Когда изобретут машину времени: факты, теории, разработки

Что такое машина времени

Машина времени — это устройство, с помощью которого, в теории, можно было бы путешествовать во времени.

Однако ученые понимают под ней не физическую машину или механизм, как в кино, а искривленное пространство-время [1]: например, в виде «червоточины» или «пончика». Внутри нее можно перемещаться из одной точки пространства-времени в другую, за счет сфокусированных гравитационных полей. Но такие поля должны быть супермощными, а управлять ими нужно с максимальной точностью.

Есть также версии, что машина времени — это экзотическая материя с отрицательной плотностью. Если ее толкнуть, она будет двигаться в направлении, обратном нормальному. Однако ничего похожего пока открыть не удалось.

Можно ли путешествовать во времени?

В фантастических фильмах вроде «Звездного пути» или «Назад в будущее» герои просто садятся в машину или другой транспорт и оказываются в прошлом или будущем. На деле все гораздо сложнее, и единого мнения на этот счет пока нет.

Альберт Эйнштейн первым описал время как «четвертое измерение» [2]. Он считал, что оно движется только вперед, но, при этом, относительно: то есть может течь с разной скоростью в разных условиях. Если вы будете двигаться со скоростью света (то есть 299 792 км/сек), то для вас оно замедлится — в сравнении с теми, кто стоит на месте. Но, согласно расчетам физика, ваша масса при этом должна быть бесконечной, а длина — нулевой.

Эйнштейн также утверждал, что гравитация может менять время: сверхмассивные объекты, вроде черных дыр, как бы искривляют время вокруг себя. Это тоже удалось доказать — с помощью GPS-спутников и сверхточных часов. Путешествия через черные дыры — пожалуй, самый популярный способ, описанный в фильме «Интерстеллар». Вблизи дыры или ее модели, за горизонтом событий, время движется в два раза медленнее, а то и вовсе останавливается.

Стивен Хокинг, написавший книгу «Краткая история времени», поддерживал теории Эйнштейна относительно черных дыр, а также — «червоточин» или «кротовых нор», которыми пронизана вся Вселенная. Однако он не верил, что можно путешествовать в прошлое.

В доказательство он провел эксперимент: организовал в 2009 году вечеринку и разослал приглашения уже после того, как она закончилась. Но никто из приглашенных в будущем так и не пришел на нее. Однако Хокинг не исключал, что машину времени построят уже после его смерти [3].

Основываясь на теориях Эйнштейна, NASA предположило, что можно путешествовать через «червоточины» или «кротовые норы» пространства-времени [5]. Это что-то вроде туннелей, пройдя через которые, мы окажемся в другом измерении. Но такие «червоточины» почти моментально схлопываются, и пройти через них смогут только сверхмалые частицы.

Еще одна гипотеза — «бесконечный цилиндр Типлера». Астроном Фрэнк Типлер предложил механизм, внутри которого вещество величиной в десять масс Солнца, свернутое в бесконечно длинный и очень плотный цилиндр. Если он будет вращаться со скоростью миллиарда оборотов в минут, космический корабль, пройдя по спирали, попадет внутрь цилиндра и окажется в «замкнутой времениподобной кривой» — мировой линии, где все возвращается в исходную пространственно-временную точку.

Теория струн в рамках квантовой механики предполагает наличие 11 измерений [6]. В одном из них как раз и может существовать портал для путешествий во времени.

Космические струны — тончайшие сгустки энергии, проходящие через всю длину Вселенной и обладающие огромной массой. Их диаметр тоньше атомного ядра, при этом они очень плотные: 1 тыс. км такой струны весят как Земля. Следовательно, они, как и черные дыры, тоже могут искривлять пространство и время вокруг себя. Есть теория, что такие струны бесконечны и образуют замкнутые петли — «складки» пространства-времени. Внутри них также можно путешествовать во времени.

В чем главные проблемы создания машины времени?

• В обозримом будущем ни один из объектов, созданных человеком, не может приблизиться к скорости света.
• Человек не сможет находиться вблизи объектов с гигантской гравитацией, как у черных дыр: он сразу погибнет.
• Гипотетические условия для путешествий во времени — такие, как бесконечная или сверхмалая масса, нулевая длина и другие — тоже недостижимы.
• Деформация пространства-времени может вызвать мощный поток радиации, который уничтожит все живое.

Есть отдельные теории — например, у физика Ричарда Мюллера [7] — о том, что вернуться назад невозможно, так как Вселенная постоянно расширяется, как в пространстве, так и во времени. Другими словами, в прошлом времени было как бы меньше, а в будущем его, наоборот, больше. И мы не можем, в нашем нынешнем состоянии, оказаться в нужной точке прошлого или будущего — в обеих случаях это будут совсем другие миры, с которыми у нас нет никакой связи. Чтобы такое путешествие стало возможным, нам сначала нужно уменьшить или увеличить объем пространства-времени.

И тем не менее люди веками пытаются создать машины времени или хотя бы воссоздать условия, при которых такие путешествия возможны.

Что будет, если изменить прошлое?

Этот вопрос чаще всего возникает в книгах и фильмах — вроде «Терминатора», «Эффекта бабочки» или «Назад в будущее». Ученые называют его «парадоксом убитого дедушки» [8]: когда путешественник во времени возвращается в прошлое, убивает своего дедушку в юности и в результате исчезает — потому что никогда не рождался.

Противники теории утверждают, что это невозможно: отправиться в прошлое можно только по замкнутой кривой, внутри которой все события закольцованы друг с другом. В качестве наглядного подтверждения приводят бильярдный шар, который движется через червоточину по заданной траектории и никак не может помешать сам себе.

Британский математик и философ Джеральд Джеймс Уитроу считал, что, если бы путешествия в прошлое были возможны, мы бы помнили о них еще до отправления.

Кто уже пытался изобрести машину времени

Еще в конце XIX века писатели-фантасты — среди них Энрике Гаспар и Римбау, а также Герберт Уэллс — описывали первые прототипы машин времени. Однако научные обоснования появились в начале XX-го, с появлением теорий Эйнштейна.

В 1948-м австрийский математик и философ Курт Гедель нашел решение для уравнений Эйнштейна, касающихся гравитации и вращающейся Вселенной. В ней свет тоже вращается вместе с другими объектами, из-за чего последние движутся по замкнутым траекториям и в пространстве, и во времени.

Гедель также писал, что в каждой точке пространства есть световой конус прошлого и конус будущего. Внутри каждого из них находится мировая линия — непрерывная кривая в пространстве-времени, которая состоит из событий. На каждой мировой линии время течет по-своему.

Если наклонить конусы под определенным углом, внутри получится окружность — это и есть машина времени. Нужно только создать такое гравитационное поле, или искривление, при котором конусы наклонятся под нужным углом. Гедель предполагал, что такая Вселенная уже где-то существует, но пока мы ничего о ней не знаем.

В 1943-м был проведен эксперимент на базе ВМС США в Филадельфии. В рамках него вокруг эсминца «Элдридж» создали специальный электромагнитный экран, который отражал сигналы радаров. Некоторые свидетели утверждали, что после этого корабль якобы исчез, а потом появился на расстоянии в сотни километров в штате Виргиния. Но спустя годы моряки, участвовавшие в эксперименте, опровергли это.

В 1988-м американский физик и астроном Кип Торн рассчитал, при каких условиях машина времени Геделя будет работать и насколько это возможно. Для этого нужно запустить машину времени, разогнать один конец «кротовой норы» до околосветовой скорости, притормозить, потом разогнать в обратном направлении, снова притормозить, нырнуть в нору, выскочить на другом конце и уже снаружи, как можно быстрее, домчаться до обратного конца. Так появится временная петля между прошлым и будущим.

Впоследствии модель усложнили, рассматривая ее в четырех и пяти измерениях, где добавляются новые слои и условия. В итоге окончательной «рабочей» версии пока что не существует, но многие в своих расчетах по-прежнему опираются на гипотезу Геделя.

В 2017-м ученые из США и Канады создали свою математическую модель машины времени — TARDIS (англ. Traversable Acausal Retrograde Domain in Spacetime). Она выглядит как «пузырь» или «ящик», который движется по кругу, проходя насквозь через пространство-время вдоль «кротовых нор».

Чтобы они возникли, необходимо искривление пространства-времени определенным образом. При этом появление черных дыр, о которых говорил Хокинг, необязательно. TARDIS будет перемещаться по замкнутой кривой, чтобы люди внутри испытывали постоянное ускорение. Те, кто будет наблюдать за этим снаружи, увидит две версии события: в одной время движется нормально, а в другой — в обратном направлении.

В начале этого года астрофизик Рон Маллет рассказал, что можно повернуть время вспять. Он также опирался на теории и уравнения Эйнштейна и предложил использовать кольцевой лазер с беспрерывно циркулирующими лучами, который сможет набрать нужную скорость и создать портал в прошлое. Это те самые «червоточины», о которой мы писали выше. Профессор уже разработал прототип такого устройства и проводит испытания. Однако у его будущей машины времени есть серьезное ограничение: с ее помощью можно вернуться не дальше, чем в тот момент, когда она была включена.

Выводы о машинах времени

Мнения и эксперименты в современной науке можно свести к трем направлениям:

1. Путешествия во времени невозможны, так как порождают непреодолимые парадоксы или просто технически.
2. Путешествия возможны, но не так, как мы их себе представляем: нельзя отправиться в определенную точку в прошлом или в будущем.
3. Путешествия возможны, надо только найти подходящую Вселенную и искривленное пространство-время в ней.

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.