Когда путешествия во времени станут возможны

Американский физик Митио Каку — известный популяризатор науки, который верит в невозможное и пишет бестселлеры о квантовой физике и устройстве Вселенной. В своей новой книге «Уравнение Бога. В поисках теории всего» он рассказывает, как человечество двигалось на пути к познанию устройства мира. Книга выходит в октябре в издательстве «Альпина Паблишер». Forbes публикует отрывок, посвященный путешествиям во времени

Митио Каку известен своими смелыми прогнозами о безграничных возможностях науки и человеческого мозга. Он написал целую книгу «Физика невозможного» о телепортации, телепатии, телекинезе и других фантастических идеях, реальность каждой из которых объяснил с научной точки зрения. На своих выступлениях он регулярно прогнозирует появление каждой из них в будущем. В своей новой книге «Уравнение Бога. В поисках теории всего» он рассказал, как вообще устроен мир и что отделяет нас от путешествий во времени.

Сквозь кротовую нору 

Если черные дыры все пожирают, то куда это девается? Короткий ответ таков: мы не знаем. Возможно, настоящий ответ будет получен, когда нам удастся объединить квантовую теорию с общей теорией относительности. Только когда мы сумеем наконец найти квантовую теорию гравитации (а не только вещества), можно будет ответить на следующий вопрос: что находится по ту сторону черной дыры? Если слепо принять теорию Эйнштейна, мы окажемся в сложном положении, поскольку его уравнения предсказывают, что сила гравитации в самом центре черной дыры или в начале времен бесконечна, что не имеет смысла. 

Однако в  1963 году математик Рой Керр нашел совершенно новое решение уравнений Эйнштейна для  вращающейся черной дыры. Ранее в  работе Шварцшильда черная дыра должна была коллапсировать в неподвижную крохотную точку, получившую название сингулярности, где гравитационные поля становились бесконечными. Но при анализе уравнений Эйнштейна для вращающейся черной дыры Керр обнаружил странность. 

Во-первых, такая черная дыра не схлопывается в точку. Вместо этого она коллапсирует в быстро вращающееся кольцо. (Центробежные силы, действующие на вращающееся кольцо, достаточно сильны, чтобы не дать этому кольцу схлопнуться под действием собственной гравитации.)

Во-вторых, если вы попадете в кольцо, то очень может быть, что вас не раздавит и вам удастся пройти насквозь. Гравитация внутри кольца на самом деле конечна. 

В-третьих, математика указывает, что, пройдя сквозь кольцо, вы можете попасть в параллельную вселенную. При этом вы — буквально — покидаете нашу Вселенную и входите в другую, родственную. Представьте себе два листа бумаги, лежащие один на другом, а затем проткните их оба соломинкой. Проходя по соломинке, вы покидаете одну вселенную и попадаете в параллельную. Эта соломинка и называется кротовой норой.

В-четвертых, входя в кольцо снова, вы можете проследовать дальше, в следующую вселенную. Процесс чем-то  напоминает передвижение на лифте через этажи высотного здания. Воспользовавшись лифтом, вы попадаете с одного этажа на другой; войдя в кротовую нору, вы попадаете в совершенно новую вселенную. 

Таким образом, мы получили поразительную и совершенно новую картину черной дыры. В самом центре вращающейся черной дыры обнаруживается нечто, напоминающее волшебное зеркало Алисы: по одну его сторону мы видим мирные окрестности английского Оксфорда, но стоит протянуть руку сквозь зеркало — и вы оказываетесь в совершенно ином месте. 

В-пятых, если бы вам удалось-таки пройти сквозь кольцо, вы имели бы также шанс оказаться в отдаленной области вашей собственной вселенной. Так что кротовые норы могут оказаться чем-то вроде тоннелей метро, незримо пронизывающих прстранство и время и соединяющих отдаленные точки короткими маршрутами. Расчеты показывают, что по ним теоретически можно было бы путешествовать быстрее скорости света или даже перемещаться назад во времени, не нарушая при этом известных физических законов. 

Эти странные выводы, какими бы дикими они ни казались, невозможно легко отбросить, поскольку они представляют собой решения уравнения Эйнштейна и описывают вращающиеся черные дыры, которые, как мы сейчас считаем, встречаются гораздо чаще других. На самом деле понятие кротовых нор первым ввел сам Эйнштейн в 1935 году в статье, написанной в соавторстве с Натаном Розеном. Они нарисовали образ двух соединенных черных дыр, напоминающий две воронки в пространстве-времени. Если упасть в  одну воронку, то тебя выбросит из второй — и по пути не раздавит. В романе Теренса Уайта «Король былого и грядущего» есть такая знаменитая строка: «Все, что не запрещено, обязательно случается». 

На самом деле физики воспринимают это заявление всерьез. Если нет какого-нибудь физического закона, который запрещает некое явление, то оно, вполне возможно, существует где-то во Вселенной. Так, несмотря на чрезвычайную сложность образования кротовых нор, некоторые физики высказывают предположение о том, что они, возможно, существовали в начале времен, а затем, после Большого взрыва, расширились. 

Не исключено, что их существование совершенно естественно. Когда-нибудь, возможно, наши телескопы позволят нам разглядеть в пространстве кротовую нору. Хотя кротовые норы сильно разожгли воображение писателей-фантастов, попытка реально создать такую штуку в лаборатории ставит перед исследователем немыслимые проблемы. Во-первых, необходимо накопить громадное количество положительной энергии, сопоставимое с  энергией черной дыры, чтобы открыть проход в пространстве-времени. Одно это потребовало бы технологий весьма и весьма развитой цивилизации. Так что мы вряд ли можем ожидать, что какой-нибудь изобретатель-одиночка в скором времени создаст кротовую нору в подвале собственного дома. Во-вторых, такая кротовая нора будет нестабильной и закроется сама по себе, если не добавить в систему новый экзотический компонент, называемый отрицательной материей, или отрицательной энергией, что совершенно не то же самое, что антиматерия. Отрицательная материя и энергия обладают отталкивающими свойствами, которые могут удержать кротовую нору от схлопывания.

Физики никогда не встречали отрицательной материи. Мало того, такая материя должна подчиняться законам антигравитации и падать вверх, а не вниз. Если миллиарды лет назад на Земле и была отрицательная материя, то гравитация Земли оттолкнула ее и выбросила в космос. Так что мы не рассчитываем найти отрицательную материю на Земле. Отрицательная энергия, в  отличие от  отрицательной материи, реально существует, но лишь в  крохотных количествах, слишком маленьких, чтобы иметь практическую ценность. Только очень высокоразвитая цивилизация, обогнавшая нас, возможно, не на одну тысячу лет, смогла бы накопить достаточное количество положительной и отрицательной энергии, чтобы сначала создать кротовую нору , а затем не дать ей схлопнуться.

В-третьих, излучения самой гравитации (называемого гравитонным излучением) может оказаться достаточно, чтобы вызвать взрыв кротовой норы. В конечном итоге для однозначного ответа на вопрос о том, что произойдет, если упасть в черную дыру, придется подождать появления настоящей теории всего, в которой и материя, и гравитация будут проквантованы. Некоторые физики всерьез предлагают противоречивую идею, согласно которой, когда звезды падают в черную дыру , они не сжимаются в сингулярность, а  выдуваются на другую сторону кротовой норы, где образуют белую дыру. Белая дыра подчиняется в точности тем же уравнениям, что и черная, за исключением того, что направление времени в ней развернуто в обратном направлении, так что материя из белой дыры, наоборот, извергается.

Физики ищут белые дыры в космосе, но пока безуспешно. Смысл идеи белых дыр состоит в том, что Большой взрыв, возможно, первоначально был белой дырой, и все звезды и планеты, которые мы видим в небесах, были выброшены из какой-то черной дыры около 14 млрд лет назад. Дело в том, что только теория всего может сказать нам, что находится по ту сторону черной дыры. Только вычислив квантовые поправки к гравитации, мы сможем ответить на глубочайшие вопросы, которые ставят перед нами кротовые норы. Но если кротовые норы когда-нибудь позволят нам мгновенно перемещаться по галактике, то смогут ли они также провести нас в прошлое? 

Путешествия во времени 

Путешествия во времени — неотъемлемый элемент научной фантастики еще со времен «Машины времени» Герберта Уэллса. Мы можем свободно передвигаться в трех измерениях (вперед-назад, вправо-влево и вверх-вниз), так что, возможно существует и способ передвижения в четвертом измерении — времени. Уэллс описывал его так: человек входит в машину времени, поворачивает диск-указатель, а затем переносится через сотни тысяч лет в будущее, в год  802 701 н.э. С тех самых пор ученые исследуют возможность путешествий во времени. 

Когда Эйнштейн в 1915 году только предложил свою теорию гравитации, он очень тревожился, что его уравнения разрешат играть со временем и проникать в прошлое — он был уверен, что это указывало бы на ошибку в его теории. Но эта возможность стала реальной в  1949 году, когда сосед Эйнштейна по знаменитому Принстонскому институту перспективных исследований, великий математик Курт Гедель, обнаружил, что если бы Вселенная вращалась, то при перемещении по ней с достаточной скоростью можно было проникнуть в  прошлое, то  есть вернуться в  момент времени до отправления. Эйнштейна поразило это неортодоксальное решение. В своих мемуарах он в конечном итоге заключил, что, хотя во Вселенной Геделя путешествия во времени возможны, эту возможность можно отбросить «из физических соображений», подразумевая, что на самом деле Вселенная расширяется, а не вращается. 

Сегодня, хотя физики по-прежнему не уверены в возможности путешествий во времени, они воспринимают этот вопрос очень серьезно. Был найден целый ряд новых решений уравнений Эйнштейна, допускающих путешествия во времени. Для Ньютона время было подобно стреле. Единожды отправившись в путь, оно безостановочно летит вперед с одинаковой во всей Вселенной скоростью. Одна секунда на Земле равна одной секунде в любой другой точке пространства. Часы, находящиеся в любых уголках Вселенной, можно синхронизировать. Для Эйнштейна, однако, время больше похоже на реку. На своем извилистом пути меж звезд и галактик оно может ускоряться или замедляться. Время в разных точках Вселенной может идти с разной скоростью. Новая картина, однако, утверждает, что в реке времени могут иметься водовороты, способные забросить вас в прошлое (физики называют их замкнутыми времениподобными кривыми). Не исключено также, что река времени может разветвляться на два потока, так что линия времени тоже расщепляется, образуя две параллельные вселенные. 

Хокинг был настолько захвачен путешествиями  во  времени, что  бросил вызов другим физикам. Он считал, что  должен существовать какой-то скрытый закон физики, пока не обнаруженный, который он называл гипотезой о защищенности хронологии, и что этот закон раз и навсегда запретит путешествия во времени. Но доказать эту гипотезу ему, несмотря на все старания, так и не удалось. Это означает, что путешествия во времени, равно как и машина времени, могут все же оказаться совместимыми с законами физики. 

Кроме того, Хокинг иронично заметил, что если путешествия во времени возможны, то «где же тогда туристы из будущего?» Каждое значительное историческое событие должно, по идее, привлекать орды туристов, которые, потрясая камерами и расталкивая друг друга, отчаянно пытаются найти самый лучший ракурс и сделать фотографии поинтереснее, чтобы было чем похвастать в будущем перед друзьями. 

Задумайтесь на мгновение, какие шалости и розыгрыши вы могли бы учинить, если бы у вас была машина времени. Возвращаясь в  прошлое,  вы могли бы безошибочно играть на бирже и стать миллиардером. Вы могли бы изменять ход прошедших событий. Письменная история стала бы невозможной. Историки остались бы без работы. 

Разумеется, у путешествий во времени есть серьезные проблемы. Существует множество парадоксов, связанных с путешествиями во времени. Вот некоторые из них: 

• можно сделать настоящее невозможным: если вы отправитесь в прошлое, встретитесь со своим дедушкой, когда он был ребенком, и убьете его, то как вообще вы можете существовать на свете? 

• машина времени из ниоткуда: некто из будущего делится с вами секретом путешествий во времени. Много лет спустя вы сами отправляетесь в прошлое и передаете секрет путешествий во времени себе самому, только более молодому. Откуда же в таком случае берется этот секрет? 

• можно стать собственной матерью: писатель фантаст Роберт Хайнлайн написал рассказ о том, как можно положить начало собственному генеалогическому древу. Представьте, что девочка-сирота вырастает, но меняет пол и становится мужчиной. Затем этот мужчина возвращается в прошлое, встречает себя и заводит с собой ребенка — девочку. После этого мужчина увозит дочку еще дальше в прошлое и оставляет в том самом приюте, после этого цикл повторяется. Таким образом, девочка становится сама себе матерью, дочерью, бабушкой, прабабушкой и т.д. 

В конечном итоге разрешение всех этих парадоксов может произойти только тогда, когда будет сформулирована полная теория квантовой гравитации. Например, когда вы входите в машину времени, ваша временная линия может расщепляться и создавать параллельную квантовую вселенную. Допустим, вы отправляетесь в прошлое, чтобы не допустить убийства Авраама Линкольна в театре Форда. Возможно, вы его и спасете, но в параллельной вселенной. Следовательно, Линкольн в вашей первоначальной вселенной все равно погибает и ничто не меняется. Но вселенная расщепилась надвое, и в параллельной вселенной вы спасаете президента Линкольна. 

Таким образом, если считать, что линия времени способна расщепляться с образованием параллельных вселенных, то все парадоксы путешествий во времени могут быть разрешены. На вопрос путешествий во времени можно будет ответить определенно только тогда, когда мы сумеем вычислить гравитонные квантовые поправки, на которые до сих пор не обращали внимания. Физики применили квантовую теорию к звездам и к кротовым норам, осталось применить ее к самой гравитации через гравитоны, но для этого необходима теория всего.

Источник