Нельзя просто так взять и повернуть время вспять. Гипотеза защищённости хронологии Стивена Хокинга
Каждый человек наверняка мечтал о том, чтобы вернуться в прошлое: кто-то для того, чтобы исправить свои ошибки, кто-то не прочь был бы отправится на несколько веков назад для изучения истории, а кто-то чисто ради научного эксперимента. Однако, какую бы цель человек не преследовал, а в прошлое вернуться никак не получится – об этом писал Стивен Хокинг в своей работе от 1992 года, в которой он выдвинул гипотезу о защищённости хронологии.
Согласно этой гипотезе, в прошлое невозможно вернуться – это запрещают фундаментальные законы физики. Путешествия во времени возможны только в будущее, но никак не в прошлое. Но как нам попасть в будущее? Есть несколько способов, например, улететь в космос и путешествовать там на околосветовых скоростях. Чем больше скорость, тем медленнее течёт время, а на скорости света оно бы и вовсе остановилось. Отсюда и возникает знаменитый парадокс близнецов: один брат остаётся на Земле, другой же отправляется в космическое путешествие с околосветовой скоростью. Предположим, что по земному времени в космосе он проведёт 10 лет, но на релятивистских скоростях время для него будет замедлено настолько, что эти 10 лет пройдут как всего несколько часов. Когда близнец-путешественник вернётся на Землю, он застанет своего брата постаревшим на 10 лет – таким образом, теоретически, он попал в будущее, ведь он сможет увидеть новые изобретения, технологии и прочие изменения, которые произойдут в мире земном за это время.
Если при движении со скоростью света время остановится, то, по идее, при превышении скорости света оно должно пойти вспять. Однако, Теория относительности говорит о том, что ничто не может двигаться быстрее света, поэтому сама Вселенная словно бы запрещает путешествие во времени назад.
Согласно мысли Стивена Хокинга, вернуться в прошлое никак нельзя – это будет нарушением закона причинно-следственной связи. Доказательством этого служит знаменитый парадокс убитого дедушки, описанный французским писателем Рене Баржавелем в книге «Неосторожный путешественник» (1943 год). Суть в том, что герой-путешественник смастерил машину времени и перемещается с её помощью в прошлое – в те времена, когда его дед был молодым и даже ещё не познакомился с бабушкой этого путешественника. Так получается, что этот путешественник убивает случайно своего ещё молодого деда. Что выходит? Дед не познакомился с бабушкой, значит, не родилась его мать, а раз не родилась его мать, значит, и не было бы самого этого горе-путешественника, смастерившего злополучное чудо техники. Если этот горе-путешественник не появился на свет, значит, никто создаст машину времени, и дед останется в живых, соответственно, он познакомится с бабушкой, родится мать, родится горе-путешественник, смастерит машину времени – и так по замкнутому кругу! Парадокс убитого дедушки – прекрасный пример нарушения причинно-следственной связи.
Любому вашему поступку предшествует определённое действие. В мире ничего не происходит просто так, и всё взаимосвязано. В зависимости от вашего выбора ваша дальнейшая история будет развиваться по-разному. Время вспять повернуть невозможно, так как, согласно теории Хокинга, существуют три стрелы времени:
1. Психологическая (любое живое существо, особенно – человек, чувствует ход времени). Причём, забавно, что оно каждый раз для каждого человека течёт по-разному! Эйнштейн шутил об этом так: «Если мужчина будет целый час сидеть в обществе милой и красивой девушки, то он пролетит для него незаметно! Если же посадить этого мужчину на раскалённую печь, этот час покажется для него вечностью. Это и есть относительность!»
2. Термодинамическая (опирается на второй закон термодинамики и связана с понятием энтропии, которая, если объяснять просто, имеет ввиду то, что с течением времени степень беспорядка нарастает – вещи изнашиваются, человек стареет и т. п. Энтропию (меру беспорядка) можно замедлить, например, если стирать свое любимое платье хорошим порошком или надевать его крайне редко на особые случаи. Но даже если оно будет лежать в шкафу, то до него может добраться какая-нибудь живность, и платью конец. Как бы вы ни старались, а энтропия возьмёт своё – любая система приходит в негодность).
Любая система из состояния высшего порядка переходит с течением времени к «беспорядку»
3. Космологическая, согласно которой с каждым мгновением Вселенная постоянно расширяется.
Все эти три «стрелы» движутся в одном направлении и неразрывно связаны между собой. Неужели по желанию обычного человека (каким бы благородным оно ни было) вернуться вспять вся Вселенная начнёт сжиматься? Разумеется, нет. Неужели разрушенный город из-за цунами снова сам по себе восстановится? Тоже нет.
Если бы и возможны были путешествия во времени, то наверняка будущие поколения, скажем, наши потомки, живущие, например, в 2500 году, уже бы изобрели технологии путешествий во времени, и среди них наверняка нашлись бы любопытные историки, которым захотелось бы посмотреть на нас, а где они – эти туристы из будущего? Или они так хорошо маскируются, что никто их никогда не видел? Ведь наверняка бы в исторических документах были бы упоминания о гостях из будущего! Согласитесь, интересно было бы оказаться в Средневековье и посмотреть на какой-нибудь рыцарский турнир! Но ничего подобного нет.
Стивен Хокинг с юмором замечал, что во Вселенной есть особое «Агентство по защите Хронологии», которое предотвращает появление замкнутых кривых времени и тем самым делает Вселенную безопасной для любопытных историков. Вселенная надёжно бережёт свои тайны, и порой она может даже заходить так далеко, что убивает всех ученых, которые близки к изобретению каких-либо средств перемещения во времени, да и не зря же существует поговорка «всему своё время»! Однако, быть может, это и к лучшему?
Когда изобретут машину времени: факты, теории, разработки
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 обоих 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:
Физики доказали невозможность путешествий во времени
Один из гипотетических способов путешествия во времени представляет собой движение со скоростью порядка скорости света, а то и превышающей ее. Несмотря на одно из фундаментальных утверждений теории относительности Эйнштейна, которое заключается в невозможности достигнуть скорости, большей, чем скорость света, за последние десять лет в научной среде развернулась дискуссия, суть которой сводится к тому, что одиночные фотоны могут являться « сверхсветовыми».
Доказательство существования таких фотонов означало бы теоретическую возможность путешествия во времени, так как эти фотоны нарушали бы принцип причинности.
Данный принцип в классической физике означает следующее: любое событие, произошедшее в момент времени t1, может повлиять на событие, произошедшее в момент времени t2, только при условии, что t1 меньше t2. В теории относительности этот принцип сформулирован схожим образом, только в него еще добавляются условия, связанные с релятивистскими эффектами, из-за которых время зависит от выбранной системы отсчета.
Повод к возобновлению дискуссии о существовании « сверхсветовых» фотонов появился в январе 2010 года. Тогда в журнале Optic Express была опубликована статья американских ученых, о которой рассказывал отдел науки « Газеты.Ru». В своем эксперименте исследователи пропускали фотоны через стопку материалов различной природы.
Чередуя слои с высокими и низкими показателями преломления, ученые засекли, что отдельные фотоны проходят сквозь пластину толщиной 2,5 микрона со скоростью, кажущейся сверхсветовой.
Это явление авторы работы постарались объяснить с позиций корпускулярно-волновой природы света ( ведь свет представляет собой и волну, и поток частиц-фотонов одновременно) без нарушения теории относительности, утверждая, что наблюдаемая скорость является некоторой иллюзией. В проведенном эксперименте свет и начинает, и заканчивает свой путь как фотон. Когда один из этих фотонов пересекает границу между слоями материала, на каждой поверхности он создает волну – оптический предшественник-прекурсор ( для наглядности можно сравнить оптический прекурсор с воздушной волной, которая возникает перед движущимся поездом). Эти волны взаимодействуют друг с другом, создавая интерференционную картину: то есть интенсивности волн перераспределяются, создавая картину из четких максимумов и минимумов подобно тому, как при встречных волнах в океане образуется приливной слой – взброс воды. При определенном расположении H- и L-слоев интерференция волн вызывает эффект « раннего прибытия» части фотонов. Но другие фотоны, напротив, прибывают заметно позже обычного из-за возникновения интерференционных минимумов на картине. Для правильного детектирования скорости нужно регистрировать все фотоны, проходящие через слои, тогда усреднение даст обычную скорость света.
Чтобы подтвердить это объяснение, требовалось провести наблюдения единичного фотона и его оптического предшественника.
Соответствующий эксперимент поставила группа ученых, которую возглавил профессор Гонконгского университета наук и технологий ( HKUST) Ду Чэнван.
В своем эксперименте исследователи создавали пару фотонов, после чего один из них направлялся в среду, состоящую из охлажденных до низких температур атомов рубидия. За счет создания эффекта электромагнитно-индуцированной прозрачности ( где среда, поглощающая излучение, становится прозрачной, если к ней приложить соответствующее поле) Ду и коллеги успешно измерили скорости как самого фотона, так и его оптического прекурсора. « Наши результаты показывают, что принцип причинности выполняется для отдельных фотонов», – говорится в реферате статьи, опубликованной в Physical Review Letters.
Таким образом, данной работой была поставлена точка в научной дискуссии о том, могут ли быть отдельные « сверхсветовые» фотоны.
Помимо этого эксперимент гонконгских ученых важен для развития квантовой оптики, лучшего понимания механизма квантовых переходов и вообще некоторых принципов физики.
Ну а людям, мечтающим совершить путешествие во времени, отчаиваться не стоит.
Нарушение принципа причинности отдельными фотонами не являлось единственной гипотетической возможностью для создания машины времени.
В интервью Toronto Star Ду Чэнван заявил:
« Путешествие во времени на основе фотонов или оптических методов невозможно, но мы не можем исключать другие возможности, такие как черные дыры или «кротовые норы».
Какие фундаментальные законы исключают создание машины времени
Вы мыслите "плоско" на уровне ученых острова Лапуту, которые кормили пауков цветными мухами, чтобы получить паутину разных цветов.
Потом строите СВОЮ теорию и "ищете" ей подтверждение. Естественно, не найдя ничего, вы делаете вывод, что "все врут".
Все прекрасно описано в СТО.
Да, это трудно для понимания и нужно "перейти на другой уровень" мышления.
Нам всколзь её давали в универе, в курсе общей физики. Ничего в голове не уложилось. Прошло 30 лет, мне это не надо было, даже как инженеру. Как то мне стало обидно, да еще и сын подрос, тоже на тот же бывший мой факультет поступил. Сидел НЕДЕЛЮ. не меньше, но. У меня в голове образовалась какая то стройная модель. Мне стали понятны примеры с изменением массы (не веса) гири после подъема на вышку, тот же пример с космонавтом.
А вот скажите мне, по уже общепринятой теории (возможно у вас и на это есть СОБСТВЕННАЯ ТЕОРИЯ?
1. Есть резинка от трусов.
2. одним концом она привязана к крючку на стене (пусть это будет гипотетический "центр вселенной" (хотя нет никакого центра — долго объяснять).
3. Второй конец вы держите рукой
4. на резинку у крюка вы кладете муравья (фотон), который бежит со скоростью 1 см в секунду в сторону ОТ КРЮКА (пусть будет это С).
5 А теперь вдруг начинаете растягивать второй конец резинки со скоростью 50 см в секунду.
6. муравей переместится за секунду намного более, чем на 1 см. Но он НЕ ПРЕВЫСИЛ СКОРОСТЬ, растянулась сама резинка (пространство).
Так же "элементарно" (если перестать мыслить "плоско") в СТО объяснена невозможность путешествий во времени.
Кстати, если бы спутники глонасс и GPS не учитывали влияние гравитации на течение времени, то уже через сутки ваш смартфон начал бы ошибаться на несколько километров.