Сможем ли мы когда-нибудь путешествовать во времени? Что ж, согласно новой математической теории, это может быть возможно — при условии, что мы сможем найти какую-то экзотическую материю.
С тех пор, как Х. Г. Уэллс популяризировал концепцию машины времени в своем романе 1895 года, популярная культура увлеклась идеей создания машины, которая могла бы волшебным образом проскальзывать сквозь историю. Когда Уэллс написал «Машину времени», наука рассматривала время как беспощадную реку, которая постоянно течет вперед с постоянной скоростью.
Затем, более 20 лет спустя, Альберт Эйнштейн перевернул наш взгляд на вселенную с ног на голову, представив мир своей революционной теории, общей теории относительности. Внезапно мы поняли, что пространство и время оказались не такими жесткими, как предсказывали классические теории. Во вселенной Эйнштейна пространство и время объединяются, чтобы создать пространство-время, и оно может деформироваться, изгибаться и даже создавать рябь — явление, известное как гравитационные волны.
Общая теория относительности открыла шлюзы для возможностей путешествий во времени. В 1949 году математик Курт Гёдель представил Эйнштейну первую математическую модель, в рамках которой вращающаяся вселенная может позволить путешествовать во времени. Совсем недавно такие физики, как Кип Торн, предложили использовать червоточины (еще одно общее предсказание относительности) для облегчения путешествий во времени.
В 2013 году Бен Типпет и его коллега Дэвид Цанг сформулировали математическую модель для путешествий во времени. Метод был назван ТАРДИС.
Конечно, название «TARDIS» — аббревиатура для проходимых акаузальных ретроградных доменов в пространстве-времени — не было совпадением.
«Моя работа над этим началась примерно к 50-летию «Доктора Кто», — говорит Типпетт, преподаватель математики и физики в Университете Британской Колумбии. «С тех пор я занимаюсь анализом и переписыванием статьи на выходных и в отпуске и, наконец, опубликовал ее».
Опубликованный в журнале, TARDIS описывает другой способ взглянуть на измерение самого времени и на то, как им можно манипулировать, чтобы создать машину времени или, по крайней мере, математическую конструкцию гипотетической машины времени.
Пространство и время
Хотя Эйнштейн объединил пространство и время более века назад, слишком часто мы рассматриваем время как отдельное измерение, указывает Типпетт, специалист по общей теории относительности.
Распространенный способ думать о пространстве-времени — представить себе подвешенный лист резины. Если вы катите тяжелый предмет, например, шар для боулинга, по листу, лист будет деформироваться вокруг массы. Это один из ключевых принципов общей теории относительности; искривление пространства-времени (деформированная резина) вокруг массивных объектов (шар для боулинга) создает гравитацию. Чем больше масса, тем больше гравитационное воздействие на пространство-время. Поэтому масса и гравитация тесно связаны между собой.
Эта модель может быть отличным способом представить, как три измерения пространства искривляются по массе, но как насчет времени?
Все четыре измерения — три измерения пространства и одно время — следует рассматривать как континуум пространства-времени. В этом случае искривляются не только три измерения пространства, но и время тоже.
Конечно, мы уже знаем это. Чтобы синхронизировать часы на спутниках с часами на Земле, небольшая поправка на эффекты общей относительности должна быть включена в программное обеспечение спутников — спутники вращаются вокруг Земли в условиях меньшей гравитации, чем на поверхности Земли. Следовательно, здесь время идет медленнее (хотя и бесконечно мало) глубоко в гравитационном колодце Земли.
Теперь рассмотрим это до крайности: представьте, что у вас есть сестра-близнец, которая смело движется к горизонту событий черной дыры — точке, в которой пространство-время настолько искажено, что даже свет не может избежать гравитации черной дыры. Когда она приближается к горизонту событий, пространство-время становится все более искривленным, гравитация увеличивается, а время замедляется. Предполагая, что на ее космическом корабле достаточно топлива, она вырывается, прежде чем достичь горизонта событий, и возвращается к Земле. Когда она вернется, проведя всего один день, вы не сможете ее приветствовать. Ты покойник. Фактически, замедление времени было настолько сильным во время ее миссии, что все постарели и умерли, человеческая цивилизация вымерла, а Земля наводнена гигантскими тараканами.
Это разновидность так называемого «парадокса близнецов»
Потребность в экзотической материи.
Вместо того, чтобы пробивать пространство-время (путешествовать через червоточину) или приближаться к невероятно массивному объекту, чтобы деформировать пространство-время (черную дыру), ТАРДИС требует такой тип искривления пространства-времени, который не может быть получен с помощью обычной материи. Согласно общей теории относительности, большие массы регулярного вещества могут вызывать только кривизну, которая гравитационно привлекательна. По словам Типпетта, искривление, необходимое для построения ТАРДИС, может быть создано только с использованием странного и в настоящее время неизвестного типа материи, известного просто как «экзотическая материя», которая имеет противоположный эффект.
Если в будущем мы найдем это экзотическое вещество и решим, как его использовать, «машина времени» ТАРДИС может отправить путешественника во времени назад и вперед во времени. Путешественник во времени будет заключен в пузырьке «нормального» пространства-времени, а затем к пузырю приложится экзотическая материя, заставляя его путешествовать в пространстве-времени по большой круговой траектории. Путешественник внутри пузыря будет чувствовать постоянное ускорение во время своего путешествия. Чем больше круг, тем дальше вперед и назад по времени они пойдут.
Но есть подвох.
«Насколько я понимаю, мы никогда не обнаруживали, не наблюдали и не взаимодействовали с экзотической материей», — говорит Типпетт. «Экзотическая материя — это класс материи, который гравитационно отталкивает, или, скорее, он вызывает искривление пространства-времени, связанное с гравитацией, раздвигающей вещи, и мы никогда не видели этого».
Парадоксы в изобилии?
Теперь давайте просто предположим, что мы преодолеваем проблему экзотической материи и добиваемся путешествия во времени, разве путешествие в прошлое не вызовет всевозможные парадоксы континуума пространства-времени, подобные «Назад в будущее»? Может путешествие Марти обратно в 1955 году действительно мог поставить под угрозу свою жизнь, где случайно становится возлюбленная его собственной матери?
Если путешествие во времени может изменить историю, как предсказывает экзистенциальный кризис Марти, у нас есть парадокс. В этом случае он известен как «парадокс дедушки», и это хороший способ визуализировать эту проблему. Парадокс в основном спрашивает: если бы вы отправились в прошлое и убили своего дедушку (или ваша мать никогда не выйдет замуж за вашего биологического отца), вы бы перестали существовать?
«Как напоминает нам Док Браун: разрешение парадокса дедушки заключается в четырехмерном мышлении», — говорит Типпетт.
Согласно теории Эйнштейна, вся история прошлого, настоящего и будущего выложена в пространстве-времени, как нити, вплетенные в четырехмерный гобелен. Если вы вернулись во времени и встретились со своим молодым «я», релятивистской ситуацией, называемой «замкнутая временная кривая», не могли бы вы дать своему младшему «Я» спортивный альманах Грейс, тем самым кардинально изменив свое финансовое будущее?
Чтобы разрешить этот парадокс, российский физик-теоретик Игорь Новиков предположил, что вселенная обладает отказоустойчивостью, и, хотя она может допускать замкнутые кривые времени (т. е. Путешественники во времени), гобелен пространства-времени не может быть изменен, как бы вы ни старались. Всякий раз, когда вы пытаетесь дать своему прошлому я, альманах, возникает некоторая ситуация, чтобы предотвратить возникновение парадокса. Вселенная адаптируется и противостоит вашим парадоксальным (и, честно говоря, безрассудным) действиям.
Типпетт сравнивает идею с сюжетом фильма и сериала «12 обезьян» — вселенная помешает вам изменить исторические события. Но, признает он, мы, вероятно, не сможем проверить ни одну из этих гипотез, пока мы действительно не добьемся путешествия во времени.