Как построят машину времени дома

Астрофизик из Университета Коннектикута (США) Рон Маллет написал уравнение, которое впервые может послужить базой для создания реальной машины времени с учетом всех известных на сегодняшний день законов физики. Его работу изучили другие астрофизики и согласились с некоторыми аспектами предложенной концепции. Есть только небольшое ограничение: в соответствии с заявленной теорией, возможно отправиться в будущее, однако вот попасть в прошлое, скорее всего, невозможно.

О своей работе над теорией путешествия во времени Рон Маллет рассказал американским СМИ. Чтобы понять суть предложенного сложного механизма, надо знать основы общей теории относительности Энштейна, а также специальной теории относительности.

Согласно последней, во Вселенной время может ускоряться или замедляться. Все зависит от скорости, с которой движется объект. Например, если человек летит на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, то время для него будет идти медленнее, чем для человека, который находится на Земле. Таким образом, астронавт, путешествующий с околосветовой скоростью всего неделю, после возвращения попадет в будущее, потому что для людей на Земле уже пройдет 10 лет.

Также есть и другой компонент теории относительности, на который опирается концепция Рона Маллета. Согласно известным законам физики, массивные объекты способны искривлять пространство-время. Этот эффект мы обычно воспринимаем как гравитацию. Чем она сильнее, тем медленнее течет время. Особенно ярко этот эффект виден в так называемом «горизонте событий» — научном термине, который разделяет события пространства-времени. Научно доказано, что горизонт событий существует на расстоянии определенного радиуса от черной дыры. Объект (даже свет), который попал под горизонт событий, пересек его, уже не может вернуться обратно. Время для него также будет идти по-другому. Очень медленно.

«В теории Эйнштейна то, что мы называем пространством, также включает в себя время — вот почему оно называется пространством-временем. И что бы вы ни делали с пространством, это же происходит и со временем», — утверждает Рон Маллет.

По мнению ученого, можно использовать лазерный луч, который свернуть в кольцо. Соответственно, тоже самое произойдет и со временем, оно будет скручено в петлю, а это позволит путешествовать во времени. В том числе — в прошлое.

«Изучая тип гравитационного поля, создаваемого кольцевым лазером, можно раскрыть новые возможности машины времени на основе циркулирующего пучка света», — говорит ученый в своей теории.

Концепция астрофизика, описывающая теорию путешествия во времени, изобилует формулами и графиками, требует большого багажа знаний в области физики. Неподготовленному человеку ее сложно понять до тонкостей, и мы описали ее только в общих чертах.

Можно отметить, что  теория Рона Маллета о путешествиях во времени оказалась новшеством для ученой среды. Большинство физиков признают, что возможен прыжок во времени в будущее — в том случае, если астронавт летит с околосветовой скоростью. Но путешествие во времени в прошлое — по-прежнему остается фантастикой.

Рон Маллет признает, что его концепция на данный момент является полностью теорией. Тем не менее, это первый случай, когда астрофизики — пусть даже теоретически — описали, как реально может происходить путешествие во времени. Можно пофантазировать, что когда-нибудь, спустя годы, развитие человечества позволит перейти от теории к практике… Но даже в этом случае, согласно концепции Рона Маллета, машина времени будет иметь значительные ограничения. «Вы сможете отправиться обратно, — считает ученый, — но только в ту точку, в которой вы включаете машину времени».

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 вклю