Как работает путешествие во времени

Когда изобретут машину времени: факты, теории, разработки

Что такое машина времени

Машина времени — это устройство, с помощью которого, в теории, можно было бы путешествовать во времени.

Однако ученые понимают под ней не физическую машину или механизм, как в кино, а искривленное пространство-время [1]: например, в виде «червоточины» или «пончика». Внутри нее можно перемещаться из одной точки пространства-времени в другую, за счет сфокусированных гравитационных полей. Но такие поля должны быть супермощными, а управлять ими нужно с максимальной точностью.

Есть также версии, что машина времени — это экзотическая материя с отрицательной плотностью. Если ее толкнуть, она будет двигаться в направлении, обратном нормальному. Однако ничего похожего пока открыть не удалось.

Можно ли путешествовать во времени?

В фантастических фильмах вроде «Звездного пути» или «Назад в будущее» герои просто садятся в машину или другой транспорт и оказываются в прошлом или будущем. На деле все гораздо сложнее, и единого мнения на этот счет пока нет.

Альберт Эйнштейн первым описал время как «четвертое измерение» [2]. Он считал, что оно движется только вперед, но, при этом, относительно: то есть может течь с разной скоростью в разных условиях. Если вы будете двигаться со скоростью света (то есть 299 792 км/сек), то для вас оно замедлится — в сравнении с теми, кто стоит на месте. Но, согласно расчетам физика, ваша масса при этом должна быть бесконечной, а длина — нулевой.

Эйнштейн также утверждал, что гравитация может менять время: сверхмассивные объекты, вроде черных дыр, как бы искривляют время вокруг себя. Это тоже удалось доказать — с помощью GPS-спутников и сверхточных часов. Путешествия через черные дыры — пожалуй, самый популярный способ, описанный в фильме «Интерстеллар». Вблизи дыры или ее модели, за горизонтом событий, время движется в два раза медленнее, а то и вовсе останавливается.

Стивен Хокинг, написавший книгу «Краткая история времени», поддерживал теории Эйнштейна относительно черных дыр, а также — «червоточин» или «кротовых нор», которыми пронизана вся Вселенная. Однако он не верил, что можно путешествовать в прошлое.

В доказательство он провел эксперимент: организовал в 2009 году вечеринку и разослал приглашения уже после того, как она закончилась. Но никто из приглашенных в будущем так и не пришел на нее. Однако Хокинг не исключал, что машину времени построят уже после его смерти [3].

Основываясь на теориях Эйнштейна, NASA предположило, что можно путешествовать через «червоточины» или «кротовые норы» пространства-времени [5]. Это что-то вроде туннелей, пройдя через которые, мы окажемся в другом измерении. Но такие «червоточины» почти моментально схлопываются, и пройти через них смогут только сверхмалые частицы.

Еще одна гипотеза — «бесконечный цилиндр Типлера». Астроном Фрэнк Типлер предложил механизм, внутри которого вещество величиной в десять масс Солнца, свернутое в бесконечно длинный и очень плотный цилиндр. Если он будет вращаться со скоростью миллиарда оборотов в минут, космический корабль, пройдя по спирали, попадет внутрь цилиндра и окажется в «замкнутой времениподобной кривой» — мировой линии, где все возвращается в исходную пространственно-временную точку.

Теория струн в рамках квантовой механики предполагает наличие 11 измерений [6]. В одном из них как раз и может существовать портал для путешествий во времени.

Космические струны — тончайшие сгустки энергии, проходящие через всю длину Вселенной и обладающие огромной массой. Их диаметр тоньше атомного ядра, при этом они очень плотные: 1 тыс. км такой струны весят как Земля. Следовательно, они, как и черные дыры, тоже могут искривлять пространство и время вокруг себя. Есть теория, что такие струны бесконечны и образуют замкнутые петли — «складки» пространства-времени. Внутри них также можно путешествовать во времени.

В чем главные проблемы создания машины времени?

• В обозримом будущем ни один из объектов, созданных человеком, не может приблизиться к скорости света.
• Человек не сможет находиться вблизи объектов с гигантской гравитацией, как у черных дыр: он сразу погибнет.
• Гипотетические условия для путешествий во времени — такие, как бесконечная или сверхмалая масса, нулевая длина и другие — тоже недостижимы.
• Деформация пространства-времени может вызвать мощный поток радиации, который уничтожит все живое.

Есть отдельные теории — например, у физика Ричарда Мюллера [7] — о том, что вернуться назад невозможно, так как Вселенная постоянно расширяется, как в пространстве, так и во времени. Другими словами, в прошлом времени было как бы меньше, а в будущем его, наоборот, больше. И мы не можем, в нашем нынешнем состоянии, оказаться в нужной точке прошлого или будущего — в обеих случаях это будут совсем другие миры, с которыми у нас нет никакой связи. Чтобы такое путешествие стало возможным, нам сначала нужно уменьшить или увеличить объем пространства-времени.

И тем не менее люди веками пытаются создать машины времени или хотя бы воссоздать условия, при которых такие путешествия возможны.

Что будет, если изменить прошлое?

Этот вопрос чаще всего возникает в книгах и фильмах — вроде «Терминатора», «Эффекта бабочки» или «Назад в будущее». Ученые называют его «парадоксом убитого дедушки» [8]: когда путешественник во времени возвращается в прошлое, убивает своего дедушку в юности и в результате исчезает — потому что никогда не рождался.

Противники теории утверждают, что это невозможно: отправиться в прошлое можно только по замкнутой кривой, внутри которой все события закольцованы друг с другом. В качестве наглядного подтверждения приводят бильярдный шар, который движется через червоточину по заданной траектории и никак не может помешать сам себе.

Британский математик и философ Джеральд Джеймс Уитроу считал, что, если бы путешествия в прошлое были возможны, мы бы помнили о них еще до отправления.

Кто уже пытался изобрести машину времени

Еще в конце XIX века писатели-фантасты — среди них Энрике Гаспар и Римбау, а также Герберт Уэллс — описывали первые прототипы машин времени. Однако научные обоснования появились в начале XX-го, с появлением теорий Эйнштейна.

В 1948-м австрийский математик и философ Курт Гедель нашел решение для уравнений Эйнштейна, касающихся гравитации и вращающейся Вселенной. В ней свет тоже вращается вместе с другими объектами, из-за чего последние движутся по замкнутым траекториям и в пространстве, и во времени.

Гедель также писал, что в каждой точке пространства есть световой конус прошлого и конус будущего. Внутри каждого из них находится мировая линия — непрерывная кривая в пространстве-времени, которая состоит из событий. На каждой мировой линии время течет по-своему.

Если наклонить конусы под определенным углом, внутри получится окружность — это и есть машина времени. Нужно только создать такое гравитационное поле, или искривление, при котором конусы наклонятся под нужным углом. Гедель предполагал, что такая Вселенная уже где-то существует, но пока мы ничего о ней не знаем.

В 1943-м был проведен эксперимент на базе ВМС США в Филадельфии. В рамках него вокруг эсминца «Элдридж» создали специальный электромагнитный экран, который отражал сигналы радаров. Некоторые свидетели утверждали, что после этого корабль якобы исчез, а потом появился на расстоянии в сотни километров в штате Виргиния. Но спустя годы моряки, участвовавшие в эксперименте, опровергли это.

В 1988-м американский физик и астроном Кип Торн рассчитал, при каких условиях машина времени Геделя будет работать и насколько это возможно. Для этого нужно запустить машину времени, разогнать один конец «кротовой норы» до околосветовой скорости, притормозить, потом разогнать в обратном направлении, снова притормозить, нырнуть в нору, выскочить на другом конце и уже снаружи, как можно быстрее, домчаться до обратного конца. Так появится временная петля между прошлым и будущим.

Впоследствии модель усложнили, рассматривая ее в четырех и пяти измерениях, где добавляются новые слои и условия. В итоге окончательной «рабочей» версии пока что не существует, но многие в своих расчетах по-прежнему опираются на гипотезу Геделя.

В 2017-м ученые из США и Канады создали свою математическую модель машины времени — TARDIS (англ. Traversable Acausal Retrograde Domain in Spacetime). Она выглядит как «пузырь» или «ящик», который движется по кругу, проходя насквозь через пространство-время вдоль «кротовых нор».

Чтобы они возникли, необходимо искривление пространства-времени определенным образом. При этом появление черных дыр, о которых говорил Хокинг, необязательно. TARDIS будет перемещаться по замкнутой кривой, чтобы люди внутри испытывали постоянное ускорение. Те, кто будет наблюдать за этим снаружи, увидит две версии события: в одной время движется нормально, а в другой — в обратном направлении.

В начале этого года астрофизик Рон Маллет рассказал, что можно повернуть время вспять. Он также опирался на теории и уравнения Эйнштейна и предложил использовать кольцевой лазер с беспрерывно циркулирующими лучами, который сможет набрать нужную скорость и создать портал в прошлое. Это те самые «червоточины», о которой мы писали выше. Профессор уже разработал прототип такого устройства и проводит испытания. Однако у его будущей машины времени есть серьезное ограничение: с ее помощью можно вернуться не дальше, чем в тот момент, когда она была включена.

Выводы о машинах времени

Мнения и эксперименты в современной науке можно свести к трем направлениям:

1. Путешествия во времени невозможны, так как порождают непреодолимые парадоксы или просто технически.
2. Путешествия возможны, но не так, как мы их себе представляем: нельзя отправиться в определенную точку в прошлом или в будущем.
3. Путешествия возможны, надо только найти подходящую Вселенную и искривленное пространство-время в ней.

Источник

Путешествия во времени возможны

Да, путешествовать во времени можно. Если вас интересовал только этот вопрос, думаю, что этого ответа достаточно. Если же вы хотите разобраться, что я под этим подразумеваю, присоединяйтесь.

В совсем простом смысле мы все неизбежно и, правда, ненамеренно движемся вперёд во времени. Хотя, вероятно, это лукавство и даже подмена понятий. Можем ли мы ровно как и в пространстве перемещаться во времени?

Альберт Эйнштейн в своих работах по Теории относительности показал, что время не является неизменным, постоянным и равномерным, каким мы привыкли и склонны его воспринимать. Непостоянство времени берёт начало в его хитросплетениях с пространством, взаимодействие с тремя измерениями которого дают нам надежду на то, что путешествия в прошлое и будущее всё-таки возможны. Обобщённо можно сказать, что для того, чтобы получить власть над временем, необходимо подчинить себе пространство.

Ускоряемся, двигаясь вперёд.

Не такое уж и лукавство говорить, что все мы постоянно движемся вперёд во времени. Дело в том, что эта скорость воспринимается нами как условный ноль. Для мухи время движется быстрее, поэтому её так сложно поймать – для неё мы движемся замедленно. Для простоты можно сказать, что перемещение в пространстве «крадёт» перемещение у времени. Если вы ускоритесь, например, сядете в самолёт и на скорости около 900 км/ч полетите из одной страны в другую, то вы замедлите своё движение во времени, оказавшись в итоге примерно на 10 наносекунд в «будущем», в том времени, которое для ваших «внутренних часов» ещё не наступило. Так, текущий рекордсмен пребывания в космосе Геннадий Падалка за 820 дней на МКС, в течение которых он двигался на скорости около 27,6 тыс. км/ч, переместился в будущее на несколько десятков миллисекунд. При достижении скорости в 99,999% световой за год можно переместиться в будущее на 223 «обычных» земных года. Сложновато, согласен. Сам запутался. Движемся дальше.

Гравитация.

В описании Общей теории относительности гравитация – это деформация пространственно-временного континуума, и в окрестностях чёрной дыры (да и любого другого гравитирующего объекта) «искривляются» все четыре измерения, причём тем сильнее, чем сильнее притяжение (именно этот эффект является основным в фильме «Интерстеллар»). Время у поверхности Земли течёт медленнее, чем на орбите, и сверхточные часы спутников убегают примерно на 1/3 миллиардной доли секунды в сутки – это очень важный факт, подтверждающий постулаты Теории относительности, который применяется, например, для создания приборов точной навигации.

Сверхмассивная черная дыра в центре нашей Галактики весит около 4 млн. масс Солнц, и если мы выйдем на круговую орбит близ неё, то спустя некоторое время – когда на нашем космическом корабле пройдет всего несколько дней – можем оказаться во времени, когда наша Вселенная уже будет близка к концу. Таким образом постулаты Теории относительности с легкостью допускают перемещения в будущее. Другой вопрос, что на практике они сложны настолько, насколько сложно набрать скорость, близкую к световой, или выжить в окрестностях сверхмассивной чёрной дыры. Так что пока эта часть ОТО остаётся неподвластной человеку.

Назад, в прошлое.

Начну снова с лукавства. Для того, чтобы увидеть прошлое достаточно взглянуть на звёздное небо. Оглядывая ночной небосвод, мы видим исключительно прошлое – Луну, ближайший к нам хорошо различимый объект, мы видим, какой она была около секунды назад, Марс – примерно 20 минут назад, Альфу Центавра почти четырёхлетней давности, соседнюю галактику Туманность Андромеды, неизбежно летящую нам на встречу, – 2,5 млн. лет назад – разумная жизнь в ней может быть уже нашего уровня развития, но мы наблюдаем только момент её зарождения. Получается, что даже если мы сейчас отправимся к ней, преломив пространство, попадём мы только в её будущее.

Самый дальний предел, доступный такого рода «перемещению» во времени, составляет более 10 млрд. лет – так далеко можно заглянуть в микроволновом диапазоне, наблюдая реликтовое излучение Вселенной. Но мы-то хотим перемещаться так, как это показано в фантастических космических сагах – выбираешь год на экране, нажимаешь кнопку и ты уже там.

Интересно, что при определённых допущениях уравнения ОТО не накладывают ограничений и на такие целенаправленные путешествия в прошлое. Если предположить, что скорость света преодолима, то при движении на большей скорости время в этой системе отсчёта будет течь в обратном относительно остальной Вселенной направлении. Но всё-таки масса при достижении световой скорости станет бесконечной, а чтобы разогнать бесконечную массу хотя бы ещё немного быстрее, понадобится бесконечная энергия. Но, главное, существование подобных машин времени способно нарушить фундаментальный закон причинно-следственных связей, порождая так называемый «парадокс убитого дедушки».

Чёрное кольцо.

Приближение к какой-нибудь достаточно крупной черной дыре приводит к замедлению времени. Падение внутрь станет причиной разложения вас на атомы. Однако, расчёты, проведенные в 1960-х новозеландским физиком Роем Керром, который изучал гравитационное поле вращающихся чёрных дыр, показали существование варианта, при котором чёрная дыра может оказаться вполне подходящим «порталом» в прошлое. Если тело, то момента коллапса очень быстро вращалось, то его масса испытывала влияние центробежных сил. Этот момент импульса может не позволить образоваться обычной сингулярности в виде чёрной дыры, и вместо неё появится сингулярность в виде кольца нулевой толщины, но ненулевого диаметра. Так, наблюдатель, сближающийся с кольцеобразной сингулярностью, вполне может «проскочить» сквозь неё. Таким образом «керровские» чёрные дыры с одной стороны выбрасывают из себя всё, что попало в них с другой. Мало того, что мы не уверены даже в существовании сингулярности такой формы, мы точно не можем говорить о том, чтобы контролировать её возникновение и соединяемые точки пространства. Помните такой глуповатый сериал «Звёздные врата»?

Норы и струны.

Представьте себе простыню, сложенную пополам, в которой вы пробиваете дыры с одной поверхности на другую. Ни одна теория не запрещает существование и в нашем четырехмерном пространстве-времени таких дыр – объектов, называемых кротовыми норами.

До сих пор никто и никогда их не наблюдали, но существует ряд моделей, описывающих такие кротовые норы. Стивен Хокинг предполагал, что кротовые норы существуют лишь на планковских масштабах, в «квантовой пене» виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и аннигилируют в вакууме пространства-времени. Вместе с ними рождаются и рассыпаются бесчисленные туннели кротовых нор, которые на доли секунды – случайным образом – соединяют совершенно разные области пространства-времени, и снова исчезают. Чтобы попытаться такие норы использовать, их необходимо не только стабилизировать, но и увеличивать в размерах, для чего потребуются колоссальные количества энергии, недостижимые для всего человечества в сколь-нибудь обозримом будущем.

Другое дело – космические струны, полуфантастическая концепция, развитая во второй половине ХХ в. Томасом Кибблом, Яковом Зельдовичем и Ричардом Готтом.

Это не суперструны из одноимённой теории: космические струны в представлении Готта – это весьма плотные одномерные «складки» пространства-времени, возникшие на заре существования Вселенной. То есть подразумеваются буквально складки. «Ткань» пространства-времени не до конца «разгладилась» на заре формирования Вселенной, и некоторые из складок сохранились до сих пор, растянувшись на десятки парсек, истончившись (порядка 10–31 м) и сконцентрировав в себе колоссальную энергию (плотность порядка 1022 г на см длины).

Если мы научимся манипулировать такими струнами – сближать, скручивать и сплетать их, мы сможем как нам заблагорассудится настраивать пространство-время вокруг них, выбирая пункты назначения. В этом случае речь идёт о вполне полноценных перемещениях в прошлое и будущее по желанию, надобности или даже настроению.

Так что там с убитым дедушкой?

Нарушение причинно-следственных связей при путешествии в прошлое способно поставить в тупик не только философов, но и любые разумные физические и математические выкладки. Самый известный пример этому – «парадокс убитого дедушки», впервые описанный в научной фантастике еще в 1940-х. В книге французского писателя Рене Баржавеля рассказывается, как неосторожный путешественник во времени убил своего деда, так что впоследствии он не смог появиться на свет, совершить перелет в прошлое и убить деда. Опять сложно всё.

Одним из решений этого парадокса может быть «постселекция» событий самой Вселенной. Так, оказавшись в прошлом, путешественник не сумеет сделать ничего, что нарушило бы причинно-следственных связей, которые уже сформированы. Пистолет не сработает, или он не отыщет своего дедушку, или случится тысяча других случайностей, странностей, конфузов, но течение вещей не позволит сбить Вселенную. Тут мы можем дойти до разумности самой Вселенной. Можно упомянуть ещё один термин – «эффект бабочки», который указывает на свойство некоторых систем усиливать незначительное влияние до больших и непредсказуемых последствий. То есть, если бы путешественники из будущего существовали, то само их появление в момент времени, где их быть не должно, разрушит всё.

Но и тут физики выкрутились – хочется им путешествовать во времени. Согласно популярной сегодня гипотезе Мультивселенной, в мироздании может реализовываться любой возможный (и невозможный) вариант, просто все они «расходятся» по разным параллельным вселенным. Вы можете переместиться в прошлое и застрелить дедушку, и он действительно не родит вашего отца, а тот – вас, но всё это будет происходить в параллельном мире.

К сожалению или счастью, но перемещения во времени даже в отдалённой перспективе не представляются возможными, поэтому мы можем лишь продолжать своё движение в будущее, поглядывая иногда в прошлое, бросая взор на звёзды ясными ночами.

Подписывайтесь на канал, чтобы первыми узнавать новости из мира науки и технологий, и делитесь ссылкой на него с друзьями в социальных сетях. За футболками и худи с крутейшими принтами вот в этот магазин . Ещё у меня есть канал в Telegram и уютный чатик для дискуссий на научные темы. Не забывайте делиться ссылкой на канал с друзьями. Спасибо, что читаете.

Источник