Вот уж тысячи лет человечество вступает в войну со временем. Предотвратить процесс старения, узнать будущее – всё это толкает человечество задуматься о том, как сделать машину времени. Над этим вопросом трудились светлейшие умы человечества как и в прошлом, так и в настоящем. Писатели, что славятся фантастическими рассказами, режиссёры, снимающие фильмы о путешествиях во временных капсулах, заставляют поверить в осуществление идеи о создании машины, способной перемещать людей сквозь время.
История попыток создания машины времени
Учёные-физики, в частности Альберт Эйнштейн и Курт Гедель, работали над созданием машины, которая способна перенести человека сквозь временное пространство в прошлое или будущее. Теория, которую выдвинул Эйнштейн, основана на управлении Вселенной. Вернее на том, чтобы вывести уравнение её гравитационного поля. Учёный считал, что Вселенная – вращающееся тело. А свет – элемент, который входит в траекторию её вращения. Благодаря этому можно пролететь сквозь пространственно-временные кольца, которые создаются при вращении Вселенной и световых частиц, тем самым увидеть своё прошлое.
Теория относительности всегда вызывала противоречивое мнение у математиков и физиков. Ведь если учёные поверят в её правдивость, примут её, они автоматически согласятся с тем, что путешествие во времени – это отнюдь не сказка, а вполне реальная возможность.
Существует ещё одно мнение, которое бытует среди учёных, желающих покорить время. Оно состоит в том, что на время можно воздействовать, как и на всё остальное. Дело в том, что время – такая же составляющая нашего мира, как и пространство. Его можно изменить или исказить при помощи давления гравитации. При этом время превращается из прямой линии в петлю, через которую и можно путешествовать. Нужно лишь набрать определённую скорость.
Но на то она и теория, что не подтверждена практикой. И вопрос о том, как изобрести машину времени, остаётся всего лишь вопросом, хотя существует много не совсем обоснованных заявлений о том, что такая машина уже давно существует.
Современные попытки создания
Проекты по созданию временных туннелей были проведены в Соединённых Штатах Америки. Все они разрабатывались для того, чтобы подтвердить возможность путешествий во времени. Хотя некоторые источники подтверждают, что в ходе таких экспериментов получилось попасть в будущее. Парадокс состоит в том, что всех испытуемых, подтверждающих такие «прорывы», признали просто сумасшедшими. Напрашивается вопрос о том, зачем проводили эксперименты, которые заранее признаны недействительными? Например, секретный проект под названием «Феникс», в ходе которого было установлено, что временные петли существуют. Участники хотели выяснить, насколько теория о временном перемещении возможна на практике. К сожалению, тех, кто ответил положительно, определили в места для умалишённых.
Никому не известно, изобретут ли машину времени. А может быть, она уже существует. Некоторые тайны всегда остаются неразгаданными. Возможно, что даже положительный ответ на этот вопрос не сможет удовлетворить учёных, лишь даст им понять, что всю свою жизнь они положили на алтарь науки, разгадывая загадку, которая уже была разгадана в далёком прошлом или будущем.
Сложно, но возможноПол Дэйвис
Знаменитый роман "Машина времени", написанный Гербертом Уэллсом в 1895 г., вдохновил многих писателей фантастов. Возможно ли на самом деле путешествие во времени? Удастся ли создать аппарат, который смог бы отправить человека в прошлое или в будущее?
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 наблюдателя 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". Представьте, что Салли и Сэм - близнецы. Салли садится в космический корабль и на высокой скорости отправляется к ближайшей звезде, затем разворачивается и летит на Землю, где ее ждет Сэм. Пусть для Салли продолжительность полета составит, скажем, один год. Когда она вернется, то обнаружит, что за время ее отсутствия на Земле прошло 10 лет, а ее ше ее на 9 лет. Получается, что Салли брат Сэм стар и Сэм теперь не ровесники, хотя и родились в один и тот же день.
Этот пример иллюстрирует один из вариантов путешествия во времени: в результате своего полета Салли переместилась на 9 лет в будущее Земли.
Сдвиг во времени
Эффект растяжения времени возникает всякий раз, когда один наблюдатель движется относительно другого. В повседневной жизни мы не замечаем искажений времени, поскольку они проявляются лишь при околосветовых скоростях. Даже скорость самолетов настолько мала, что растяжение времени за обычный авиаперелет составляет лишь несколько наносекунд. Что и говорить, масштабы далеко не уэллсовские. Тем не менее атомные часы достаточно точны, чтобы зарегистрировать этот временной сдвиг и доказать, что время при движении растягивается. Итак, путешествие в будущее, пусть даже в очень близкое будущее, - подтвержденный факт.
Три непростых этапа создания туннельной машины времени
1 Сначала необходимо найти или создать звездные врата - туннель, соединяющий две точки пространства. Возможно, такие туннели существуют еще со времен Большого взрыва. В противном случае придется иметь дело с естественными субатомарными пространственно-временными туннелями, которые могут возникать и исчезать повсюду, или с искусственными - созданными при помощи ускорителей элементарных частиц. Микротуннели необходимо будет увеличивать до приемлемых размеров, вероятно, используя при этом энергетические поля, схожие с теми, которые заставили пространство мгновенно расшириться сразу после Большого взрыва.
2 Затем необходимо обеспечить устойчивость туннеля. Введение в него отрицательной энергии, полученной квантовыми методами при помощи так называемого эффекта Казимира, позволит сигналам и материальным объектам безболезненно проходить сквозь звездные врата. Отрицательная энергия будет препятствовать стремлению туннеля сжаться в точку с бесконечной (или почти бесконечной) плотностью и стать черной дырой.
3 Теперь с помощью космического корабля можно отбуксировать один из входов туннеля к поверхности нейтронной звезды, обладающей невероятной плотностью и мощным полем тяготения, которое замедлит ход времени. При этом на другом конце туннеля время будет лететь быстрее, и входы звездных врат окажутся разделены не только в пространстве, но и во времени.
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.
Самой большой проблемой при создании туннельной машины времени
является построение пространственно-временного туннеля
Были придуманы и другие сценарии путешествия в прошлое. Так, в 1974 г. Фрэнк Дж. Типлер (Frank J. Tipler) из Университета Тулейна рассчитал, что массивный бесконечно длинный цилиндр, вращающийся вокруг своей оси с околосветовой скоростью и закручивающий свет вокруг себя в кольцо, может позволить космонавтам попасть в свое прошлое. В 1991 г., Дж. Ричард Готт (J. Richard Gott) из Принстонского университета предсказал, что космические нити - структуры, сформировавшиеся, по мнению космологов, на ранних стадиях после Большого взрыва, - могут породить похожий эффект. 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 (см. статью Лоренса Г. Форда (Lawrence H. Ford) и Томаса А. Романа (Thomas A. Roman) "Отрицательная энергия, пространственно-временные туннели и искривляющий двигатель" (Negative Energy, Wormholes and Warp Drive) в январском номере Scientific American за 2000 год).
Источник парадоксов
ПРЕСЛОВУТЫЙ МАТЕРИНСКИЙ ПАРАДОКС и ЕГО РАЗГАДКА
Пресловутый материнский парадокс возникает тогда, когда люди или материальные объекты попадают в свое прошлое и изменяют его. Простой пример: бильярдный шар попадает в туннельную машину времени. Вылетая из нее в прошлом, он сталкивается с самим собой и препятствует своему попаданию в туннель.
Разгадка парадокса проста: поведение бильярдного шара не должно противоречить логике или законам физики. Шар не может вылететь из туннеля так, чтобы самому себе помешать в него попасть. Зато он может пройти звездные врата бесконечным числом других способов.
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.
Предположим, что эта разница составит 10 лет. Пройдя через такой туннель в одном направлении, космонавт перенесется на 10 лет в будущее. Другой космонавт, пройдя сквозь туннель в обратном направлении, переместится на 10 лет в прошлое. Вернувшись с большой скоростью к месту своего отправления через обычное пространство, второй космонавт сможет оказаться дома еще до начала своего путешествия. Другими словами, пространственная петля может стать петлей во времени. Единственное ограничение - космонавт не может вернуться в тот период времени, который предшествовал созданию пространственно-временного туннеля.
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.
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.
Не являясь строго парадоксальными, путешествия во времени, несомненно, остаются загадочными. Вообразим, что путешественник попадает в будущее на один год вперед и в свежем выпуске Scientific American знакомится с новой математической теоремой. Запомнив ее доказательство, он возвращается в прошлое и рассказывает о ней некоему студенту, который затем публикует статью об этой теореме в упомянутом журнале. Разумеется, это та самая статья, которую читал наш путешественник. Встает вопрос: откуда взялась информация о теореме? Не от путешественника, поскольку он всего лишь прочитал о теореме статью. Но и не от студента, который услышал о теореме от путешественника. Получается, что информация появилась ниоткуда и безо всякой причины.
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.
Кто не зачитывался в детстве романом Герберта Уэллса "Машина времени"? Кто не испытывал волнения, когда смотрел одноимённый фильм. Возможности человека управляющего машиной времени безграничны, и в массе своей люди считают такой проект осуществимым в далёком будущем, когда учёные что-то там откроют. Но насколько реальны эти ожидания? Есть ли законы, препятствующие такому путешествию? Есть ли хотя бы предположения о возможном механизме такой машины?
Для того чтобы определить возможность путешествия во времени, необходимо, прежде всего, определиться, что такое время. А вот с этим есть трудность – нет непротиворечивого определения времени. О времени задумывался ещё в 400 году н.э. Блаженный Августин.
"Время - одна из величайших загадок Вселенной. Река времени уносит нас всех без исключения, независимо от нашего желания и даже против воли".
"А как могут быть эти два времени, прошлое и будущее, когда прошлого уже нет, а будущего еще нет? И если бы настоящее всегда оставалось настоящим и не уходило в прошлое, то это было бы уже не время, а вечность".
"Если Господь всезнающ и всемогущ, то связан ли Он течением времени?" "Господь всемогущ и потому не может быть ограничен чем бы то ни было, в том числе и течением времени; следовательно, он должен существовать вне времени".
Многое из этих рассуждений Августина не потеряла свою актуальность в настоящее время. Теорий, объясняющих феномен времени немного. Ньютон считал, что время независимо и неизменно, течёт в раз заданный момент бесконечно в одном направлении. После грандиозного успеха специальной и общей теории относительности стало ясно, что время и пространство неразрывно связанны вместе. Но почему времени уготована роль особого измерения, каков физический смысл этого – до сих пор не ясно. Были разные предположения. Н.А.Козырев считал, что время – это физический процесс и время может оказывать механическое воздействие на приборы. А.И. Вейник считал, что время – это особое хрональное поле, воздействующее на объекты. Орос ди Бартини считал время трёхмерным. Успехи физиков в объяснении особого статуса времени столь редки, что ожидать прорыва в этом направлении в ближайшее время не приходится. Но, несмотря на это рассуждения о возможности построения машины времени постепенно перекочёвывают из романов писателей фантастов в серьёзные статьи физиков теоретиков.
Машина времени Ван Стокума.
В 1937 году В. Дж. Ван Стокум нашел решение уравнений Эйнштейна, которые делали возможным путешествие во времени. Он рассчитал, что если взять бесконечно длинный цилиндр, и раскрутить его до скорости близкой к скорости света, то он бы увлекал материю пространства-времени с собой. (Этот «эффект скручивания» (frame-dragging) так же известен как «захват системы отсчета» и рассчитан для вращающихся черных дыр.)
Любого храбреца, отважившегося пройти мимо цилиндра, засосало бы внутрь с фантастической скоростью. При этом стороннему наблюдателю казалось бы, что тот человек превысил скорость света. Хотя сам В 1937 году эту опасность заметили физики, когда В. Дж. Ван Стокум нашел решение уравнений Эйнштейна, которые делали возможным путешествие во времени. Он рассчитал эффекты от бесконечно длинного вращающегося цилиндра. Хотя физически невозможно построить объект с бесконечными размерами. Сам Ван Стокум тогда так и не понял, что, облетев вокруг цилиндра, по сути, можно вернуться назад во времени, в момент, предшествующий моменту отлета. Чем быстрее вращение цилиндра, тем дальше вы можете унестись назад во времени (при этом единственным ограничением будет то, что вы не смогли бы попасть в момент времени до создания самого цилиндра). Свою теорию Ван Стокум к сожалению не развил до конца, во время Второй Мировой войны он погиб, воюя в Королевских ВВС Нидерландов против Германии.
Машина времени Курта Гёделя.
В 1949 году талантливый математик Курт Гёдель предложил математическую модель машины времени. Он нашёл одно из решений уравнения гравитации Эйнштейна, более сложное с некоторыми параметрами гравитационного поля или искривлением пространства-времени, с которым человечество никогда не сталкивалось. Курт Гёдель, австрийский математик, работал вместе с Альбертом Эйнштейном в Принстонском институте перспективных исследований.
Он предположил, что Вселенная вращается вся целиком. Подобно случаю с вращающимся цилиндром Ван Стокума, все увлекается пространством-временем. Такая естественная машина времени. К примеру, Вселенная нашего размера по Гёделю должна была бы совершать один полный оборот за 70 миллиардов лет, а минимальный радиус для путешествия во времени составлял бы 16 миллиардов световых лет. Однако путешествуя во времени в прошлое, вы должны двигаться со скоростью чуть ниже скорости света.
Эйнштейн не приветствовал появление возможности путешествия во времени в теории, что приводило к логическим парадоксам, подобным парадоксу дедушки. Он писал: "Работа Курта Гёделя, на мой взгляд, представляет собой важный вклад в общую теорию относительности, особенно в анализ концепта времени. Проблема, рассмотренная в работе, беспокоила меня еще во время создания общей теории относительности, и я так и не достиг успеха в ее разрешении… Различие «раньше-позже» стирается при рассмотрении точек Вселенной, отстоящих далеко друг от друга в космологическом смысле, а при учете направления причинных связей возникают те парадоксы, о которых говорит господин Гёдель… Будет интересно разобраться, можно ли отбросить их по причине недостаточного физического обоснования".
В 1968 году академик А.Д. Александров предложил оценить физические условия, при которых реализуется машина времени Курта Гёделя. При этом получалось, что для реализации этого механизма необходима скорость чуть меньше световой, или плотность материи окружающей машину времени порядка 10^28 г/см^3, что согласуется с убеждением самого Гёделя о невозможности построения машины времени не из-за логических противоречий, а только по техническим причинам.
Машина времени Кипа Торна
В 1988 году Кипом Торном была предложена новая модель машины времени. Кип Торн вместе с коллегами, Майклом Моррисом и Ульви Юртсивером, Торн объявил, что машину времени сконструировать возможно при условии, что каким-то образом будут получены странные формы вещества и энергии, такие, как "экзотическое отрицательное вещество" и "отрицательная энергия". Для чего были необходимы столь экзотические формы материи? Для того чтобы вырезать из пространства кротовую нору, которая кратчайшим образом соединяет два участка пространства "А" и"В". Участок В кротовой норы необходимо запустить с околосветовой скоростью, затем затормозить, вернуться назад с такой же скоростью. В портале А время будет идти обычным темпом, в портале В время замедлится. Предлагается нырнуть в портал В, почти мгновенно достигнуть А, и, затем, как можно быстрее домчатся до портала В по внешнему пространству. Это приведёт к появлению временной петли, что эквивалентно машине времени. 
Впрочем, помещение портала В в сильное гравитационное поле приведёт в соответствии принципом эквивалентности к аналогичному результату. Впрочем, здесь есть некоторая трудность, которая может иметь решающее значение. Направление стрелы времени в кротовой норе не только не совпадает, но имеет почти противоположное направление по отношению к стреле времени остального пространства. Может быть, это и есть тот запрет, который сведёт на нет попытки построить машину времени.
Дело в том, что Стивен Хоукинг, английский астрофизик, занимающийся проблемами начала и конца Вселенной и чёрными дырами как то поставил перед коллегами задачу: найти закон, препятствующий путешествию во времени. Никто из коллег не смог найти обоснование подобному запрету, названному "защита истории". 
Есть и другие принципиальные трудности создания машины времени Кипа Торна. Это создание в большом количестве отрицательной энергии. Небольшое количество так называемой отрицательной энергии можно наблюдать в эксперименте. Теоретическую возможность такого эксперимента голландский учёный Хенрик Казимир доказал в 1933 году, показав, что две незаряженные параллельные металлические пластины могут создавать отрицательную энергию. В 1948 году эта незначительная сила действительно была измерена, что доказало реальную возможность существования отрицательной энергии. Эффект Казимира использует довольно необычное свойство вакуума. Согласно квантовой теории, пустое пространство заполнено «виртуальными частицами», и это возможно благодаря принципу неопределенности Гейзенберга, который допускает, что исконные классические законы могут быть нарушены, если эти нарушения кратковременны. Например, благодаря принципу неопределенности существует некоторая вероятность того, что электрон и позитрон могут возникнуть из ничего, а затем аннигилировать друг друга. Поскольку параллельные пластины находятся очень близко друг к другу, эти виртуальные частицы не могут свободно попасть в пространство между пластинами. Таким образом, поскольку вокруг пластин находится гораздо больше частиц, чем между ними, это создает силу, направленную извне, которая слегка подталкивает пластины друг к другу. Этот эффект был точно измерен в 1996 году Стивеном Ламоро из Национальной лаборатории Лос-Аламос.
Отрицательная энергия содержится и в черной дыре - у ее «горизонта событий». Как доказали Джейкоб Бекенштейн и Стивен Хокинг, черная дыра не является идеально черной, поскольку она пусть медленно, но испускает энергию. Это происходит потому, что принцип неопределенности делает возможным туннелирование излучения сквозь невероятную гравитацию черной дыры. Но поскольку такая черная дыра теряет энергию, со временем «горизонт событий» сужается Обычно, если положительное вещество (например, звезду) бросить в черную дыру, то «горизонт событий» расширяется. Но если мы сбросим в черную дыру отрицательное вещество, то «горизонт событий» сузится. Таким образом, испускание энергии черной дырой создает отрицательную энергию возле «горизонта событий».
Вселенная и машина времени Мизнера.
Мизнер предложил упрощённую модель Вселенной, с которой было бы проще делать математические расчёты. Представим себе некую комнату. Противоположные стенки этой комнаты имеют свойства зеркального отображения и идентичны каждой точке противоположной стенки. Сквозь стены можно проходить, но в этом случае, исчезнув, допустим в левой стенке, мы тут же возникаем справа. Так же точки на передней стене дома идентичны точкам на задней стене, а точки на потолке идентичны точкам пола. Таким образом, идя в любом направлении, вы пройдете сквозь одну из стен и появитесь на противоположной стороне. Теперь представим себе, что стенки медленно сходятся со скоростью Х1. Теперь, пройдя стенку со своей скоростью Х0 мы выйдем из противоположной со скоростью Х0 + Х1. Повторив это ещё раз скорость возрастёт до Х0 + Х1+ Х1. И так каждый раз, пока ваша скорость не достигнет скорости света. Стивен Хокинг тщательно изучил пространство Мизнера. Он обнаружил, что с математической точки зрения правая и левая стены почти идентичны двум устьям-входам портала-червоточины. Таким образом формируется кротовая нора, идентичная той, что необходима для функционирования машины времени. Однако он заметил противоречие. Если вы используете фонарик, то луч света при каждом проходе через стену станет более смещён в голубую часть спектра. Затем сдвиг излучения произойдёт в ультрафиолетовую часть спектра, затем в рентгеновскую, и вплоть до того момента, когда излучение фонарика станет настолько энергетически выраженным, что гравитационное воздействие его само начнёт сдвигать стенки комнаты. Это приведёт к коллапсу комнаты – Вселенной. Таким образом, Стивен Хокинг нашёл главное препятствие для создания машины времени – излучение на входе машины времени будет так многократно усиливаться (re entry), что быстро достигнет уровня энергии, сопоставимой с началом Вселенной, Большом Взрыве. Это излучение просто сожжет любое существо, пытающееся пройти порог машины времени.
Машина времени Готта.
В 1991 году Дж. Ричард Готт из Принстонского института предложил еще одно решение эйнштейновских уравнений, которое допускало путешествия во времени. Это новое решение, без необходимости искать отрицательную энергию, находится рядом с чёрной дырой или разгонятся до световой скорости. Тут надо сказать о космических струнах – экзотических образованиях, которые могли остатся после Большого Взрыва во Вселенной. Диаметр этих образований меньше диаметра ядра атома, длина же может достигать миллионы световых лет. При этом масса их огромна, учитывая их чудовищную плотность. За счёт сверхсильного гравитационного поля эти образования "вырезают" в пространстве "конус". Исследуя уравнения Эйнштейна, он обратил внимание на то, что пространство вокруг космических струн имеет топологию конуса. А это значит, что описав круг вокруг конуса, мы отметим, что длина окружности меньше, чем, если бы конус был бы расправлен на плоскости – нет вырезанного сектора. Описав круг вокруг космической струны, путешественники заметят, что путь их стал короче из-за "вырезанного участка" пространства – времени. Но это не сделает такое путешествие путешествием во времени. Другое дело, если эти космические струны двигаются по отношению друг к другу. Направление времени второй струны будет комбинацией времени и пространственных изменений первой. Теперь, если путешественник движется с первой струной, то взаимодействующая вторая струна сократит как пространство, так и время. И если скорость сближения космических струн сопоставима со скоростью света, то эффекты "сокращения" пространства и времени создаст условия для возникновения петель времени, то есть и машины времени. Готт вспоминает: "Когда я обнаружил это решение, я чрезвычайно взволновался. В решении использовалось только положительное вещество, которое двигалось со скоростью, не превышающей скорость света. Для сравнения: решения, привлекающие порталы, требуют присутствия более экзотического отрицательно-энергетически-плотного вещества (то есть чего-то, что весит меньше, чем ничего)".
Сможет ли высокоразвитая космическая цивилизация обнаружить в космосе подходящие космические струны, двигающиеся навстречу друг другу со скоростью 99,999999996 % от скорости света? Некоторые из теоретиков отрицают саму возможность существования столь экзотической материи, которую ещё никто не наблюдал. Впрочем, даже если они существуют, то их столкновения ещё более редкое событие. Готт на это предлагает воздействовать на космические струны таким образом, чтобы создать петлю, самораспадающуюся из-за своей гравитации. Тогда облетев вокруг распадающейся петли можно попасть в прошлое. Впрочем, он сам признаёт трудности на этом пути: "Коллапсирующая петля из космической струны, достаточно большая для того, чтобы вы смогли облететь вокруг нее и отправиться хотя бы на год назад в прошлое, должна была бы иметь массу-энергию более половины всей галактики".
Машина времени Роналда Малета.
"В своей работе я нашел еще один способ. Оказывается, что по теории Эйнштейна гравитацию может создавать не только вещество, но и свет. Если гравитация может влиять на время, а свет способен создавать гравитацию, то закономерно, что свет также может влиять на время. Так что моя идея заключается в том, что следует использовать свет для того, чтобы манипулировать временем. Моя машина времени выглядела бы как свет, цилиндр постоянно циркулирующего света.
Представим себе, что кофе в этой чашке - это некоторое количество пространства, а ложка - циркулирующий сноп света. Теперь, когда я начинаю перемешивать кофе ложкой, видно, что происходит с кофе. То же самое делает с пространством движущийся по кругу луч света: пространство начинает заворачиваться вокруг него и создает воронку. Но если вращать достаточно быстро, то не только пространство, но и время будет вести себя так. По теории Эйнштейна время и пространство неразрывно связаны между собой, и то, что вы делаете с пространством, неизменно отразиться и на времени. Так что воронка будет не только пространственной, но и временной. Это позволит путешествовать во времени."
"Чего я не знал, когда приступал к работе над проектом, так это того, что существуют определенные ограничения. Например, если бы я включил устройство сегодня, временная петля начала бы формироваться и я бы оставил ее на 10 лет в таком состоянии, то кто-то смог бы спутешествовать на 10, на 7, на 5 лет назад, в то время, в которое машина была включена. Однако нельзя будет переместиться в более ранние времена, потому что машины времени тогда не существовало. Таким образом, путешествия во времени возможны, но только из будущего, когда устройство будет включено, в тот период и никак не раньше.
Это объясняет, почему мы никогда не видели путешественников во времени из будущего - потому что созданную человеком машину времени в наше время еще не построили и не включили. Иными словами, мне никогда не суждено, например, навестить моего отца, чего бы мне очень хотелось. Однако должен сказать, что так как в теории вопроса я кое-чего достиг, отец мог бы мной гордиться. Моя страсть позволила мне преуспеть, однако она не была всепоглощающей, потому что теперь я знаю, что в дополнение к желанию контролировать время, важно также жить во времени. И даже если путешествия во времени возможны на практике и все мы - хозяева нашей судьбы, у всех у нас есть только настоящее, и важно жить этим настоящим на полную катушку. Это то, чему я научился за время работы над своим проектом."
Машина времени Амоса Ори.
По мнению Амоса Ори из Израильского технологического института в Хайфе, пространство может быть достаточно скручено для создания локального гравитационного поля, которое напоминает пончик определенных размеров. Гравитационное поле образует круги вокруг этого пончика, поэтому пространство и время крепко закручены. Важно отметить, что такое положение дел сводит на нет необходимость какой-либо гипотетической экзотической материи. Хотя как это будет выглядеть в реальном мире описать довольно трудно. Ори говорит, что математика показала, что через равные промежутки времени внутри пончика в вакууме будет образовываться машина времени. Все, что вам нужно - это попасть туда. В теории можно будет отправиться в любой момент времени с тех пор, как была построена машина времени.
Теории о путешествиях во времени, пожалуй, остаются одними из самых впечатляющих вслед за разработками в области телепортации, торсионных полей и антигравитации. Впрочем, путешествию во времени не повезло больше - до сих пор не только нет очевидцев перемещения во времени, но и универсального определения времени. В каком-то смысле каждый из нас путешественник во времени, правда, это не впечатляет, тем более что двигаться в этом понимании можно только "вперед". 32
До Эйнштейна о путешествиях во времени говорили только литераторы, причем идея "времени вспять" принадлежит вовсе не Герберту Уэллсу, а Эдварду Пейджу Митчеллу, издателю газеты New York Sun, который за 7 лет до "Машины времени" опубликовал рассказ "Часы, которые шли назад". В физике о возможности подобных перемещений стало модно размышлять вслед за Эйнштейном. Феномен путешествия во времени с того момента стал объясняться с точки зрения действия пространственно-временного континуума. "Тень" Эйнштейна по сей день "лежит" на всех мало-мальски серьезных рассуждениях на эту тему. 32
По теории относительности выходит, что при скорости, приближающейся к скорости света, время должно замедляться. Однако скорость света практически недостижима в отличие, скажем, от скорости звука, барьер которой был преодолен в последней четверти прошлого века. Далее, по теории Эйнштейна следует, что, когда тело развивает скорость, близкую к скорости света, его вес начинает увеличиваться и в точке достижения этой скорости практически бесконечен. Еще одна аксиома, которая также сопровождает теории о времени, гласит: первое путешествие, если ему суждено будет произойти, будет связано не с изобретением сверхбыстрого транспорта, а с открытием особой среды, в которой любое транспортное средство могло бы разогнаться до нужной скорости. Коридор во времени может быть образован и сугубо "природными" явлениями: черными дырами, тоннелями, космическими струнами и так далее. 32
Наиболее вероятным претендентом на "коридор времени" называют черные дыры, о природе которых до сих пор известно крайне мало. Принято считать, что когда звезды, масса которых превышает массу Солнца как минимум в четыре раза, гибнут, то есть когда их "топливо" сгорает, они взрываются из-за давления, вызванного их собственным весом. В результате взрыва образуются черные дыры, гравитационные поля в которых настолько мощны, что эту область не может покинуть даже свет. Всякий объект, достигающий границы черной дыры - так называемого горизонта событий, - всасывается в ее недра, причем снаружи не видно, что происходит "внутри". 32
Черная дыра окружена гравитационным полем, в котором тела достигают скорости света. Предполагается, что в глубине черной дыры - предположительно, в центре, в так называемой точке сингуляра - законы физики прекращают действовать, и пространственная и временная координаты, грубо говоря, меняются местами, а путешествие в пространстве становится путешествием во времени. Кроме того, физики предположили, что если есть черные дыры, затягивающие все, оказавшееся в зоне воздействия, то где-то там, в "ядре" дыры, должна быть некая "белая дыра", выталкивающая материю со столь же сокрушительной силой. 32
В центре черной дыры находится коридор, где пространство и время меняют свои характеристики. Однако есть одно "но": прежде чем тело достигнет зоны, где законы традиционной физики перестают действовать, оно будет разрушено. Эта точка зрения была высказана физиком Калифорнийского института технологии Кипом Торном, автором монографии "Черные дыры и искривление времени". 33
Торн предложил другой способ достижения необходимого для путешествия во времени ускорения. Он, основываясь на той же теории Эйнштейна, по которой пространство и время везде постоянно, изучал другие "прорехи" в пространственно-временном континууме. Эти норы-тоннели якобы способны возникать между отдаленными объектами благодаря казуальной скрученности пространства. Тоннели могут связывать отдаленные в пространстве точки, которые существуют в принципиально разных временных плоскостях. Кип Торн абсолютно серьезно в преддверии открытия этих тоннелей предлагал для поддержания их открытыми покрывать поверхность туннеля неким веществом с отрицательной плотностью энергии. Гравитационные силы будут стремиться разрушить туннель, захлопнуть его, а покрытие будет расталкивать стенки и удерживать от коллапса. 33
Еще одна любопытная теория о способах путешествия во времени принадлежит Ричарду Готу - физику из Принстона. Он предположил существование неких космических струн, которые были образованы на ранних этапах формирования вселенной. Согласно теории струн, все микрочастицы образованы замкнутыми в петли крохотными струнами и находятся под чудовищным натяжением в сотни миллионов тонн. Их толщина гораздо меньше размеров атома, однако колоссальная гравитационная сила, с которой они воздействуют на объекты, попадающие в зону их влияния, разгоняет их до колоссальной скорости. Совмещение струн или соположение струны и черной дыры способно создать закрытый коридор с искривленным пространственно-временным континуумом, который и мог бы использоваться для путешествия во времени. Существуют и другие, менее экзотичные способы "обмануть" время. Легче всего это будет сделать астронавтам. Пребывание, к примеру, на Меркурии в течение 30 лет означает, что астронавт вернется на нашу планету более молодым, нежели если бы он оставался на Земле, так как Меркурий вращается вокруг Солнца чуть быстрее Земли. Однако здесь линейный ход времени сохраняется, и в чистом виде путешествием во времени данный феномен называть не стоит. Более того, зафиксировано, что астронавты, которых на орбиты выносит "Шаттл", уже сейчас опережают "земное" время на несколько наносекунд, хотя до скорости света им, мягко говоря, далеко. 33
Помимо проблем технического характера, физики обсуждают и возможные конфликты времени. Реальная проблема, которая может ждать путешественников, - парадоксы времени. Их возникнет множество, и все они будут связаны с возможным воздействием на ход уже совершенных событий - "парадокс дедушки", например. Большинство теоретиков сошлись на том, что всякое воздействие на ход совершенного создает новую, параллельную реальность либо другую "мировую линию", ничуть не мешающую существованию "исходной". И таких "параллельностей" будет ровно столько, сколько необходимо для непротиворечивого существования каждой из них. Вообще надо заметить, что рассуждения, дискуссии и лекции о природе времени и возможности путешествия во времени до сих пор остаются излюбленным занятием серьезных физиков - своего рода интеллектуальной забавой. В свое время астрофизик NASA Карл Саган в ответ на заявление Стивена Хокинга о том, что, если бы путешествия во времени были бы возможны, среди нас было бы полно "ребят из будущего", парировал, что есть, как минимум, дюжина способов опровергнуть это заявление. 33
Во-первых, машина времени, к примеру, сможет переносить только в будущее. Во-вторых, машина времени сможет переносить только в недалекое прошлое, а мы - опять же, к примеру - "слишком давно". В-третьих, наши потомки из будущего могут перемещаться только к тем предкам, у которых машина уже есть, и так далее. Как бы там ни было, гипотетическая возможность подобных путешествий сохраняется, и опровергнуть ее не в силах самые язвительные скептики. Более того, теории теориями, а практические разработки все-таки ведутся. Причем с определенными успехами. 34
Запустил проект «Вопрос учёному», в рамках которого специалисты будут отвечать на интересные, наивные или практичные вопросы. В новом выпуске доктор физико-математических наук Алексей Рубцов рассказывает, можем ли мы построить машину времени.
Возможно ли создать
машину времени?
Алексей Рубцов
Физик, доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники Физического факультета МГУ, внешний исследователь РКЦ
Вопрос о возможности создания машины времени - это вопрос об универсальной применимости принципа причинности и близко с ним связанного второго закона термодинамики. Выражаясь простым языком, принцип причинности говорит нам, что всегда и везде, в любых системах отсчёта и для всех явлений следствие не может предшествовать причине. Сначала гремит гром, а затем крестится мужик. Второй закон термодинамики, опять же намеренно упрощая, утверждает, что замкнутые системы всегда меняются в сторону возрастания беспорядка (энтропии) . Например, сахар со временем растворяется в воде, потому что сироп обладает большей энтропией, нежели составляющие его сахар и вода по отдельности. Для того чтобы вновь разделить сахар и воду, нужно затратить энергию (например, нагреть раствор).
Ясно, что возможность путешествия во времени нарушила бы оба этих закона: прыгнувший на несколько секунд в прошлое мужик мог бы перекреститься перед вспышкой молнии, а отправив в прошлое сахарный сироп, мы бы увидели, как из него сами по себе возникают не смешанные вода и сахар.
Интересно, что никакие другие физические законы не устанавливают разницы между прошлым и будущим. Большая часть уравнений вообще не меняет своего вида при изменении направления течения времени, остальные остаются неизменными при одновременной смене направления временнОй оси и знаков ещё нескольких физических величин (простейший пример такого рода - системы с магнетизмом, в которых надо одновременно менять знак оси времён и направление магнитного поля).
Вполне может оказаться, что в будущем мы услышим о какой-нибудь «квантовой машине времени». Но путешествия во времени от этого возможными, к сожалению, не станут.
Таким образом, принцип причинности и второе начало термодинамики в современной картине знаний представляют собой изолированные утверждения - если вдруг окажется, что они не выполняются, остальная часть научного знания останется неизменной. Можно провести аналогию с пятой аксиомой Евклида: опирающаяся на постулат о непересечении параллельных прямых теория правильно описывает геометрию на плоскости, но отмена этой аксиомы не приводит к катастрофе - получается неевклидова геометрия, описывающая, например, свойства фигур на поверхности сферы.
Разница межу физикой и математикой, однако, состоит в том, что математике интересны любые теории, а физике - только описывающие наш реальный мир, существующий в единственном экземпляре. И в этом реальном мире принцип причинности, судя по всему, не нарушается. Конечно, всегда можно думать, что мы этих нарушений не замечаем, но вероятность такого положения дел крайне мала - как и все фундаментальные законы, принцип причинности проявляет себя в самых разных аспектах наблюдаемой действительности, и пройти мимо его нарушения было бы сложно.
Нужно сказать ещё вот о чём. Учёные не меньше газетчиков любят броские названия, и последнее время стало модным заимствовать для новых открытий термины из научной фантастики, чтобы привлечь к ним внимание сообщества. Один из ярких примеров - термин «квантовая телепортация», соответствующий абсолютно реальной и очень красивой квантово-информационной технологии, не имеющей, впрочем, ничего общего с телепортами из книжек и компьютерных игр. Вполне может оказаться, что в будущем мы услышим о какой-нибудь «квантовой машине времени». Но путешествия во времени от этого возможными, к сожалению, не станут.
