как же нам преодолеть огромные технологические проблемы создания машины времени?
Не столь отдалённое будущее путешествий во времени
Датчик Parker Solar Probe будет развивать скорость 430 000 миль в час – это быстро, но далеко до скорости света.
Строительство космического корабля, путешествующего во времени, может быть лучшим местом для начала, но инженерные препятствия, по крайней мере сейчас, огромны. Во-первых, мы даже близко не приблизились к космическому кораблю, который может путешествовать со скоростью света. Самым быстрым космическим кораблем из когда-либо созданных скоро станет Parker Solar Probe, который будет запущен этим летом и будет двигаться скоростью всего 0,00067% от скорости света.
Также необходимо огромное количество энергии, чтобы заставить корабль двигаться так быстро. Готт предполагает, что ключевым элементом может быть высокоэффективное топливо на основе антивещества, а другие мировые агентства и учёные также считают, что такое топливо может стать потенциально бесценным элементом межзвёздных путешествий.
Но обеспечить сохранность человеческого груза в такой футуристической миссии также будет непросто. Прежде всего корабль должен иметь достаточно припасов, таких как еда, вода и лекарства, и быть самодостаточным на протяжении всего путешествия.
Затем есть всё, что связано с ускорением. Чтобы гарантировать, что наш гипотетический путешественник не будет уничтожен подавляющими силами перегрузки, корабль должен постепенно и неуклонно ускоряться. Хотя постоянное ускорение в 1g (подобное тому, что мы ощущаем на Земле) в течение длительного периода в конечном счёте приведёт к тому, что корабль приблизится к скорости, близкой к скорости света, оно увеличит продолжительность полёта и минимизирует то, как далеко можно уйти в будущее.
Проблема обратного движения
Но у этого теоретического портрета реального путешествия во времени есть один большой недостаток – эта машина не движется вспять. В то время как Билл и Тед путешествуют в прошлое, чтобы встретить Сократа, на самом деле учёным и исследователям нужно найти способ обойти законы физики, чтобы отправиться в прошлое.
Червоточины, чёрные дыры, космические струны и циркулирующие световые лучи были предложены как потенциальные решения проблемы путешествия во времени в прошлое. Основная проблема, с которой сталкиваются астрофизики, – это выяснить, как направить луч света в точку в пространстве-времени и обратно.
«Технологии не за горами… Мы могли бы сделать это в ближайшие 20 лет».
Поскольку скорость света является абсолютным максимумом, физики концентрируются на обнаружении таких явлений, как червоточины, которые могут обеспечить быстрый путь через туннели, в которых мы прыгаем через искривленное пространство-время, и теоретически направляют луч света в определённую точку пространства-времени.
Хотя червоточины действительно работают в рамках теорий относительности Эйнштейна, их ещё предстоит наблюдать в космосе, и у учёных нет конкретных доказательств того, что эти галактические пути будут работать.
Таким образом, хотя путешествие в прошлое может быть более захватывающей концепцией, учёные с гораздо большей вероятностью отправят кого-то в неизвестное будущее, а не в прошлое. Но, несмотря на огромные шансы (финансовые и научные), Маллет считает, что будущее общества путешествий во времени возможно.
«Что случилось с полетом на Луну… мы хотели полететь туда, Кеннеди просил об этом, и было надлежащее финансирование, поэтому мы добрались до Луны», – рассказывает Маллет. «Технология не за горами. Если правительство и налогоплательщики захотят за это заплатить, мы сможем это сделать в ближайшие двадцать лет».
Сегодня любителям путешествий во времени всё равно придётся обращаться к научной фантастике в поисках решения о путешествиях во времени, причём некоторые фильмы намного точнее других.
«Хороший фильм… «Планета обезьян», – говорит Маллетт. Астронавты думали, что они приземлились на другой планете, управляемой обезьянами, но оказалось, путешествовали так быстро, что прибыли в будущее Земли. Этот фильм точно описывает специальную теорию относительности Эйнштейна”. Ох… спойлеры.
Узнайте подробности, как получить Level Up по навыкам и зарплате или востребованную профессию с нуля, пройдя онлайн-курсы SkillFactory со скидкой 40% и промокодом HABR, который даст еще +10% скидки на обучение:
Источник
