Как попасть в прошлое и не навредить будущему? Как, вытянув руки вперёд, дотронуться до своей спины? И как спасти человечество, путешествуя по пространству Минковского? Ответить на эти вопросы дал возможность Эйнштейн ещё в 1915 году.
«Общая теория относительности подобна троянскому коню. Сделав несколько простых допущений, можно получить основные характеристики космоса... Однако внутри троянского коня мы находим притаившихся демонов и гоблинов, в том числе чёрные и белые дыры, пространственно-временные туннели и даже машины времени, которые находятся за пределами здравого смысла…»
Митио Каку
В наше время трудно найти человека, не слышавшего фамилии Эйнштейна и словосочетания "Теория относительности". Однако куда меньшее количество людей знает, в чём отличие общей и специальной теорий относительности (ОТО и СТО), сформулированных им на заре прошлого столетия. В этой статье речь пойдёт об удивительных эффектах, получаемых в ходе решения уравнений ОТО и СТО, выводимых величайшими умами человечества на рубеже XIX - XX веков.
ЧЕРВОТОЧИНЫ ИЛИ КРОТОВЫЕ НОРЫ (англ. Wormhole)
Главные герои научно-фантастического фильма «Интерстеллар» отправляются на поиски новой планеты для спасения человечества. Но расстояние даже до ближайшей к нам звёздной системы —Альфа Центавра — приблизительно 4,4 световых года. Очевидно, что даже при наличии у людей двигателей, развивающих околосветовые скорости, и технологий криоконсервации, такое путешествие займёт слишком много времени, что стало бы смертельным для землян. К счастью последних, вблизи Сатурна учёные обнаружили червоточину, которая может позволить переместиться в пространстве на огромнейшие расстояния.
Рис.1 Наглядная иллюстрация формирования червоточины, т.н. «мост Эйнштейна-Розена»
Впервые существование кротовых нор предсказали Альберт Эйнштейн и его коллеги. Как вы знаете, к тому времени учёные, со своим, отличным от ньютонианского, взглядом на гравитацию, не доверяли гипотезе о стремлении величины силы гравитационного взаимодействия частиц к бесконечности при уменьшении расстояния между ними до сколь угодно малых значений (то есть теории существования сингулярности). Чтобы устранить это бесполезное свойство пространства, Эйнштейн со своим студентом Натаном Розеном уподобили чёрную дыру электрону, после чего можно было использовать уравнения ОТО для описания данного явления. Разобрав стандартные случаи чёрных дыр, где они представлялись как «вазы с длинным горлышком», и, соединив одну с перевернутой другой (см. рис. 1), они получили устойчивую систему, в которой отсутствовала сингулярность. Эта конфигурация вскоре была названа «мост Эйнштейна-Розена».
Все кротовые норы (причём неважно, куда они ведут: в другую точку нашей Вселенной или в параллельный мир) разделяются на проходимые и непроходимые. А мост Эйнштейна-Розена как раз относится ко вторым, так как портал открывается за доли секунды, но закрывается слишком быстро, чтобы его пересечь.
МАШИНА ВРЕМЕНИ ВАН СТОКУМА
Рис.2 Следствие искривления пространства массивным объектом, т.н. эффект гравитационной линзы
Внимательно посмотрите на изображение чёрной дыры (см. рис. 2) и заметьте, что изображение объектов за ней сильно искажено. Это связано с тем, что пространство и пространство-время весьма неоднородны и вблизи массивных объектов подвергаются искривлениям. На этой особенности и основан следующий «демон» теории относительности — машина времени Ван Стокума. В 1937 году математик Виллем Якоб ван Стокум нашёл решение уравнений ОТО, которые «делали возможным» путешествия во времени. Для этого вам всего лишь необходимо изготовить цилиндр, учитывая два параметра: бесконечные длину и плотность. Если такой объект будет вращаться с околосветовой скоростью, то он начнёт увлекать за собой пространство-время.
Предположим, что вы захотели вернуться назад во времени. Никаких проблем, просто пройдите рядом с цилиндром. В таком случае вас засосёт внутрь с огромной скоростью, и, сделав оборот вокруг данного объекта, вы вернётесь к моменту времени, предшествующему моменту отлёта.
ИДЕАЛЬНОЕ ПРОСТРАНСТВО У ВАС В КОМНАТЕ
Часто научные сотрудники таких областей естественных наук, как математика и физика, для решения задачи прибегают к очень удобному методу — идеализации. Используя его, решающий задачу может абстрагироваться от внешних, незначительных условий, что иногда приводит к полномасштабной перестройке реального объекта. Примером такого метода является идеализированное пространство-время, названное в честь описавшего его доктора наук — Чарльза Мизнера.
Представьте, что вы, как обычно, проснулись утром в своей комнате. Ничего особенного. Дверь вашей комнаты закрыта, поэтому чтобы выйти, вам необходимо взяться за дверную ручку и открыть её. Если вы попробовали, но ваша рука прошла дверь насквозь, то вас ждут проблемы. Оказалось, что вы проснулись в пространстве Мизнера. Раз рука прошла сквозь дверь, то и всё тело пройдёт. Но появитесь вы снова в комнате, выйдя из противоположной стены. То есть каждая точка стены, в которой стоит дверь, идентична точкам противоположной стены. Точно так же и с двумя другими стенами, с полом и потолком — проходя через одно, вы выходите из противоположного ему. Эта идеализация была осуществлена лишь потому, что структура такой модели (топология) схожа с моделью портала-червоточины, но с ней проще работать.
Изображение признака пространства Мизнера
Проснувшись в такой комнате (Вселенной), вы посчитаете, что точно опоздаете на учёбу. Но, чтобы ухудшить ситуацию, стены такого пространства (комнаты) начали двигаться к центру с постоянной скоростью. Если вы не знаете, что делать — то бегите. Вбегая в противоположные стены, вы получите от каждой импульс. Сделав достаточно таких петель, вы успешно достигните околосветовых скоростей, что позволит вам вернуться в прошлое.
Но у такого (пусть даже и идеального) пространства есть свои недостатки. Если на одну из движущихся стен направить луч света, то проходя через стены, он будет набирать энергию до бесконечности, что, конечно, невозможно. Это замечание сделал Стивен Хокинг наряду с тем, что, набрав достаточно энергии, луч света сожмёт пространство из-за своей гравитации.
МАШИНА ВРЕМЕНИ КИПА ТОРНА
Когда в 1985 году американский астроном Карл Саган, который писал научно-фантастический роман, обратился за помощью к физику Кипу Торну, чтобы придумать возможный способ путешествий во времени, последний потряс мир своими новыми решениями уравнений ОТО. Его машина времени уже основывалась на том, что человечеству повезло найти кротовую нору; фактически, его решения совершенствуют червоточины — делают их стабильными, мягкими для путешествий. А реализуется она следующим образом: главная идея такого создания основана на двух явлениях: «отрицательной энергии» и «экзотическом отрицательном веществе». Используя их, вы сможете совершить перемещение по кротовой норе, не боясь горизонтов событий.
Но возникают несколько проблем: во-первых, отрицательной энергии, существование которой физически возможно, существует не так много. На сегодняшний день научному сообществу широко известен лишь один способ её получения, основанный на эффекте Казимира.
Во-вторых, хоть отрицательная энергия и редка, по сравнению с отрицательным веществом её слишком много. Ведь если даже отрицательное вещество и существует, оно бы ещё при рождении Земли уплыло бы в пространстве на огромные расстояния, так как (в отличие от антивещества) такое экзотическое вещество падает вверх.
Однако, имея возможности получить достаточное количество такого вещества и энергии, а также имея в Солнечной системе червоточину, человечество всё-таки смогло бы реализовать путешествие, даже если кротовая нора имеет природу моста Эйнштейна-Розена.
ВРЕМЕННЫЕ ПАРАДОКСЫ
В заключение, стоит поговорить и о проблемах создания и использования машин времени на настоящий момент. Несомненно, человечество не может сгенерировать бесконечный цилиндр; если бы даже в Солнечной системе открылась червоточина (что не зависит от деятельности людей), всё же остались бы некоторые «ограничения» на путешествие во времени – временные парадоксы.
1. Дедушкин парадокс
Связан с уничтожением (намеренным или случайным) своего предка. Это могут быть не только прямые родственники, как, например, отец вашего отца (избавившись от него, вы, вероятнее, избавитесь и от себя), но и, казалось бы, совсем не имеющие ничего общего с людьми животные небольших размеров. Наслаждаясь прекрасным видом мезозойской эры, вы, не задумавшись, можете наступить и истребить всё человечество одним шагом — раздавив его прямого предка, тем самым в корне изменив ход событий.
2. Информационный парадокс
Согласно этому парадоксу, информация не будет иметь начала, так как происходит из будущего. Простой пример — вы создали машину времени и отправляетесь в прошлое, чтобы рассказать её секрет себе юному. В таком случае у этого секрета не будет начала — та машина времени, созданная более юной версией вас, не будет изобретена им самим.
3. Разновидность парадокса Ферми (Fermi paradox)
Парадокс Энрико Ферми состоит из нескольких составляющих. Однако, относительно путешествия во времени была описана ещё и его разновидность: «Если бы путешествия во времени были возможны, тогда где же все гости из будущего?»
Итак, почти все разновидности вышеперечисленных машин времени были описаны лишь благодаря уравнениям теории относительности Альберта Эйнштейна. Когда в двадцатишестилетнем возрасте физик-теоретик выводил их, он и не задумывался, что следующее поколение доведёт их до таких результатов.
(Если вас заинтересовала тема путешествий во времени, то советую подумать над возможным разрешением парадокса Билкера – очередного ограничения на путешествия во времени. Также рекомендую изучить принцип самосогласованности Новикова – изящное разрешение временных парадоксов)
Источник: Каку, Митио Параллельные миры: Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем космоса [пер. с англ. М. Кузнецова]. - М.: Альпина Нон-Фикшн, 2017.