Законы физики допускают путешествия во времени. Так почему же люди не стали хронологическими прыгунами?
В фильмах путешественники во времени обычно заходят внутрь машины и —пуф — исчезают. Затем они мгновенно появляются среди ковбоев, рыцарей или динозавров. То, что показывают эти фильмы, в основном является телепортацией во времени.
Ученые не думают, что эта концепция вероятна в реальном мире, но они также не относят путешествия во времени к области безумия. На самом деле, законы физики могут допускать хронологические скачки, но дьявол кроется в деталях.
Путешествовать во времени в ближайшее будущее легко: вы делаете это прямо сейчас со скоростью одна секунда в секунду, и физики говорят, что скорость может меняться. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, течение времени зависит от того, с какой скоростью вы двигаетесь. Чем быстрее вы путешествуете, тем медленнее проходят секунды. И согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация также влияет на часы: чем сильнее гравитация поблизости, тем медленнее течет время.
“Вблизи массивных тел — вблизи поверхности нейтронных звезд или даже у поверхности Земли, хотя это незначительный эффект — время течет медленнее, чем вдали”, — говорит Дейв Голдберг, космолог из Университета Дрексела.
По словам Голдберга, если бы человек зависал у края черной дыры, где гравитация огромна, для него могло бы пройти всего несколько часов, в то время как для кого-то на Земле прошло 1000 лет. Если бы человек, который был рядом с черной дырой, вернулся на эту планету, он бы эффективно путешествовал в будущее. “Это реальный эффект”, — говорит он. “Это совершенно бесспорно”.
Однако путешествие назад во времени становится тернистым (более тернистым, чем быть разорванным в клочья внутри черной дыры). Ученые придумали несколько способов, которыми это может быть возможно, и они были осведомлены о парадоксах путешествий во времени в общей теории относительности на протяжении десятилетий. Фабио Коста, физик из Северного института теоретической физики, отмечает, что раннее решение проблемы путешествий во времени началось со сценария, написанного в 1920-х годах. Эта идея включала в себя массивный длинный цилиндр, который быстро вращался на манер соломинки, перекатываемой между вашими ладонями, и который искривлял пространство-время вместе с ним. Понимание того, что этот объект может действовать как машина времени, позволяющая путешествовать в прошлое, появилось только в 1970-х годах, через несколько десятилетий после того, как ученые обнаружили явление, называемое “замкнутые времениподобные кривые”.
“Замкнутая временноподобная кривая описывает траекторию гипотетического наблюдателя, который, постоянно перемещаясь вперед во времени со своей собственной точки зрения, в какой-то момент оказывается в том же месте и в то же время, откуда начал, создавая петлю”, — говорит Коста. “Это возможно в области пространства-времени, которая, искривленная гравитацией, замыкается сама в себя”.
“Эйнштейн читал [о замкнутых времениподобных кривых] и был очень обеспокоен этой идеей”, — добавляет он. Тем не менее, это явление стимулировало последующие исследования.
Наука начала серьезно относиться к путешествиям во времени в 1980-х годах. Например, в 1990 году российский физик Игорь Новиков и американский физик Кип Торн совместно работали над исследовательской работой о замкнутых времениподобных кривых. “Они начали изучать не только то, как можно попытаться построить машину времени, но и то, как она будет работать”, — говорит Коста.
Однако не менее важно, что они исследовали проблемы, связанные с путешествиями во времени. Что, если, например, вы бросили бильярдный шар в машину времени, и он отправился в прошлое, а затем столкнулся со своим прошлым «я» таким образом, что его нынешнее «я» никогда не сможет попасть в машину времени? “Это похоже на парадокс”, — говорит Коста.
По его словам, с 1990-х годов интерес к этой теме периодически ослабевал, но большого прорыва не было. Сегодня эта область не очень активна, отчасти потому, что каждая предлагаемая модель машины времени имеет проблемы. “У этого есть некоторые привлекательные особенности, возможно, некоторый потенциал, но затем, когда начинаешь разбираться в деталях, возникает своего рода препятствие”, — говорит Гаурав Ханна из Университета Род-Айленда.
Например, большинство моделей путешествий во времени требуют отрицательной массы — и, следовательно, отрицательной энергии, потому что, как показал Альберт Эйнштейн, когда он открыл E = mc2, масса и энергия — это одно и то же. По крайней мере, теоретически, так же, как электрический заряд может быть положительным или отрицательным, так может быть и масса — хотя никто никогда не находил примера отрицательной массы. Почему путешествия во времени зависят от такой экзотической материи? Во многих случаях это необходимо для поддержания открытой червоточины — туннеля в пространстве-времени, предсказанного общей теорией относительности, который соединяет одну точку в космосе с другой.
Без отрицательной массы гравитация привела бы к коллапсу этого туннеля. “Вы можете думать об этом как о противодействии положительной массе или энергии, которая хочет пересечь червоточину”, — говорит Голдберг.
Ханна и Голдберг согласны с тем, что маловероятно, что материя с отрицательной массой вообще существует, хотя Ханна отмечает, что некоторые квантовые явления обещают, например, отрицательную энергию в очень малых масштабах. Но это было бы “далеко не в том масштабе, который был бы необходим” для реалистичной машины времени, говорит он.
Эти проблемы объясняют, почему Ханна изначально отговаривал Кэролайн Маллари, в то время его аспирантку в Университете Массачусетса в Дартмуте, от участия в проекте по путешествиям во времени. Маллари и Ханна все равно пошли вперед и создали теоретическую машину времени, которая не требовала отрицательной массы. В своей упрощенной форме идея Маллари включает в себя две параллельные машины, каждая из которых сделана из обычной материи. Если вы оставите один припаркованным, а другой увеличите с предельным ускорением, между ними образуется замкнутая временная кривая.
Легко, не так ли? Но хотя модель Маллари устраняет необходимость в отрицательной материи, она добавляет еще одно препятствие: требуется бесконечная плотность внутри машин, чтобы они могли влиять на пространство-время таким образом, который был бы полезен для путешествий во времени. Внутри черной дыры можно обнаружить бесконечную плотность, где гравитация настолько сильна, что сжимает материю в умопомрачительно маленьком пространстве, называемом сингулярностью. В модели каждая из машин должна содержать такую особенность. “Одна из причин, по которой не так много активных исследований в этой области, заключается в этих ограничениях”, — говорит Маллари.
Другие исследователи создали модели путешествий во времени, которые включают в себя червоточину или туннель в пространстве-времени из одной точки космоса в другую. “Это своего рода кратчайший путь через Вселенную”, — говорит Голдберг. Представьте, что вы разгоняете один конец червоточины почти до скорости света, а затем отправляете его обратно туда, откуда он появился. “Эти две стороны больше не синхронизированы”, — говорит он. “Один находится в прошлом, другой — в будущем”. Пройди между ними, и ты путешествуешь во времени.
Вы могли бы достичь чего-то подобного, переместив один конец червоточины вблизи большого гравитационного поля — такого как черная дыра, — удерживая другой конец вблизи меньшей гравитационной силы. Таким образом, время замедлилось бы на стороне большой гравитации, по сути, позволив частице или какой-либо другой массе находиться в прошлом относительно другой стороны червоточины.
Однако для создания червоточины требуются досадные отрицательные масса и энергия. Червоточина, созданная из нормальной массы, разрушилась бы из-за гравитации. “Большинство проектов, как правило, имеют некоторые похожие проблемы”, — говорит Голдберг. Теоретически они возможны, но в настоящее время нет реального способа их приготовления, что-то вроде вкусной пиццы без калорий.
И, возможно, проблема не только в том, что мы не знаем, как создавать машины для путешествий во времени, но и в том, что это возможно только в микроскопических масштабах — убеждения покойного физика Стивена Хокинга. Он выдвинул гипотезу о защите хронологии: Вселенная не допускает путешествий во времени, потому что она не допускает изменений в прошлом. “Кажется, существует агентство по защите хронологии, которое предотвращает появление замкнутых временных кривых и таким образом делает Вселенную безопасной для историков”, — писал Хокинг в статье 1992 года в Physical Review D.
Часть его рассуждений касалась парадоксов, которые могут возникнуть при путешествии во времени, таких как вышеупомянутая ситуация с бильярдным шаром и его более известным аналогом, парадоксом дедушки: если вы вернетесь назад во времени и убьете своего дедушку до того, как у него появятся дети, вы не сможете родиться, и, следовательно, вы не сможете путешествовать во времени, и, следовательно, вы не могли убить своего дедушку. И все же вы здесь.
Однако именно эти сложности интересуют философа из Массачусетского технологического института Агустина Райо, потому что парадоксы не просто ставят под сомнение причинность и хронологию. Они также заставляют свободу воли казаться подозрительной. Если физика говорит, что вы можете вернуться назад во времени, тогда почему вы не можете убить своего дедушку? “Что тебя останавливает?” — спрашивает он. Вы не свободны?
Однако Райо подозревает, что путешествия во времени согласуются со свободой воли. “Что было, то прошло”, — говорит он. “Итак, если на самом деле мой дедушка прожил достаточно долго, чтобы иметь детей, путешествие назад во времени этого не изменит. Почему у меня ничего не получится, если я попытаюсь? Я не знаю, потому что у меня недостаточно информации о прошлом. Что я точно знаю, так это то, что я так или иначе потерплю неудачу.
Другими словами, если бы вы отправились убивать своего дедушку, вы, возможно, поскользнулись бы на банане по дороге или опоздали на автобус. “Не похоже, что вы обнаружите какую-то особую силу, заставляющую вас не делать этого”, — говорит Коста. “Вы бы не смогли этого сделать по совершенно обыденным причинам”.
В 2020 году Коста работал с Жерменом Тобаром, в то время его студентом-старшекурсником в Университете Квинсленда в Австралии, над математикой, которая лежала бы в основе аналогичной идеи: что путешествия во времени возможны без парадоксов и при свободе выбора.
Голдберг в некотором смысле согласен с ними. “Я определенно отношусь к категории [думающих, что] если путешествия во времени и существуют, то они будут построены таким образом, что создадут единый непротиворечивый взгляд на историю”, — говорит он. “Потому что, похоже, именно так построены все остальные наши физические законы”.
Никто не знает, что ждет путешествия во времени в прошлое в будущем. И до сих пор ни один путешественник во времени не пришел, чтобы рассказать нам об этом.