Как построить машину времени?

Автор Аватар
Рубрика Город, Культура, Люди, События
ДАТА ПУБЛИКАЦИИ 21 марта 2024
ВРЕМЯ ПРОЧТЕНИЯ 9 min.

Как построить машину времени?

Мнение астрофизика Ивана Сивцова, StreamHPC, PhD по физике и релятивистской астрофизике Университета Рима «Сапиенца»

Что вы думаете, когда слышите словосочетание “машина времени”? В подавляющем большинстве случаев ответом будет “научная фантастика”, и это вполне оправданно: само название придумал английский писатель-фантаст Герберт Уэллс, да и машина часто встречается в фантастической литературе и кино. Физики, меж тем, рассматривают возможность построения машины времени не как псевдонаучную чепуху, а как вполне респектабельный speculation (забавно, что для перевода этого одного слова на русский язык, кажется, надо написать целое предложение: свободный полёт фантазии, не подлежащий непосредственной проверке сейчас, но не противоречащий, впрочем, никаким фундаментальным законам). В это сложно поверить, но поиск по «time machine» в самой, пожалуй, престижной серии физических журналов PhysicalReview выдаёт более 270 статей, а самые цитируемые из них имеют более 1000 ссылок. Давайте разбираться, как же мы дошли до жизни такой и устойчива ли тут почва под ногами.

Научная идея о том, что длительность может быть таким же (или почти таким же) измерением нашего мира, как и длина-ширина-высота, появилась в конце XIX века. Математики как раз начали разработку абстрактных пространств высоких измерений, и читающая публика проникалась этими новыми веяниями. Вполне серьёзно учёные и философы рассуждали о том, сколько измерений на самом деле содержит наша Вселенная помимо известных нам трёх, и эта дискуссия продолжается до сих пор, перейдя во вполне практическую плоскость: эксперименты по поиску дополнительных измерений проводятся физиками во всех масштабах от лабораторного стола через Большой адронный коллайдер до гамма-всплесков из самых удалённых от нас уголков наблюдаемой Вселенной. Дело в том, что дополнительные измерения, если они существуют, могли бы более глубоко объяснить некоторые аспекты, кажущиеся в современной Стандартной модели игрой случая, например, почему гравитация настолько слабее всех других взаимодействий, да и с теоретической точки зрения теория суперструн прямо-таки требует дополнительных измерений, отказываясь работать менее чем в десяти измерениях (лучше, конечно, в одиннадцати, но это не точно). Но это тема для отдельного разговора, а мы пока вернёмся к нашей машине времени.

Различие между временем и пространственными измерениями, казавшееся таким очевидным с точки зрения «реальности, данной нам в ощущениях», сильно стиралось при переходе к абстрактному многомерному пространству событий, поэтому и возникла идея о том, что во времени можно путешествовать точно так же, как и в пространстве, просто мы пока не знаем, как. Сложно установить, кто конкретно придумал эту идею первым: как только мы назовём конкретного автора, более подробные изыскания литературоведов нас опровергнут, найдя ещё более неизвестное произведение ещё сильнее забытого автора, описавшее что-то подобное на десяток-другой лет раньше (не считая того, что время считалось относительным ещё в тхераваде — старейшей из буддистских школ).

Однако буквально через 10 лет после публикации «Машины времени» Уэллса идея того, что время не отделено от пространства, получила солидное подтверждение в виде теории относительности (1905). Уже в первой работе Эйнштейна показано то, что потом назовут парадоксом близнецов: если одного брата оставить на месте, а другого отправить путешествовать, то по прибытии путешественник обнаружит, что для него времени прошло меньше. Эффект, конечно, невелик для типичных скоростей путешествий, но в принципе сейчас такое измерение доступно довольно дорогостоящему, но школьному по уровню проекту: надо купить пару атомных часов размером с саквояж и полетать на самолёте с GPS-трекингом достаточно долго с одними часами, а потом вернуться ко вторым и сличить показания — собственно, расходов на 10k$, в основном на часы с точностью выше одной десятитриллионной (а если денег девать некуда, то можно часы и в тысячу раз точнее купить).

Ни одна уважающая себя книга по теории относительности не обходится без обсуждения этого парадокса, и есть даже несколько книг, посвящённых исключительно ему. Сейчас, однако, эта тема стала менее популярна: люди, воспитанные на жёстко отделённом и независимом от пространства времени из классической ньютоновской механики, в какой-то степени вымерли, и идея относительности времени уже не кажется противоречащей каким-то очевидным вещам (не считая опровергателей теории относительности, которые могут быть предметом отдельного рассказа). Парадокс близнецов даёт даже некую «машину времени», но, к сожалению, пригодную к путешествиям только вперёд — слетав с комфортным земным ускорением за 40 лет по бортовым часам к центру нашей Галактики, можно вернуться на Землю через 60000 лет.

В принципе, это уже интересно, но ещё через 10 лет возникла общая теория относительности, в которой всё оказалось ещё интереснее: течение времени зависит не только от движения часов, но ещё и от места, даже если они не двигаются друг относительно друга. Причём чем глубже в гравитационном потенциале сидят часы, тем медленнее они идут, так что покорители Эвереста живут быстрее домоседов (на одну триллионную долю, но всё же). Опять-таки, измерение этого эффекта сейчас доступно даже школьникам (не верите, прогуглите Clocks, Kids, and General Relativity on Mt Rainier), а несколько завуалированно — и читателю, ведь GPS использует поправки на оба эффекта от движения и от высоты часов, и без них скорость дрейфа измеряемых координат доходила бы до 10 километров в сутки.

Итак, мы можем замедлять время, но насколько сильно? На поверхности нейтронной звезды время идёт всего лишь на десяток-другой процентов медленнее, и лишь чёрная дыра даёт такое место, где поток времени может, как кажется, остановиться совсем. Но чёрная дыра не настолько простое место — например, Эйнштейн эту концепцию до конца так и не понял, а мы сейчас попробуем, главное оградить разум от вскипания в процессе постижения причинного разрыва.

Из-за предельно возможной скорости сигнала в каждый момент времени для наблюдателя есть три различные области пространства-времени: абсолютное прошлое, абсолютное будущее и абсолютное пространство (замечаете, сколько абсолютности в теории относительности?). Абсолютное будущее — это всё то, на что наблюдатель может повлиять или куда может добраться с досветовой скоростью, аналогично абсолютное прошлое — это всё то, откуда на наблюдателя могли повлиять или могли добраться до него с досветовой скоростью, и, наконец, абсолютное пространство — это всё остальное. Разделяются эти области двумя «световыми конусами»: прошлого и будущего, на которых лежат все события, связанные с наблюдателем световыми сигналами. Когда мы смотрим на звёздное небо, мы буквально видим наш световой конус прошлого, а послания человечества инопланетянам радиоволнами в рамках программы SETI распространяются во Вселенной по нашему световому конусу будущего.

Гравитация — это универсальное притяжение, поэтому она не свойство материи, а свойство положения, то есть самого пространства-времени. Она искажает в том числе и световые конусы, это можно представить себе так, что часы идут по-разному в разных точках пространства подобно тому, как если бы они двигались относительно какого-то пространства-подложки, которое «низвергается в Мальстрём», то есть течёт к гравитирующей массе со скоростью, тем большей, чем ближе мы к центру массы. На поверхности чёрной дыры (горизонте событий) это пространство течёт со скоростью света, а внутри — ещё быстрее. Именно поэтому выбраться, если уж вы попали внутрь чёрной дыры, обычным образом невозможно: превысить скорость света нельзя (хотя на машине времени можно, но об этом чуть позже) и из этого водоворота уже не выплыть, и всё ваше абсолютное будущее теперь лежит внутри чёрной дыры — возникает причинный разрыв. Сам момент пересечения горизонта событий, однако, ничем (почти) не примечателен для падающего туда туриста, в отличие от того, что он встретит внутри.

Изучение внутренности чёрных дыр представляет собой весьма почтенный предмет со своей историей, хотя и довольно спекулятивный — снаружи-то ничего из этого не видно. Но внутри открывается целый мир, причём буквально: максимально продолжая пространство-время внутрь чёрной дыры, мы приходим к выводу, что она соединяет как минимум две, а как максимум бесконечное количество внешних областей — отдельных Вселенных. Первым это обнаружили Эйнштейн и Розен, попытавшись использовать полученное решение — получившее затем название моста Эйнштейна — Розена — как аргумент против существования чёрных дыр. После некоторого количества пертурбаций и драм оказалось, что всё как раз наоборот, а мост стал примером первой найденной кротовой норы, к которым мы перейдём чуть позже.

Тут мы уже замахнулись на параллельные миры, но давайте пока вернёмся к машине времени: оказывается, что во вращающейся чёрной дыре в области около сингулярности (где само пространство-время ломается так, что не пройдёшь дальше) есть область, покрутившись в которой можно выйти раньше, чем зашёл, и встретить самого себя. На языке физиков-релятивистов это называется «существованием замкнутых времениподобных кривых», так что, когда видите это словосочетание, знайте, что это такое научное название машины времени. Различие между абсолютным прошлым и абсолютным будущим исчезает, пропадает и абсолютное пространство — с помощью машины времени, как легко сообразить, можно двигаться с любой скоростью: прыгаем назад и потом тихой сапой добираемся до места и времени, куда без сверхсветового двигателя из начальной точки не дойти.

Вращение тут оказывается принципиально важным, а вот чёрная дыра — непринципиальной, оказывается, что такие кривые существуют вокруг бесконечного вращающегося цилиндра (цилиндр Типлера) или в бесконечной вращающейся Вселенной (вселенная Гёделя). Ну, бесконечных вращающихся цилиндров мы вокруг не видим (а Хокинг, нехороший человек, доказал, что конечным цилиндром не обойтись) — хотя гипотетические космические струны могут ими быть и даже были некоторое время популярны среди космологов, но их следов пока не обнаружено. Вращения Вселенной как целого мы тоже не наблюдаем — хотя было бы весело. Последняя надежда на вращающиеся чёрные дыры — они-то во Вселенной точно есть, Телескоп горизонта событий подтвердил (там тоже есть весёлая история, напоминающая анекдот об интернете голубиной почтой).

Возникает, однако, вопрос: а насколько правильно вот эта теоретическая модель описывает внутренность чёрной дыры? Вопрос не праздный, так как проблема устойчивости чёрных дыр до сих пор окончательно не решена, но похоже, что внутренняя структура неустойчива, так что в реальных чёрных дырах машины времени, как и параллельные миры, скорее всего отсутствуют. Дискуссии об этом, шедшие среди релятивистов в 1960-х годах, более-менее сошли на нет, оставшись только на страницах фантастических романов, когда произошёл внезапный поворот нашей истории.

С конца 1970-х годов по различным студиям Голливуда ходил сценарий фильма «Контакт» авторства известного астрофизика и популяризатора науки Карла Сагана. Сценарий хвалили, но браться за его постановку не спешили, так что Саган в конце концов решил переделать его в роман. По сюжету, довольно близко воспроизведённому затем в экранизации 1997 года, на Земле детектируют инопланетный сигнал, содержащий схему установки, которая при запуске позволяет осуществить контакт с ними (не волнуйтесь, если не смотрели/читали, там есть ещё несколько сюжетных поворотов, так что это не полный спойлер). Саган, как добросовестный писатель, для твёрдой научной фантастики решил уточнить у специалиста-релятивиста, правильно ли он использует для этой цели чёрную дыру, «что-то такое я когда-то читал». Выбор его пал на будущего нобелевского лауреата Кипа Торна.

Торн — легендарная личность среди релятивистов, один из триумвирата авторов «Библии общей теории относительности», как по охвату, так и по весу — книги «Гравитация», многолетний глава проекта по поиску гравитационных волн и прочая и прочая и прочая — сразу отверг чёрную дыру как таковую, но задумался о близкой возможности: кротовой норе (или червоточине, как её называют от английского wormhole). Точное определение кротовой норы дать чрезвычайно трудно (точное определение чёрной дыры занимает полстраницы убористым шрифтом, а тут всё ещё хуже), но на интуитивном уровне это этакий мост, соединяющий две большие области пространства-времени, полностью разные параллельные вселенные или куски одной и той же. Во втором случае кротовая нора коротким путём соединяет то, что сильно разнесено в обычном пространстве, и может быть средством сверхсветового путешествия.

Торн помнил, что кротовая нора из обычной чёрной дыры, во-первых, неустойчива, во-вторых, непроходима: мост Эйнштейна — Розена закрывается быстрее, чем что-либо успевает перейти из одной вселенной в другую. Но можно ли нору как-то стабилизировать? Этот вопрос в простейшем варианте Торн просчитал на коленке за время автомобильной поездки и пришёл к выводу, что в принципе можно, но для этого понадобится экзотическая материя. Если говорить упрощённо, то такая материя имеет отрицательную плотность энергии, и нельзя сказать, чтобы это сильно вдохновляло: наше обычное вещество себя так не ведёт.

Однако, с другой стороны, физики знают случай, когда такое свойство у материи проявляется: квантовые флуктуации, то есть колебания около среднего физических полей могут быть экзотическими. Хорошая новость тут заключается в том, что вся известная материя имеет квантовую природу и может быть источником подобных флуктуаций, а плохая — что флуктуации на то и называются флуктуациями, что возникают и пропадают быстро и хаотически, и совершенно неясно пока, возможно ли их каким-то образом захомутать и стабилизировать в необходимый момент экзотичности. Масла в огонь подбрасывает то, что произвольно малое количество экзотической материи может стабилизировать сколь угодно большую кротовую нору, а нора сама собою может стабилизировать экзотические флуктуации, так что принципиальных препятствий для построения кротовой норы в общем в физике не видно, описан даже конкретный механизм, как это можно сделать (интересно, что это сделал Роберт Герох ещё в 1967 году, задолго до новой волны интереса к этой теме).

«Но позвольте, а где же тут машина времени?», воскликнет внимательный читатель, и будет прав, её пока нет, но сейчас она уже появится из-за угла. Предположим, мы как-то создали кротовую нору в лаборатории. Теперь для того, чтобы использовать её в межзвёздном путешествии, необходимо один её выход как-то перенести к удалённой звезде. Посадим его на звездолёт и отправим, например, к тому самому центру Галактики, за 20 лет мы дотудадолетим, и теперь будем иметь шикарный тоннель к чёрной дыре (сюжет многочисленных фантастических романов). Однако если теперь развернуться и ещё за 20 лет вернуться на Землю, то окажется, что на Земле к моменту прибытия прошло 60000 лет, а у нас всё ещё есть портал, ведущий на Землю плюс 40 лет от конструирования кротовой норы. Таким образом, теперь у нас есть полноценная, без всяких скидок, машина времени.

Другой вариант развести выходы кротовой норы во «внешнем времени» — это разместить их на разной высоте в гравитационном поле, но тут для набега существенной разницы придётся ждать очень долго, можно и не дожить. Зато тут мы сразу имеем вечный двигатель, который очевиден любому игроку в Portal: бросаем что-то между горловинами норы, и оно летит всё время по кругу вниз с ускорением, добавляем генератор и снимаем любое количество энергии. Если ваше образование что-то напомнит о законе сохранения энергии, то хочу вас успокоить: в общей теории относительности он работает только локально, а глобально отсутствует (как и закон сохранения импульса, впрочем, который тоже сильно ломается кротовой норой).

Естественно, полившиеся рекой с 1985 года подобные «безобразия» от группы Торна и присоединившейся к ним в вакханалии исследования открывающихся возможностей советско-российско-американско-чёрт-ногу-сломит-какой группы Новикова и Фролова вызвали жгучий интерес других физиков, в основном заключавшийся в попытках придумать, почему этого не может быть, «потому что не может быть никогда». Один из самых знаменитых скептиков — Стивен Хокинг, в 1992 году даже пафосно назвал такое утверждение «предположением о защищённости хронологии» и выдвинул несколько сильных аргументов против предложенного механизма создания кротовых нор.

Так, Хокинг показал, что в момент создания норы квантовые флуктуации около неё должны становиться бесконечно большими, однако контрагрумент тут состоит в том, что они становятся такими на бесконечно малый промежуток времени и поэтому их суммарное действие конечно, так что они, вероятно, не смогут нарушить процесс создания норы.

Самые сильные, как кажется, аргументы против — это логические, физика-то физикой, но логический парадокс в системе будет обозначать её принципиальную не реализуемость. Например предположим, что я с помощью машины времени вернусь назад и убью собственного дедушку, тогда как я вообще появился? Философское решение парадокса будет включать в себя глубокие рассуждения о свободе воли и прочих высоких материях, плохо доступных изучению с точки зрения физики: тут бы чего попроще.

Похожим эквивалентом будет такая картина: мы запускаем в более позднюю горловину норы бильярдный шар так, чтоон вылетает из более ранней горловины и ударяет в самого себя на пути к поздней горловине так, что оба шара улетают вбок и вообще в нору не попадают, тогда какой шар вылетел из ранней горловины? Вот тут есть законы физики, а не свобода воли, и эта задача — парадокс Полчински — поддаётся решению. Оказывается, что всегда для любого начального состояния движения таким образом запущенного шара существует вариант взаимодействия с самим собой из ранней горловины, когда он всё-таки добирается до поздней и выходит из ранней самосогласованным способом. Более того, возникает даже цепочка возможных решений с различным количеством взаимных ударов, которая при отсутствии трения бесконечна.

Анализ этой и других ситуаций привёл Игоря Новикова к утверждению, что для любых систем возможно сконструировать непротиворечивый вариант их временной эволюции даже при наличии машины времени, что имеет своё пафосное название «принцип самосогласованности Новикова». Аналогичный принцип в отношении квантовой физики сформулировал Дойч в 1991 году, и подкрепляется даже проще: квантовая система в какой-то мере движется по всем возможным вариантам сразу (физики вспомнят интегралы по траекториям), а логически невозможные варианты из них убивает деструктивная интерференция. Так что похоже, что убить дедушку у меня в принципе не получится (не то, чтобы я хотел).

Другие, ещё более изощрённые и техничные аргументы сторонников и противников машин времени потребуют для своего изложения целых томов, которые не замедлили появиться: общее число монографий и обзорных книг на тему кротовых нор и машин времени давно перевалило за десяток и продолжает увеличиваться. Про многочисленные варианты пузыря Алькубьерре или метро Красникова я тут писать не буду, так как они всё же скорее средства сверхсветовых путешествий, а не машины времени.

В общем, вопросы путешествий во времени представляют собой безумие, но весьма благородное. Умение мечтать, раздвигать горизонты познания и увлечённо испытывать наши наиболее фундаментальные теории на прочность — это лучшее в человечестве. После любви, конечно. И чем чёрт не шутит, может быть, лет через двадцать вы будете читать о том, как кто-то из этих мечтателей придумывал и конструировал теперь такие обычные в обиходе машины времени.

Иллюстрация @vasilygrino

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ