Путешествия во времени — что это и как работает

Мы перемещаемся во времени на постоянную величину в шестьдесят секунд каждую минуту. Но можно ли устремиться в далёкое будущее или повернуть время вспять и отправиться в прошлое? Реально ли перемещаться во времени?

Существующие законы физики не препятствуют этим перемещениям, однако, как путешествовать во времени, неизвестно до сих пор. Ученые предложили множество теоретических схем, чтобы осуществить перемещение из настоящего в прошлое или будущее и, возможно, когда-нибудь эти наработки воплотятся в жизнь.

Как замедлить время? Путешествие в будущее

Специальная Теория Относительности Альберта Эйнштейна отвечает на вопрос

Замедление времени — одно из главных следствий Специальной Теории Относительности Альберта Эйнштейна. Это не просто теория, а явление, которое подтверждено экспериментально.

Были взяты атомные часы. Одни поместили на самолёт, а другие остались на Земле. По предсказаниям СТО, путешествующие на самолёте часы должны были отстать от находившихся на Земле, что подтвердилось. То есть движущиеся часы идут медленнее, чем находящиеся в состоянии покоя.

При приближении к скорости света время практически останавливается. Например, если космонавт окажется на борту космического корабля и разгонится до скорости, близкой к световой, то он состарится всего на секунду за год, который пройдёт на Земле, так как его биологические часы замедлятся.

Цезиевые часы HP 5061A Cesium Beam Frequency Standard, использованные в эксперименте, который подтвердил парадокс близнецов (эксперимент Хафеле — Китинга)

За год, проведённый космонавтом по его времени, на Земле пройдёт около 30 миллионов лет — это будет своеобразная «машина времени». Однако на данный момент у этого способа перемещения во времени есть проблемы:

• Пока что рекорд скорости аппарата, когда-либо созданного руками человека, принадлежит зонду NASA «Паркер» — 70000 м/с, однако сообщается, что его пиковая скорость — 190000 м/с.
• Никто не знает, как вернуться в своё время.

С СТО связан известный парадокс перемещения во времени — парадокс близнецов.

Один брат-близнец остаётся на Земле, а другой отправляется в космическое путешествие со скоростью, близкой к световой. С точки зрения брата, оставшегося дома, путешественник имеет замедленный ход времени, поэтому при возвращении он должен оказаться моложе. Но с точки зрения путешественника двигалась Земля, поэтому при возвращении моложе окажется брат, оставшийся дома.

Общая Теория Относительности Альберта Эйнштейна. Черные дыры

Теоретическое перемещение во времени возможно благодаря гравитационному замедлению времени — явлению Общей Теории Относительности.

Время замедляется при помещении тела в гравитационное поле.

Объекты с самым сильным гравитационным полем, известные на данный момент, — черные дыры.

Чёрная дыра — объект с сильным гравитационным полем, пределы которого не может покинуть даже свет.

Она состоит из двух компонентов:

• Горизонт событий — внешняя поверхность; если пересечь горизонт событий, то вернуться обратно будет невозможно.
• Сингулярность — центр, который невидим для стороннего наблюдателя.

С помощью мысленного эксперимента с чёрной дырой можно проследить относительность времени. Есть астронавт, пересекающий горизонт событий; пилот космического корабля, который повис вблизи горизонта, но не пересекает его; удалённый наблюдатель, смотрящий на это в телескоп.

Удалённому наблюдателю будет казаться, что астронавт будет падать на горизонт событий бесконечно долго. С точки зрения астронавта он быстро пересечёт горизонт и достигнет сингулярности в центре чёрной дыры. Его время замедляется только для удалённого наблюдателя. Аналогичное произойдёт со временем пилота.

Однако наибольший интерес вызывает сингулярность, находящаяся в центре чёрной дыры.

Сингулярность — точка с бесконечной плотностью, где нарушаются существующие законы физики, так что предсказать будущее становится невозможно.

По этой причине сингулярностью может оказаться что угодно. Например, есть версии, что сингулярность — это и есть портал в прошлое или червоточина.

Путешествие в прошлое. Кротовые норы

Червоточины (кротовые норы) — особые туннели в пространственно-временной структуре вселенной, позволяющие переместиться из одной точки пространства в другую, находящуюся на значительном расстоянии от первой.

Термин «червоточина» появился благодаря сравнению туннелей с ходами, которые проделывают черви, прогрызая яблоко. Дело в том, что расстояние от одного конца поверхности яблока до другого короче через червоточину, чем при передвижении по поверхности.

Идея путешествия во времени с помощью червоточин состоит в том, что один её конец располагается на Земле, а второй помещается на космический корабль, который на год отправляется в полёт на скорости, близкой к световой. Второй конец перемещается во времени на 30 миллионов лет, но благодаря замедлению стареет только на год, как и конец, оставшийся на Земле.

Простая кротовая нора в 2D

Самое главное, что оба этих конца сохраняют связь друг с другом. Получается, что человек, живущий 30 миллионов лет спустя, сможет отправиться в прошлое, то есть в наше настоящее, через червоточину.

Главная проблема кротовой норы. Гипотетическое устройство для перемещения — экзотическая материя

Сложность использования данного метода заключается в том, что уравнения Общей Теории Относительности указывают на существование неизвестного вида материи, с помощью которого можно создать и поддерживать открытой червоточину размером с человека.

Статья дает научный ответ на вопрос, безгранична ли Вселенная и как это доказать.

Этот вид материи назван экзотической материей. Давление такого вещества отрицательно, и энергия, связанная с этим видом давления, создаёт отрицательную или отталкивающую гравитацию, которая может поддерживать в открытом состоянии пространственно-временной туннель. Однако экзотическая материя добывается с большим трудом и в очень малых количествах, так что на данный момент этот способ путешествия во времени остаётся невозможным для реализации.

Состав Вселенной (данные аппарата Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

Есть ещё один недостаток этого способа — невозможно переместиться во время, предшествующее созданию машины времени. Например:

Если вы вчера открыли червоточину, то не сможете понаблюдать сражения Отечественной войны 1812 года, убить Гитлера и даже отправиться в позавчерашний день.

По этой причине этот способ кажется не слишком привлекательным. С помощью него переместиться в прошлое сможет только человек, живущий спустя 30 миллионов лет. Однако, если найти червоточину, созданную миллионы лет назад естественным путём, то мечта увидеть динозавров окажется не такой невыполнимой. Зато этот путь откроет ещё большую проблему — временной парадокс.

Парадоксы путешествия во времени

Временной парадокс — мысленный эксперимент с путешествием во времени, при котором путешественник, посещая прошлое, совершает что-то, вызывающее причинно-следственные противоречия.

Самый известный временной парадокс — парадокс убитого дедушки. Если переместиться в прошлое и убить дедушку до того, как он встретит бабушку, не родится один из родителей, следовательно, и сам путешественник. А если он не родится, то не сможет отправиться в прошлое и убить дедушку, следовательно, он будет жив. Этот подход порождает две гипотезы:

• Гипотеза о защите линии времени: если подсыпать в блюдо яд, дедушка никогда его не съест. Если поднести к голове пистолет, при нажатии на спусковой крючок ничего не произойдёт.
• Множественная гипотеза вселенных: в результате убийства дедушки в прошлом, в настоящем создаётся временная шкала, в которой путешественник никогда не существовал. Таким образом возникает параллельная вселенная.

Наглядная иллюстрация парадокса убитого дедушки

Сейчас учёные продолжают исследовать вопрос путешествий во времени, чтобы дать на него ответ. Возможно, этот ответ появится в ближайшее десятилетие, а пока что важно изучать имеющиеся данные.

Что почитать?

• Джеймс Глик — «Путешествия во времени. История»
• Гарднер Мартин — «Путешествие во времени»
• Митио Каку — «Физика невозможного»
• Красников С. В. — «Некоторые вопросы причинности в ОТО: «машины времени» и «сверхсветовые перемещения»
• Стивен Хокинг — «Мир в ореховой скорлупке»
• Нил Деграсс Тайсон — «Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности»
• Баландин Р. — «Эйнштейн убивает время. Абсолютна ли теория относительности?»
• Альберт Эйнштейн — «Бог не играет в кости. Моя теория относительности»

Что посмотреть?

• «Путешествие во времени и теория относительности. Новые Тайны Вселенной» — Discovery
• «Машина времени» — BBC
• «Настоящий гений со Стивеном Хокингом: Возможно ли путешествие во времени?» — National Geographic
• «Космос: пространство и время» — National Geographic
• «Космос: персональное путешествие» — National Geographic
• «Интерстеллар» — режиссёр Кристофер Нолан

Путешествия во времени — FAQ

Это была информация о путешествиях во времени, известная на данный момент. Однако осталось несколько интересных вопросов:

Чёрная дыра может возникнуть из любого объекта, если его достаточно сильно сжать. Радиус, до которого нужно сжать физическое тело, чтобы оно превратилось в сингулярность, называется радиусом Шварцшильда. Для Солнца радиус сферы Шварцшильда составляет примерно три километра, а для Земли — девять миллиметров. Физическое тело, радиус которого меньше его радиуса Шварцшильда, превращается в чёрную дыру.

Очень малое количество экзотической материи возникает при эффекте Казимира. Между двумя металлическими пластинами, помещёнными в миллиардных метра друг от друга, возникает сила притяжения, вызванная отрицательным давлением экзотической материи. Между пластинами возникает меньше волн, чем снаружи, что вызывает отрицательное давление. Количество появляющейся экзотической материи равняется 10-30 граммам. Чтобы поддерживать червоточину размером с человека, необходимо количество вещества, практически равное массе Юпитера.

Роджер Пенроуз назвал это явление гипотезой космической цензуры. Сингулярности, образующиеся вследствие гравитационного коллапса, появляются в таких местах, как чёрные дыры, где они надёжно скрыты от постороннего наблюдателя.

Квантовая механика, как и другие разделы теоретической физики, не отрицает перемещение во времени. Однако здесь всё зависит от интерпретации. Есть две наиболее известные интерпретации квантовой механики:

Копенгагенская (квантовые сущности описываются волновой функцией, но при их взаимодействии с окружением волновая функция коллапсирует к конкретным значениям величин). Если рассматривать путешествия во времени с точки зрения копенгагенской интерпретации, то придётся столкнуться с множеством парадоксов.

Многомировая (каждая квантовая вероятность влечёт за собой возникновение отдельной вселенной, где происходит тот или иной исход). Если рассматривать с точки зрения многомировой интерпретации — то парадоксы будут устранены, так как, путешествуя назад во времени, вы попадаете в прошлое другой вселенной, а не той, из которой пришли.

Квантовая телепортация — копирование состояния частиц без передачи энергии и вещества. Если одновременно образовать две частицы, то они окажутся связаны друг с другом. Если запустить их в разные концы вселенной и через некоторое время изменить состояние одной частицы, то изменится и другая. Это явление будет полезно при путешествии во времени.

Точного ответа нет. Однако Стивен Хокинг выдвинул гипотезу защиты хронологии — механизм, который препятствует перемещениям во времени. Машина времени либо разрушается в процессе создания, либо погибают все те, кто пытается ею воспользоваться.

Напоследок рекомендуем посмотреть научно-популярный фильм «Время с Алексеем Семихатовым», повествующий о природе времени и его противоречивости.

Возможно ли изменить прошлое с помощью машины времени?

Лишь до тех пор, пока события не влияют на субъективное прошлое самого путешественника во времени. Например, путешественник во времени не может убить своего деда, либо окажется, что в действительности его дедом был другой человек. Он также не может изменить те события, которые, как ему известно, произошли. Роберт Хайнлайн в романе «Дверь в лето» развил эту идею. У него закон причинности работает, по отношению к последовательности действий самого человека, независимо от его перемещений во времени: путешественник свободен в своих действиях, но с ним в принципе не может произойти ничего такого, что сделает невозможной уже состоявшуюся для него лично последовательность событий, независимо от того, происходили эти события в прошлом или будущем относительно текущего момента в «глобальном» времени. В результате вернувшись в прошлое можно изменить события, но только те, о которых путешественник ранее не знал, и воздействовать на будущее, но только то, которое для путешественника ещё не наступило. Например, ограбленный не может, вернувшись в прошлое, помешать грабителям (так как для него это ограбление уже произошло), но ничто не мешает ему в свою очередь завладеть награбленным, спрятать его в укромном месте и вернуть после возвращения в своё время.

Вот некоторые способы решить третью проблему (впрочем, на этот «парадокс» всегда можно возразить тем, что мы не можем знать наверняка о несуществовании чего-либо).

Предполагается, что в будущем путешествия в прошлое запрещены, а те люди, кто всё-таки попадает в наше время, стараются ничем не выдавать своего присутствия (Асс, Бегемотов «Вперёд в прошлое»).

Копия маховика времени из серии фильмов о Гарри Поттере
Согласно ещё одной гипотезе, путешествовать в прошлое можно лишь после времени изобретения машины времени, но не раньше. И то, что наше время не заполнено пришельцами из будущего, свидетельствует лишь о том, что машина времени пока ещё не изобретена, а не о том, что путешествия в прошлое невозможны.
Путешествия в прошлое не запрещены и путешественников из будущего в нашем времени много, но они не могут или скорее не хотят изменять прошлое, поскольку единственным следствием этого будет размножение реальностей, что не позволит путешественникам вернуться в свою исходную реальность в будущем. Таким образом, внесение изменений в прошлое просто бессмысленно, за исключением случаев специального проектирования нужной реальности. Этот вариант рассматривается, например, в фантастическом романе А. Махрова «В вихре времён».