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.
Буквально на днях, после прочтения статьи Путешествия во времени и программирование я загорелся идеей об экспериментальных исследованиях, которые позволили бы получить практические ответы на вопросы о перемещении во времени. Но прежде чем переходить к экспериментам, требуется разработать теоретическое обоснование о возможности преодоления времени между прошлым и будущим. Чем собственно я занимался в течении последних дней. Исследование основано на теории относительности Эйнштейна и релятивистских эффектах, попутно затрагивая также квантовую механику и теорию суперструн. Думаю мне удалось получить положительные ответы на поставленные вопросы, подробно рассмотреть скрытые измерения и попутно получить объяснение некоторых явлений, например, природу корпускулярно-волнового дуализма. А также рассмотреть практические способы передачи информации между настоящим и будущем. Если вас тоже волнуют эти вопросы то добро пожаловать под кат.
Обычно я не занимаюсь теоретической физикой, и в реальности веду довольно однообразную жизнь занимаясь софтом, железом, и отвечая на однотипные вопросы пользователей. Поэтому если найдутся неточности и ошибки надеюсь на конструктивное обсуждение в комментариях. Но мимо данной темы я не смог пройти. В голове то и дело появлялись новые идеи, которые со временем образовались в единую теорию. Я как то не рвусь самому отправляться в прошлое или будущее в котором меня никто не ожидает. Но предполагаю, что в будущем это станет возможно. Меня больше интересуют решение прикладных задач связанных с созданием информационных каналов для передачи информации между прошлым и будущем. А также волнуют вопросы о возможности изменения прошлого и будущего.
Путешествие в прошлое связано с большим количеством трудностей, которые сильно ограничивают возможность такого путешествия. На данном этапе развития науки и техники, думаю преждевременно браться за реализацию таких идей. Но прежде чем понять, можем ли мы изменить прошлое, необходимо определиться с тем, можем ли изменить настоящее и будущее. Ведь суть любых изменений прошлого сводится к изменению последующих событий относительно заданной точки времени, к которому мы хотим вернуться. Если в качестве заданной точки взять текущий момент времени, то необходимость перемещения в прошлое отпадает, также как отпадает большое количество трудностей связанных с таким перемещением. Остается только узнать цепь событий, которые должны произойти в будущем, и попытаться разорвать эту цепь, чтобы получить альтернативное развитие будущего. На самом деле, нам даже не нужно знать полную цепочку событий. Необходимо достоверно узнать сбудется или нет одно конкретное событие в будущем (которое будет объектом исследования). Если сбудется, то значит, цепь событий привело к тому, чтобы это событие сбылось. Тогда у нас появляется возможность повлиять на ход эксперимента и сделать так, чтобы это событие не сбылось. Получится ли нам это сделать вопрос пока не ясный. И дело не в том, сможем ли мы это сделать (экспериментальная установка должна позволить это сделать), а в том, возможно ли альтернативное развитие реальности.
В первую очередь возникает вопрос - как можно достоверно узнать то, что еще не случилось? Ведь все наши знания о будущем всегда сводятся только к прогнозам, а для подобных экспериментов прогнозы не годятся. Полученные в ходе эксперимента данные должны неопровержимо доказывать то, что должно произойти в будущем, как о уже произошедшем событии. Но на самом деле есть способ получения таких достоверных данных. Если как следует рассмотреть теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику, то можно найти такую частицу, которая сможет связать прошлое и будущее в одну линию времени и передать нам необходимую информацию. В качестве такой частицы выступает фотон.
Суть эксперимента сводится к знаменитому опыту с двумя щелями с отложенным выбором, который был предложен в 1980 г. физиком Джоном Уилером. Есть много вариантов реализации такого эксперимента, одно из которых приводилось . В качестве примера рассмотрим эксперимент с отложенным выбором, который был предложен Скалли и Дрюлем:
На пути источника фотонов - лазера - ставят светоделитель, в качестве которого выступает полупрозрачное зеркало. Обычно такое зеркало отражает половину падающего на него света, а другая половина проходит насквозь. Но фотоны, будучи в состоянии квантовой неопределенности, попадая на светоделитель будут выбирать оба направления одновременно.
После прохождения светоделителя фотоны попадают в даун-конверторы. Даун-конвертор - это прибор, который получает один фотон на входе и производит два фотона на выходе, каждый с половиной энергии («даун-преобразование») от исходного. Один из двух фотонов (так называемый сигнальный фотон) направляется вдоль исходного пути. Другой фотон, произведённый даун-конвертором (именуемый холостым фотоном), посылается в совершенно другом направлении.
Используя полностью отражающие зеркала, расположенные по бокам, два луча снова собираются вместе и направляются к детекторному экрану. Рассматривая свет в виде волны, как в описании Максвелла, на экране можно видеть интерференционную картину.
В эксперименте можно определить какой путь к экрану выбрал сигнальный фотон, путём наблюдения, который из даун-конверторов испустил холостой фотон-партнёр. Так как есть возможность получить информацию о выборе пути сигнального фотона (даже хотя она является полностью косвенной, поскольку не взаимодействуем ни с одним сигнальным фотоном) - наблюдение за холостым фотоном вызывает предотвращение возникновения интерференционной картины.
Итак. Причем тут опыты с двумя щелями
Дело в том, что холостые фотоны, испускаемые даун-конверторами, могут проходить гораздо большее расстояние, чем их сигнальные фотоны-партнёры. Но какое бы расстояние не прошли холостые фотоны, картина на экране всегда будет совпадать с тем, будут ли холостые фотоны зафиксированы или нет.Допустим, что расстояние холостого фотона до наблюдателя во много раз превышает, чем расстояние сигнального фотона до экрана. Получается, что картина на экране будет заранее отображать тот факт, будут ли наблюдать за холостым фотоном-партнёром или нет. Если даже решение о наблюдение за холостым фотоном принимает генератор случайных событий.
Расстояние, которое может пройти холостой фотон, никак не влияет на результат, который отображается на экране. Если загнать такой фотон в ловушку и, например, заставить многократно крутиться по кольцу, то можно растянуть данный эксперимент на произвольно долгое время. Не зависимо от продолжительности эксперимента мы будем иметь достоверно установленный факт того, что должно случиться в будущем. Например, если решение о том, будем ли мы «ловить» холостой фотон зависит от подбрасывания монеты, то уже в начале эксперимента мы будем знать, «каким образом упадет монетка». Когда на экране появиться картинка, это будет уже свершившийся факт еще до подбрасывания монеты.
Возникает интересная особенность, которая кажется меняет причинно-следственную связь. Мы можем спросить – каким образом следствие (которое произошло в прошлом) может формировать причину (которое должно произойти в будущем)? А если причина еще не наступала, то каким образом мы можем наблюдать следствие? Чтобы это понять попробуем углубиться в специальную теорию относительности Эйнштейна и разобраться с тем, что происходит на самом деле. Но в этом случае нам придется рассматривать фотон как частицу, чтобы не смешивать квантовую неопределенность с теорией относительности.
Почему именно фотон
Это именно та частица, которая идеально подходит для данного эксперимента. Конечно, квантовой неопределенностью обладают и другие частицы, такие как электроны и даже атомы. Но именно фотон имеет предельную скорость движения в пространстве и для него не существует само понятие времени, поэтому оно может беспрепятственно пересекать временное измерение, связывая прошлое с будущем.Картина времени
Чтобы представить время, необходимо рассмотреть пространство-время в виде непрерывного блока растянутого во времени. Срезы, формирующие блок, являются моментами настоящего времени для наблюдателя. Каждый срез представляет пространство в один момент времени с его точки зрения. Этот момент включает в себя все точки пространства и все события во вселенной, которые представляются для наблюдателя как происходящее одновременно. Объединяя эти срезы настоящего, расположив одну за другим в том порядке, в котором наблюдатель переживает эти временные слои, мы получим область пространства-времени.
Но в зависимости от скорости движения, срезы настоящего будут делить пространство-время под разными углами. Чем больше скорость движения относительно других объектов, тем больше получается угол среза. Это означает, настоящее время движущегося объекта не совпадает с настоящим временем других объектов, относительно которых оно движется.
По направлению движению, срез настоящего времени объекта смещается в будущее относительно неподвижных объектов. В обратном направлении движения, срез настоящего времени объекта смещается в прошлое относительно неподвижных объектов. Это происходит потому, как свет, летящий на встречу движущегося объекта достигает его раньше, чем свет, догоняющей движущийся объект с противоположный стороны. Максимальная скорость движения в пространстве обеспечивает максимальный угол смещения текущего момента времени. Для скорости света этот угол составляет 45°.
Замедление времени
Как я уже писал, для частицы света (фотона) не существует понятие времени. Попробуем рассмотреть причину этого явления. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна по мере увеличения скорости объекта происходит замедление времени. Это связано с тем, что по мере увеличения скорости движущегося объекта для света требуется преодолевать все большее расстояние за единицу времени. Например, при движении автомобиля, свету его фар необходимо преодолевать большее расстояние за единицу времени, чем если бы автомобиль стоял на парковке. Но скорость света является предельной величиной и не может увеличиваться. Поэтому складывание скорости света со скоростью движения автомобиля не приводит к увеличению скорости света, а приводит к замедлению времени, согласно формуле:
где r – длительность времени, v – относительная скорость движения объекта.
Для наглядности рассмотрим еще один пример. Возьмем два зеркала и расположим их противоположно одну над другой. Допустим, что луч света будет многократно отражаться между этими двумя зеркалами. Движение луча света будет происходить по вертикальной оси, при каждом отражении отмеряя время как метроном. Теперь начнем двигать наши зеркала по горизонтальной оси. С увеличением скорости движения, траектория движения света будет наклоняться по диагонали, описывая зигзагообразное движение.
Чем больше скорость движения по горизонтали, тем сильнее будет наклонена траектория движения луча. При достижении скорости света рассматриваемая траектория движения будет выпрямлена в одну линию, как если бы мы растянули пружину. То есть свет уже перестанет отражаться между двумя зеркалами и будет двигаться параллельно горизонтальной оси. А значит наш «метроном» перестанет отмерять ход времени.
Поэтому для света не существует измерения времени. Фотон не имеет ни прошлого, ни будущего. Для него есть только текущий момент, в котором оно существует.
Сжатие пространства
Теперь попробуем разобраться с тем, что происходит с пространством на скорости света, в котором пребывают фотоны.Для примера возьмем некий объект длиной в 1 метр и будем ускорять его до около световой скорости. По мере увеличения скорости объекта мы будем наблюдать релятивистское сокращение длины движущегося объекта, согласно формуле:
где l – это длина, а v – относительная скорость движения объекта.
Под словом «мы будем наблюдать» я имею ввиду неподвижного наблюдателя со стороны. Хотя с точки зрения движущегося объекта, неподвижные наблюдатели так же будут сокращаться в длине, ибо наблюдатели будут с той же скоростью двигаться в противоположном направлении относительно самого объекта. Отметим, что длина объекта является измеряемой величиной, а пространство является точкой отсчета для измерения этой величины. Мы также знаем, что длина объекта имеет фиксированную величину в 1 метр и не может меняться относительно пространства, в котором оно измерено. Значит, наблюдаемое релятивистское сокращение длины говорит о том, что сокращается пространство.
Что произойдет, если объект постепенно ускориться до скорости света? На самом деле ни одна материя не может ускоряться до скорости света. Можно максимально приближаться к этой скорости, но достичь скорости света не возможно. Поэтому с точки зрения наблюдателя, длина движущегося объект будет бесконечно сокращаться, пока не достигнет минимально возможной длины. А с точки зрения движущегося объекта, все относительно неподвижные объекты в пространстве будут бесконечно сжиматься, пока не сократятся до минимально возможной длины. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна мы также знаем одну интересную особенность - не зависимо от скорости движения самого объекта, скорость света всегда остается неизменной предельной величиной. Значит, для частицы света всё наше пространство сжато до размеров самого фотона. Причем сжаты все объекты, не зависимо от того двигаются они в пространстве или остаются неподвижными.
Тут можно заметить, что формула релятивистского сокращения длины недвусмысленно дает нам понять, что при скорости света всё пространство будет сжато до нулевого размера. Я же писал о том, что пространство будет сжато размеров самого фотона. Полагаю, оба вывода являются правильными. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном, выполняющую роль переносчика фундаментальных взаимодействий природы, для описания которого требуется калибровочная инвариантность. С точки зрения М-теории, которая на сегодняшний день претендует на звание Единой теории всего, считается, что фотон представляет из себя колебание одномерной струны со свободными концами, которая не имеет размерности в пространстве и может содержать в себе свернутые измерения. Я честно не знаю по каким расчетам сторонники теории суперструн пришли к подобным выводам. Но то, что наши расчеты ведут нас к тем же результатам думаю говорит о том, что мы смотрим в правильном направлении. Расчеты теории суперструн перепроверялись десятилетиями.
Итак. К чему же мы пришли:
- С точки зрения наблюдателя, всё пространство фотона свернуто до размеров самого фотона в каждой точке траектории движения.
- С точки зрения фотона, траектория движения в пространстве свернуто до размеров самого фотона в каждой точке пространства фотона.
Рассмотрим какие выводы следуют из всего что мы узнали:
- Линия текущего времени фотона пересекает линию нашего времени под углом 45°, в следствии которого наше измерение времени для фотона является нелокальным пространственным измерением. Это значит, что если бы мы могли перемещаться в пространстве фотона, то мы бы перемещались от прошлого к будущему или от будущего к прошлому, но эта история была бы составлена из разных точек нашего пространства.
- Пространство наблюдателя и пространство фотона непосредственно не взаимодействуют, их связывает движение фотона. При отсутствии движения отсутствуют угловые расхождения в линии текущего времени, и оба пространства сливаются в одну.
- Фотон существует в одномерном пространственном измерении, в следствии которого движение фотона наблюдается только в пространственно-временном измерении наблюдателя.
- В одномерном пространстве фотона не существует движения, в следствии чего фотон заполняет свое пространство от начальной до конечной точки, в пересечении с нашим простраством дающее начальные и конечные координаты фотона. Данное определение говорит, что в своём пространстве фотон выглядит как вытянутая струна.
- Каждая точка пространства фотона содержит проекцию самого фотона во времени и в пространстве. Имеется ввиду, что фотон существует в каждой точке этой струны, представляя разные проекции фотона во времени и в пространстве.
- В каждой точке пространства фотона сжата полная траектория его движения в нашем пространстве.
- В каждой точке пространства наблюдателя (где может пребывать фотон) сжата полная история и траектория самого фотона. Данный вывод следует из первого и пятого пункта.
Пространство фотона
Давайте попробуем разобраться что из себя представляет пространство фотона. Признаюсь, трудно представить что такое пространство фотона. Разум сцепляется за привычное и пытается провести аналогию с нашим миром. А это приводит к ошибочным выводам. Чтобы представить другое измерение нужно отбросить привычные представления и начать думать по другому.Итак. Представьте себе лупу, собирающее в фокусе всю картину нашего пространства. Допустим, что мы взяли длинную ленту и расположили фокус лупы на этой ленте. Это есть одна точка в пространстве фотона. Теперь немного передвинем лупу параллельно нашей ленте. Точка фокуса также передвинется по ленте. Это уже другая точка в пространстве фотона. Но чем отличаются эти две точки? В каждой точке есть панорама всего пространства, но проекция выполнена из другой точки нашего пространства. К тому же, пока мы передвигали лупу успело пройти какое то время. Получается, что пространство фотона в чем то похоже на кинопленку, снятую с движущегося автомобиля. Но есть некоторые отличия. Пространство фотона имеет только длину и не имеет ширину, поэтому там фиксируется только одно измерение нашего пространства - от начальной до конечной траектории фотона. Так как в каждой точке записана проекция нашего пространства, то в каждой из них имеется наблюдатель! Да да, ведь в каждой точке фиксируются одновременные события с точки зрения самого фотона. И раз уж начальные и конечные траектории фотона расположены в одной линии времени - это одновременные события для фотона, которые затрагивают его в разных точках своего пространства. В этом основное отличие от аналогии с кинопленкой. В каждой точке пространства фотона получается одинаковая картина из разных точек обзора, и отражающая разные моменты времени.
Что происходит, когда фотон движется? Пробегает волна по всей цепочки пространства фотона, когда пересекается с нашим пространством. Волна затухает когда сталкивается с препятствием и передает ему свою энергию. Возможно пересечение пространства фотона с нашим пространством создает момент импульса элементарной частицы, называемое также спином частицы.
А теперь посмотрим как выглядит фотон в нашем мире. С точки зрения наблюдателя пространство фотона свернуто в размеры самого фотона. По сути это самое свернутое пространство и является самим фотоном, отдаленно напоминающую струну. Струна построенная из симметричных проекций самого себя из разных точек пространства и времени. Соответственно фотон содержит в себе всю информацию о самом себе. В любой точке нашего пространства он “знает” весь путь, и все события прошлого и будущего, касающегося самого фотона. Я считаю, что фотон безусловно может предсказывать свое будущее, нужно только поставить правильный эксперимент.
Выводы
1. Остается масса вопросов, ответы на которых трудно получить без проведения экспериментов. Не смотря на то, что подобные эксперименты с двумя щелями проводились много раз, и с различными модификациями, в интернете очень трудно найти об этом информацию. Даже если удается что-то найти, нигде не приводятся вразумительных объяснений сути происходящего и анализа результатов эксперимента. Большинство описаний не содержит никаких выводов и сводится к тому что, «есть такой парадокс и никто не может его объяснить» или «если вам кажется что вы что то поняли, значит вы ничего не поняли» и т. д. А между тем я считаю, что это перспективное направление исследования.2. Какую информацию можно передавать из будущего в настоящее? Очевидно, что мы можем передать два возможных значения, когда мы будем или не будем наблюдать за холостыми фотонами. Соответственно, в текущем времени мы будем наблюдать волновую интерференцию или скопление частиц из двух полос. Имея два возможных значение можно использовать бинарное кодирование информации и передавать любую информацию из будущего. Для этого потребуется должным образом автоматизировать этот процесс, с использованием большого количества квантовых ячеек памяти. В этом случае мы сможем получать тексты, фотографии, аудио и видео всего, что нас ожидает в будущем. Также можно будет получать передовые разработки в области программных продуктов и возможно даже телепортировать человека, если заранее отправят инструкцию, как построить телепорт.
3.
Можно заметить, что достоверность получаемой информации относиться только к самим фотонам. Из будущего может быть отправлена заведомо ложная информация, ведущая нас в заблуждение. Например, если подбросили монетку, и упала решка, но мы отправили информацию, что упал орел, то мы сами вводим себя в заблуждение. Достоверно можно утверждать только то, что отправленная и полученная информация не противоречат друг другу. Но если мы решим ввести себя в заблуждение, то думаю, со временем сможем узнать, почему мы решили так поступить.
Кроме этого, мы не можем точно определить из какого времени получена информация. Например, если мы хотим узнать что произойдет через 10 лет, то нет гарантии того, что мы отправили ответ гораздо раньше. Т.е. можно сфальсифицировать время отправки данных. Думаю для решения этой проблемы может помощь криптографию с открытыми и закрытыми ключами. Для этого потребуется независимый сервер, занимающийся шифрованием и расшифрованием данных, и хранящий в себе пары открытых-закрытых ключей, сформированных на каждый день. Сервер может по запросу шифровать и расшифровать наши данные. Но пока у нас не будет доступа к ключам, мы не сможем сфальсифицировать время отправки и получения данных.
4. Рассматривать результаты экспериментов только с точки зрения теории относительно было бы не совсем правильным. Хотя бы в силу того, что СТО имеет сильную предопределенность будущего. Не приятно думать, что всё предопределено судьбой, хочется верить, что у каждого из нас есть выбор. А если есть выбор, значит должны быть альтернативные ветки реальности. Но что будет, если мы решим действовать по другому, вопреки тому, что отображается на экране? Возникнет новая петля, где мы тоже решим действовать по другому, и это приведет к возникновению бесконечного количества новых петель с противоположными решениям? Но если есть бесконечное количество петель, то мы изначально должны были видеть на экране смесь интерференций и двух полос. А значит, мы изначально не могли бы определиться с противоположным выбором, что снова приводит нас к парадоксу… Я склоняюсь к мысли, что если существуют альтернативные реальности, то на экране будет отображаться только один вариант из двух возможных, не зависимо от того, сделаем мы такой выбор или нет. Если мы сделаем другой выбор, мы создадим новую ветку, где изначально на экране будет показан уже другой вариант из двух возможных. Возможность сделать другой выбор будет означать о существовании альтернативной реальности.
5. Существует вероятность того, что как только экспериментальная установка будет включена, будущее окажется предопределенным. Возникает такой парадокс, что установка сама предопределяет будущее. Сможем ли мы разорвать это кольцо предопределенность, ведь у каждого есть свобода выбора? Или же наша «свобода выбора» будет подчинена хитрым алгоритмам предопределенности, и все наши попытки что то изменить, в конце концов сложатся в цепь событий, которые приведут нас к данной предопределенности? Например, если мы знаем номер выигрышной лотереи, то у нас есть шанс найти этот билет и получить выигрыш. Но если мы также знаем имя победителя, то мы уже не сможем ничего изменить. Может даже кто то другой должен был выиграть лотерею, но мы определили имя победителя и создали цепь событий, которая привела к тому, что предсказанный человек выиграет эту лотерею. Трудно ответить на эти вопросы без проведения экспериментальных опытов. Но если такое имеет место, то единственная возможность избежать предопределенности видеться в том, чтобы не пользоваться этой установкой и не заглядывать в будущее.
Записывая эти выводы, мне вспоминаются события фильма «Час расплаты». Поражает то, насколько точно совпадают детали фильма с нашими расчетами и выводами. Ведь мы не стремились получит именно такие результаты, а просто хотели разобраться с происходящим и следовали формулам теории относительности Эйнштейна. И всё же, если есть такой уровень совпадения, то видимо, мы не одиноки в своих расчетах. Возможно, подобные выводы уже были сделаны десятки лет назад…
«Машина времени есть у каждого из нас: то, что переносит в прошлое - воспоминания; то, что уносит в будущее - мечты »
Герберт Уэллс. «Машина времени»
О чем мечтает человек, если его голова не занята войной и меркантильными амбициями? Он мечтает о своем будущем, о звездах, о благополучии для окружающих. Наиболее красочно в наших краях этот факт отражался во времена существования Советского Союза, когда госпропаганда в рамках холодной войны и космической гонки убедила людей, что наука – двигатель прогресса. И в этом не было ничего плохого.
Увидев успехи человечества в освоении космического пространства, а также достижения в других областях науки, люди начали мечтать о том, что раньше казалось только фантастикой. Например, о вечной жизни и молодости, вечном двигателе, путешествии к звездам и другим галактикам, пониманию языка зверей, левитации и даже о машине времени. Впрочем, в дело опять вмешалась наука, которая раз за разом подрезает крылья мечтателям своими формулами, которые доказывают, что некоторые мечты несбыточны:
Создание вечного двигателя первого рода невозможно в рамках закона сохранения энергии. Первое начало термодинамики запрещает нам это делать, поэтому нам лишь остается ждать очередной прорывной теории в области физики и математики.
Понимание языка птиц и зверей по вполне понятным причинам до сих пор является фантастикой. Ученые находятся лишь на ранней стадии расшифровки звуков, издаваемых животными. Наибольших успехов удалось добиться в расшифровке языка дельфинов , но и это пока что больше похоже на призрачное будущее.
Жить вечно у нас пока не получится, ведь наши клетки запрограммированы умереть. Адекватных теорий о перепрограммировании пока нет и не предвидится, поэтому жизнь человека можно лишь .
Разбивать мечты человечества о скалы науки можно бесконечно, однако есть вещи, которые наукой не запрещены. Например, путешествие во времени. Одна из самых безумных, на первый взгляд, идей, оказывается реальной, потому что не идет вразрез с современными законами физики.
Первые мысли человечества о путешествии во времени
Установить, когда же человек впервые подумал о том, чтобы вернуться в прошлое или отправиться в будущее – невозможно. Скорее всего, эта мысль посещала многих на протяжении всего времени существования нашего рода. Другое дело отказ от обычных мечтаний и попытка описать идею путешествий во времени в рамках относительности временных отрезков. И первыми на это обратили внимание не ученые, а писатели-фантасты. Творческие люди не скованы научными рамками, поэтому могут дать волю своей фантазии. К тому же оказалось, что большинство пророчеств писателей относительно нашего будущего сбылись.
В литературе путешествия во времени описывались в зависимости от эпохи, в которую жили их творцы. Например, в романах 18 века, когда религия еще сохраняла свой вес в обществе и превалировала над остальными фактами, все необычное писатели связывали с божественным вмешательством.
Первой фантастической книгой о перемещении во времени принято считать роман Сэмюэля Мэддена «Воспоминания о ХХ веке. Письма о государстве, управляемом Георгом VI… Получены в виде откровения в 1728 г. В шести томах». В книге, которая была написана в 1733 году, главный герой получал письма с описанием событий из конца 20 века, которые ему приносил настоящий ангел.
Появление «Машины времени»
Первое упоминание некого рукотворного механизма, который позволял перемещаться во времени, появилось лишь в конце 19 века. В 1881 году в одном из научных журналов Нью-Йорка появился рассказ американского журналиста Эдварда Митчелла «Часы, которые шли назад». В нем говорится о молодом человеке, который смог отправиться в прошлое с помощью обычных комнатных часов.
Эдвард Митчелл считается одним из родоначальников современной научной фантастики. Он описал в своих книгах множество изобретений и идей задолго до того, как они появились на страницах других фантастов. Он рассказал о путешествиях со сверхсветовой скоростью, человеке-невидимке и многом другом раньше других.
В 1895 году произошло событие, которое перевернуло мир фантастической прозы. В английском журнале «The New Review» редактор решает опубликовать рассказ «История Путешественника во Времени» — первое крупное фантастическое произведение Герберта Уэллса. Название «Машина времени» появилось не сразу, и было принято лишь через год. Писатель развил идею рассказа «Аргонавты времени», написанного в 1888 году.
«Идея возможности путешествия во времени возникла у него в 1887 году после того, как некий студент по фамилии Хэмилтон-Гордон в подвальном помещении Горной школы в Южном Кенсингтоне, где проходили заседания «Дискуссионного общества», сделал доклад о возможностях неэвклидовой геометрии по мотивам книги Ч. Хинтона «Что такое четвёртое измерение»
Отличительной особенностью романа является то, что некоторые моменты путешествия главного героя во времени были описаны с помощью предположений, которые впоследствии появились в общей теории относительности Альберта Эйнштейна. На момент написания рассказа ее даже не существовало.
Феномен Эйнштейна
С древних времен человек воспринимал окружающее его пространство, как значение трех измерений: длину, ширину и высоту. Разговоры о времени были уделом философов, лишь в 17 веке ввели понятие времени в науку, как физической величины, однако ученые, в том числе и Ньютон, воспринимали время как нечто неизменяемое, прямолинейное.
Ньютоновская физика предполагала, что часы, которые будут расположены в любой части Вселенной, всегда покажут одинаковое время. Ученых устраивало текущее положение дел, ведь проводить расчеты по таким данным гораздо проще.
Все изменилось в 1915 году, когда за трибуну встал Альберт Эйнштейн. Доклад о Специальной теории относительности (СТО) и Общей теории относительности (ОТО) поставил ньютоновское восприятие времени на колени. В его научных работах время существовало неразрывно с материей и пространством и не было прямолинейным. Оно могло менять свой ход, ускоряться или замедляться, в зависимости от условий.
У сторонников ньютоновской вселенной опустились руки. Теория Эйнштейна была крайне логичной, все основные законы физики продолжали работать в ней безупречно, поэтому научному сообществу осталось принять ее, как данное.
«Воображение важнее, чем знания. Знания ограничены, тогда как воображение охватывает целый мир, стимулируя прогресс, порождая эволюцию ».
Альберт Эйнштейн
В своих уравнениях ученый представил искривления пространства-времени, вызванные гравитационной составляющей материи. В них учитывались не только геометрические особенности объектов, но также плотность, давление и другие факторы, которыми они обладают. Особенность уравнений Эйнштейна в том, что их можно читать как справа-налево, так и слева-направо. В зависимости от этого будет изменяться восприятие окружающего нас мира и взаимодействие пространства-времени.
Первые представления путешествия во времени
После того, как научное сообщество отошло от шока, оно начало активно использовать наработки Эйнштейна в своих исследованиях. Первыми заинтересовались астрономы и астрофизики, ведь теория относительности работала для окружающей нас Вселенной, что несомненно поможет ответить на ряд вопросов, которые ранее считались риторическими. В то же время выяснилось, что научные труды немецкого физика допускают возможность существования машины времени, даже нескольких ее видов.
Уже в 1916 году появились первые научные труды о путешествиях во времени с теоретическим обоснованием. Первым об этом заявил ученый-физик из Австрии, которого звали Людвиг Фламм, которому на тот момент было всего 30 лет. Он вдохновился идеями Эйнштейна и пытался решить его уравнения. Внезапно Фламма осенило, что при искривлении пространства и материи в окружающей нас Вселенной могут возникать своеобразные тоннели, сквозь которые можно проходить не только в рамках пространства, но также и времени.
Эйнштейн тепло принял теорию молодого ученого, и согласился, что она отвечает всем условиям теории относительности. Спустя почти 15 лет ему удалось развить рассуждения Фламма, и он вместе со своим коллегой Натаном Розеном смогли соединить между собой две черных дыры Шварцшильда с помощью пространственно-временного тоннеля, который расширялся на входе, постепенно сужаясь к своей середине. В теории, сквозь такой тоннель можно путешествовать в пространственно-временном континууме. Физики назвали такой тоннель мостом Эйнштейна-Розена.
Людям не из научного мира мосты Эйнштейна-Розена известны под более простым названием «червоточины», которое придумал в середине 20 века ученый из Принстона Джон Уилер. Также распространено название «кротовые норы». Такое выражение быстро распространилось среди сторонников современной теоретической физики и очень точно отражало дыры в пространстве. Проход сквозь «червоточину» позволил бы человеку покрывать огромные расстояния за гораздо более короткие промежутки времени, нежели путешествие по прямой. С их помощью можно было бы даже отправиться на край Вселенной.
Идея «кротовых нор» настолько вдохновила писателей-фантастов, что большинство научной фантастики начиная с середины 20 века рассказывает нам о далеком будущем человечества, где люди освоили весь космос и с легкостью путешествуют от звезды к звезде, встречая новые инопланетные расы и вступая с некоторыми из них в кровопролитные войны.
Впрочем, физики не разделяют оптимизма писателей. По их заявлению, путешествие сквозь червоточину может стать последним, что увидит человек. Как только он попадет за горизонт событий, его жизнь остановится навсегда.
В своей книге «Физика невозможного» знаменитый ученый и популяризатор науки Митио Каку цитирует своего коллегу Ричарда Готта:
«Не думаю, что вопрос в том, может ли человек, находясь в черной дыре, попасть в прошлое, вопрос в том, сможет ли он выбраться оттуда, чтобы похвастаться ».
Но не стоит отчаиваться. На самом деле физики все же оставили лазейку для романтиков, мечтающих путешествовать сквозь пространство и время. Чтобы выжить в червоточине, нужно лишь лететь быстрее скорости света. Дело в том, что по законам современной физики это просто невозможно. Таким образом, мост Эйнштейна-Розена в рамках сегодняшней науки является непроходимым.
Развитие теории путешествий во времени
Если путешествие сквозь «кротовую нору» позволит в теории попасть в будущее, то с нашим прошлым в этом плане все намного сложнее. В середине 20 века австрийский математик Курт Гёдель в очередной раз пытался решить уравнения, созданные Эйнштейном. В результате его вычислений на бумаге вырисовалась вращающаяся вселенная, которая представляла собой цилиндр, время в котором бежало по его краям и было закольцовано. Столь сложную модель неподготовленному человеку трудно даже вообразить, тем не менее в рамках этой теории можно было попасть в прошлое, если обогнуть вселенную по внешнему контуру со скоростью света и выше. По расчетам Гёделя, в таком случае вы прибудете в точку старта задолго до самого старта.
К сожалению, модель Курта Гёделя также не вписывается в рамки современной физики из-за невозможности путешествия быстрее скорости света.
Обратимая червоточина Кипа Торна
Научное сообщество не прекращало попыток решить уравнения теории относительности, и в 1988 году произошел скандал, который поставил весь мир на уши. В одном из научных американских журналов вышла статья от знаменитого физика и эксперта в области теории гравитации Кипа Торна. В своей статье ученый заявил, что он вместе со своими коллегами сумел рассчитать так называемую «обратимую червоточину», которая не схлопнется за космическим кораблем, как только тот войдет в нее. Для сравнения ученый привел пример, что такая червоточина позволит гулять по ней в любом направлении.
Заявление Кипа Торна было очень достоверно и подкреплялось математическими расчетами. Проблема была лишь в том, что она шла вразрез с аксиомой, которая лежит в фундаменте современной физики – события прошлого нельзя изменять.
Так называемый временной парадокс физики в шутку назвали «убийством дедушки». Такое кровожадное название довольно точно описывает схему: вы отправляетесь в прошлое, нечаянно убиваете маленького мальчика (потому что он вас бесит). Мальчик оказывается вашим дедушкой. Соответственно, на свет не появляется ваш отец и вы, значит вы не пройдете сквозь червоточину и не убьете своего дедушку. Круг замкнулся.
Также этот парадокс носит название «Эффект Бабочки», который появился в книге Рэя Брэдбери «И грянул гром» задолго до разработки теории учеными, в 1952 году. В сюжете описывалась история героя, который отправился в путешествие в прошлое, в доисторический период, когда на земле царили гигантские ящеры. Одним из условий путешествия было то, что герои не имеют права сходить со специальной тропы, чтобы не вызвать временной парадокс. Тем не мене, главный герой нарушает это условие, и сходит с тропы, где наступает на бабочку. Когда же он возвращается в свое время, то его глазам предстает ужасающая картина, где мир, который он знал до этого, уже не существует.
Развитие теории Торна
Из-за временных парадоксов отказываться от идеи Кипа Торна и его коллег было бы глупо, проще решить проблему с самими парадоксами. Поэтому поддержку американский ученый получил оттуда, откуда ее меньше всего ожидал: от российского ученого-астрофизика Игоря Новикова, который придумал, как обойти проблему с «дедушкой».
По его теории, которую назвали «принципом самосогласованности», если человек попадает в прошлое, то его возможность влиять на уже произошедшие с ним события стремится к нулю. Т.е. сама физика времени и пространства не даст вам убить дедушку или вызвать «эффект бабочки».
На данный момент, мировое научное сообщество разделилось на два лагеря. Один из них поддерживает мнение Кипа Торна и Игоря Новикова относительно путешествий сквозь кротовые норы и их безопасности, другие упорно отрицают. К сожалению, современная наука не позволяет ни доказать, ни опровергнуть эти заявления. Обнаружить червоточины в космосе мы также пока не в силах из-за примитивности наших приборов и механизмов.
Кип Торн стал главным научным консультантом при создании знаменитого научно-фантастического фильма «Интерстеллар», в котором рассказывается о путешествии человека сквозь «кротовую нору .
Создание собственного пространственно-временного тоннеля
Чем шире фантазия современного ученого, тем больших высот он может достичь в своей работе. Пока скептики отрицают любую возможность существование моста Эйнштейна-Розена, сторонники этой теории предлагают выход из ситуации. Если мы не способны обнаружить червоточину в непосредственной близости от нас, значит ее можно создать самим! Тем более, что наработки для этого уже есть. Пока эта теория находится в области фантастики, однако, как мы уже успели убедиться, большинство предсказаний фантастов сбылись.
Кип Торн вместе со своими сторонниками продолжает работать над теорией кротовых нор. Ученый смог рассчитать, что спровоцировать рождение червоточины можно с помощью так называемой «темной материи» — таинственного строительного материала во Вселенной, который не удается обнаружить напрямую, но по предположениям физиков, из нее состоит 27% нашей вселенной . К слову, на долю барионной материи (той, из который мы с вами состоим и можем увидеть) приходится всего 4,9% от общей массы вселенной. Темная материя обладает удивительными свойствами. Она не испускает электромагнитного излучения, не взаимодействует с другими формами материи кроме как на гравитационном уровне, но ее потенциал поистине огромен.
По словам Торна, с помощью темной материи можно создать обратимую кротовую нору достаточных размеров, чтобы через нее мог пройти космический корабль. Проблема лишь в том, что для этого нужно накопить столько темной материи, что ее масса будет соразмерна с массой Юпитера. Человечество же пока не в состоянии заполучить даже грамм этого вещества, если к нему вообще применимо понятие «грамма». К тому же, необходимость путешествия со скоростью света никто не отменял, а это значит, что несмотря на все достижения человечества в области науки, мы до сих пор находимся на пещерном уровне развития, и до настоящих прорывных открытий нам очень далеко.
Послесловие
Идеи по изобретению настоящей машины времени, которая позволила бы нам открыть загадки прошлого и увидеть свое будущее, пока несбыточны. Впрочем, это не отменяет факта, что теория относительности, разработанная Эйнштейном, продолжает работать относительно каждого из нас. Например, найти настоящего путешественника во времени не составит труда даже сейчас. Чем быстрее движется человек, тем медленнее для него идет время, а это значит, что он медленно, но верно перемещается в будущее. Пилоты авиалайнеров, истребителей и в особенности космонавты, работающие на орбите – настоящие путешественники во времени. Пусть и на сотые доли секунды, но они опередили нас, людей, живущих на Земле.
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.
