Вопросы современной науки: квантовая теория и возможность путешествия в будущее

Современные космонавты, как известно, уже делают это. Правда, путешествуют в будущее они пока только на доли секунды.

Остановись, мгновенье!

Время в пустом пространстве космоса и на Земле летит неодинаково. Это известно каждому школьнику. Чем сильнее гравитация какого-нибудь объекта, тем медленнее течет время в его окрестностях. Это происходит из-за того, что посредством гравитации искажается «ткань» четырехмерного пространства-времени. С другой стороны, Эйнштейн показал, что чем выше скорость – тем больше масса. Поэтому для всех объектов, которые движутся на очень высоких скоростях, время тоже замедляется. Скорость МКС – более 27 тыс. км/ч. Российский космонавт Сергей Крикалёв, к примеру, провел на орбите в общей сложности 803 дня 9 часов и 39 минут. Таким образом, он живет во времени, на целую 1/50 секунды опережая нас.

Машина времени

Теория относительности говорит нам о том, что машину времени, которая перенесет нас в будущее, создать можно. Вы входите в нее, ждете. Выходите и обнаруживаете, что на Земле прошли века. Технологий для этого пока нет, но науке известно – это возможно.

Впрочем, для этого придется разогнаться до скорости, близкой к скорости света. Стоит ли удивляться, что машина времени представляет собой не что иное, как космический корабль, ведь, согласно Общей Теории Относительности, время и пространство неразрывно взаимосвязаны (вопрос о том, каким образом при разгоне до такой бешеной скорости сохранить в целости ваше тело и сам корабль, пока не стоит). Но сможет ли человек, совершивший такое путешествие, вернуться обратно в прошлое?

Первые намеки на то, что законы физики позволяют людям путешествовать в прошлое, появились в 1949 году, когда математик Курт Гёдель нашел новое решение уравнений Эйнштейна, а по сути – новую структуру прост ранства-времени, которая вполне допустима с точки зрения ОТО. Однако, исходя из уравнений Гёделя, Вселенная должна вращаться как целое, и не расширяться с ускорением – что, как выяснилось с тех пор, не соответствует действительности.

В последние годы ученые предлагали другие пути для потенциальных путешествий во времени – искривления пространства-времени. Однако анализ микроволнового фона и другие данные показывают, что Вселенная никогда не была искривлена настолько, чтобы такие путешествия стали возможны. Впрочем, есть и обходной маневр.

Что есть прошлое?

Согласно ОТО, не существует не только какой-то единой для всех наблюдателей, универсальной меры времени, но и при определенных обстоятельствах нет нужды даже в том, чтобы наблюдатели сошлись во мнении о единой очередности тех или иных событий. Допустим, что время на Альфе Центавра движется с той же скоростью, что и на Земле (планета, на которой живут инопланетяне, имеет ту же массу и движется с той же скоростью). В 2014 году состоялась Олимпиада в Сочи. Допустим и то, что в 2015 году состоится открытие Междупланетного шахматного турнира на Альфе Центавра. Какое из событий произошло раньше?

С точки зрения землян – Олимпиада. С точки зрения «центаврианцев» – турнир. Ведь свет от Земли до Альфы Центавра будет идти четыре года. Двигаясь быстрее света, вы смогли бы побывать на Олимпиаде и вылететь на турнир, а затем вновь вернуться на Землю... до начала Олимпиады. Естественно, в теории – если найти способ перемещения быстрее скорости света.

Двигаться быстрее скорости света, исходя из теории относительности, как известно, невозможно. По мере приближения к «световому барьеру» для разгона объекта требуется все больше и больше энергии. В один прекрасный момент – при теоретическом достижении скорости света – ее понадобилось бы бесконечное количество. Кроме того, и тело, которое достигло бы такой скорости, должно приобрести бесконечную массу.

Кротовые норы

 Вот тут-то и возможен обходной маневр. Он заключается в потенциальной возможности деформировать пространство-время. Например, так, чтобы открылся короткий путь от Олимпиады к шахматному турниру. Вы не будете двигаться быстрее скорости света – но в пространстве переместитесь быстрее.

В 1935 году Альберт Эйнштейн и Натан Розен написали работу, в которой доказывали, что ОТО допус­кает существование таких пространственно-временных мостов, смычек – «кротовых нор».

Поддержание целостнос­ти кротовой норы требует огромной энергии, и теория предсказывает, что они не могут существовать достаточно долго, чтобы через них мог пройти космический корабль или другой макроскопический объект. Такой мост может «схлопнуться», и корабль пропадет где-то в сингулярности. 

Правда, ученые допускают мысль, что технически развитая цивилизация могла бы держать подобную нору открытой и нужное время. Но как этого можно добиться, вопрос пока совершенно неясный. 

Здесь стоит сказать, что вся материя, к которой мы привыкли, обладает положительной плотностью энергии, что придает пространству-времени положительную кривизну, напоминающую сферу. А для деформации пространства-времени, которая позволила бы нам путешествовать в прошлое, нужна материя с отрицательной кривизной – т.е., с отрицательной плотностью энергии. Квантовая механика, как известно, существование такой отрицательной плотности энергии допускает (при условии, если эта «отрицательность» компенсируется «положительностью» в других областях), и допускает теоретическую возможность деформировать пространство-время. 

Представить такое непрос­то. Чтобы сделать это, астрофизики часто приводят пример с холмом. Если вы копаете большую яму и выбрасываете землю из нее на край ямы, в конце концов у вас получится не только яма, но и холм. В этом случае холм и будет метафорой этой положительной энергии, а яма – отрицательной.

Черные дыры и не только

Ученые осторожно предполагают, что своеобразными аналогами кротовых нор, возможно, могут оказаться черные дыры. Дело в том, что бо?льшая часть пространства-времени почти плоская. Оно сильно деформировано только в черных дырах. Черная дыра настолько искажает пространство-время вокруг себя, что образует некую «воронку», «дыру» конической формы. 

Гравитация в ближайших окрестностях черной дыры настолько огромна, что пространство-время в ней, по сути, перестает существовать, либо искажается настолько, что время практически останавливается. Кроме того, некоторые черные дыры вращаются на околосветовой скорости. В результате пространство-время «сворачивается» в дыре практически в «трубку». Может быть, проникнув в черную дыру, мы могли бы пройти через ее узкий тоннель и оказаться... в прошлом, или, например, в другой Вселенной? 

Самый знаменитый физик-теоретик современности – Стивен Хокинг – уверен, что это невозможно. Даже если космическому кораблю каким-то невероятным способом (преодолев целым и невредимым действие огромной гравитации) удастся попасть в самый центр черной дыры, он окажется в сингулярности и попросту перестанет сущес­твовать. 

Однако многие другие ученые считают, что, попав в черную дыру, при определенных условиях можно-таки уцелеть, и даже ищут способы это сделать. Конечно, это выглядит чудачеством. Но истории науки известно немало примеров, когда такие чудаки изобретали самолет или отправлялись на Луну. 

Квантовая теория

Но допускает ли квантовая теория путешествия во времени нашего – макроскопического – масштаба? Стивен Хокинг говорит, что, на первый взгляд, допускает. Об этом свидетельствуют фейнмановские интегралы по траекториям (суть фейнмановских интегралов в том, что они замещают определение уникальной, единственно возможной траектории движения любой элементарной частицы полной суммой бесконечного множества возможных траекторий ее движения). Ведь они охватывают все возможные сценарии, а, значит, допускают и существование такого искажения пространства-времени, которое необходимо для путешествий в прошлое. Поэтому говорить о том, что такие путешествия невозможны в принципе, нельзя.

Тяжелые частицы, которые разгоняют в коллайдерах в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) или в Национальной лаборатории им. Ферми в США, достигают скорости, равной 99,99% скорости света. Однако сколько бы ни наращивалась мощность установки, превысить световой барьер не удастся.

Назад в будущее

Но если так, почему же нас еще не посетили гости из будущего? Популярна точка зрения, что цивилизация будущего настолько «продвинута», что считает нецелесообразным раскрывать тайну путешествий во времени таким неразумным существам, как мы. Что, если какой-нибудь современник-энтузиаст захочет вернуться в прошлое и раскрыть нацистам секрет атомной бомбы?..

Такая разная история

Может оказаться, что история представляет из себя строго фиксированную цепочку событий, поэтому даже если вы вернетесь в прошлое, то будете обречены делать все то же самое, что делали до того. Иначе, вернувшись в свое будущее, вы можете даже обнаружить, что вас... просто не существует, или нет ваших близких, или нет страны, в которой вы живете, и т.д. Подобная драма хорошо описана в знаменитом научно-фантастическом рассказе Рэя Брэдбери «И грянул гром», главный герой которого, совершая путешествие в прошлое, случайно раздавил бабочку – а вернувшись, обнаружил, что его близкие пишут на другом языке, и у власти вместо президента-либерала стоит диктатор. В естественных науках этот термин так и называется – эффект бабочки: незначительное влияние на хаотичную систему может иметь большие и непредсказуемые последствия где-нибудь в другом месте и в другое время. 

Другой возможный способ решения парадоксов путешествий во времени можно обозначить, как гипотезу альтернативной истории. Когда путешественники во времени возвращаются в прошлое, они попадают в альтернативные истории, которые отличаются от той, которая им известна. Многие ученые сегодня говорят о возможном существовании Мультивселенной, в которую могут входить все эти – и бесконечное число других – варианты прошлого, ветвящиеся в бесконечном множестве миров... 

На первый взгляд, эта гипотеза напоминает Фейнмановские квантово-механические уравнения. Но между ними существует и неразрешимое противоречие. В интегралах Фейнмана каждая траектория полностью включает в себя пространство-время и все, что в нем находится. И, как мы выяснили, в рамках такого представления ракета через искривленное пространство-время могла отправиться даже в прошлое. Но ведь сама ракета при этом осталась бы в том же «своем» пространстве-времени, а, значит, и в той же истории. Поэтому фейнмановские интегралы, скорее, говорят в пользу гипотезы фиксированного прошлого.