Словарь физика: как отправиться в путешествие во времени

Путешествия во времени воспринимаются не серьезнее, чем плод воображения фантастов. На самом деле, это уникальное явление — прямое выведение уравнений, описывающих физику нашего мира. О том, что может сделать такие путешествия реальностью, — в нашем материале.

17.4K

Выбор редакции

Наш колумнист и физик Дарья Заремба считает, что стремление на практике воплотить идею путешествий во времени в жизнь может поспособствовать научному прогрессу и нестандартным открытиям. Ведь так рождаются экзотические материи, фотонные ракеты и новые свойства астрофизических объектов. Она составила словарь механизмов, которые теоретически могли бы отправить людей в путешествие во времени.

 

В Варп-двигатель

 

Варп-двигатель гипотетическая технология путешествия в будущее, при которой за счет деформации полотна пространства-времени создается эффект движения со скоростью, превышающей скорость света.

 

Представьте себе, что вы лежите на ковре и вам нужно, не перемещаясь, оказаться за его передней границей. Одно из возможных решений скомкать переднюю часть ковра под себя, а затем вытянуть, потянув за заднюю его часть. Примерно так же можно поступить и с «ковром» пространства-времени: по такому принципу работает гипотетический звездолет на варп-двигателе.

 

Он сжимает пространство перед собой и расширяет его позади, создавая иллюзию движения со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света. При этом никаких приливных сил внутри звездолета не будет, а фактическое ускорение будет равно нулю.

 

Экипаж сможет непринужденно потягивать коктейли из соломинки или даже расслабляться в бурлящем джакузи, в то время как звездолет будет бешено «загребать» пространство-время под себя, унося путешественников в недра Галактики.

 

Одной из моделей машин времени, основанной на технологии варп-двигателя, является Пузырь Алькубьерри, названный так в честь своего мексиканского изобретателя Мигеля Алькубьерри.

 

Вся физика путешествия в будущее на таком «агрегате» зиждется на постулатах Специальной теории относительности, которые гласят, что по остановке пузыря экипаж обнаружит внешний мир постаревшим на много лет, потому как для них время внутри пузыря замедлялось.

 

При этом нарушений принципа абсолютности скорости света не будет, ведь в данном случае движение быстрее света заключается не в том, что сам пузырь двигается с такой скоростью, а в том, что пузырь достигнет точки назначения быстрее луча света, двигающегося вне пузыря.

 

Но для создания такого эффекта деформации пространства-времени требуется особая материя, проявляющая нетрадиционные физические свойства «экзотическая материя», которая будет создавать оболочку (пузырь) вокруг звездолета и обеспечивать то самое «загребание» пространства. Пока же прогресса в производстве такой материи не наблюдается, рассуждения о пригодности варп-двигателя на практике довольно ограничены.

 

Словарь физика: как отправиться в путешествие во времени

Теоретический механизм работы варп-двигателя

 

Г Гравитация

 

Гравитация в широком смысле проявление искривления пространства-времени, в узком  сила, притягивающая объекты.

 

Открыть врата в мир «управления времени» помог небезызвестный работник патентного бюро Альберт Эйнштейн. Для этого ему нужно было установить лишь две вещи: первое что пространство и время неразрывно связаны, второе что массивные тела своей массой способны деформировать это пространственно-временное полотно, создавая гравитацию.

 

Другими словами, Эйнштейн доказал, что Земля (как и другие подобные массивные тела), «прогибая» своей массой «батут» пространства (создавая вокруг себя круговые орбиты), вместе с тем искривляет и время, а именно замедляет его ход по мере приближения к поверхности (и глубже).

 

Революционность этой идеи заключалась в том, что время впервые перестало восприниматься абсолютной величиной в классической механике. Было установлено: наручные часы шахтера и скалолаза тикают по-разному (хоть это и незаметно в таких масштабах), брат-близнец, живущий у реки, моложе (опять же, несущественно) своего брата, живущего в доме на горе, а ядро Земли моложе ее поверхности.

 

Таким образом, нашелся способ замедлить «свое» время и тем самым попутешествовать в будущее, приблизившись, к примеру, к телу, масса которого в разы больше массы Земли, а затем вернуться на родную планету и лицезреть мир будущего.

 

Д Дыра черная

 

Черная дыра объект в космосе, который сколлапсировал под действием собственных гравитационных сил до такой степени, что из его гравитационного поля не может выйти даже электромагнитное излучение.

 

Наилучший объект для путешествия в будущее, если вы выбираете гравитационный механизм воздействия на время, — безусловно, черная дыра.

 

Чтобы прокрутить такое путешествие, вам нужно будет отправиться в космос прямо к ней. Спуститься туда на сверхпрочном кабеле, но только так, чтобы не пересечь горизонт событий — границу в черной дыре, за которой следует «спагеттификация» растяжение и разрывание всех попавших туда объектов под влиянием сингулярной гравитации.

 

Пока вы висите в таком положении, время для вас замедляется. При этом совершенно незаметно для вас самих, ведь в вашей системе отсчета замедляется все: метаболизм, биологические часы, биение сердца, движение электронов в атомах и так далее.

 

Но вот если бы вы каким-то чудесным образом могли со своей черной дыры подсмотреть за землянами, то вам казалось бы, что двигаются они с ускоренным в десятки раз темпом! А они, глядя на вас, думали бы, что наблюдают видео с эффектом slow-motion.

 

Таким образом, ваш один день около черной дыры соответствует почти трем годам жизни на Земле (все зависит еще и от того, насколько близко вы приближены к горизонту на нем время останавливается вообще). И когда вы, повисев так немного, вернетесь на свою родную планету, то заметите, что мир достаточно постарел в ваше отсутствие. Вуаля  вы в будущем!

 

Механизм путешествия в будущее через эффект замедления времени около горизонта событий черной дыры. Конусы на изображении <span>—</span> «световые конусы» <span>—</span> гиперповерхность пространства-времени, ограничивающая области будущего и прошлого относительно заданного события. Наклон конуса демонстрирует изменение времени для космонавта. Детальнее о строении светового конуса на изображении ниже:

Механизм путешествия в будущее через эффект замедления времени около горизонта событий черной дыры. Конусы на изображении «световые конусы» гиперповерхность пространства-времени, ограничивающая области будущего и прошлого относительно заданного события. Наклон конуса демонстрирует изменение времени для космонавта. Детальнее о строении светового конуса на изображении ниже:

 

Словарь физика: как отправиться в путешествие во времени

Световой конус

 

Помимо использования в целях «гравитационного замедлителя», вращающиеся черные дыры могут быть полезны и для путешествий в прошлое. Дело в том, что они за счет своего гравитационного поля способны создавать так называемые «замкнутые времениподобные кривые», передвигаясь по которым, путешественник может переместиться назад во времени.

 

Но и на этом «полезность» черных дыр в качестве машин времени не заканчивается. Согласно английскому физику и математику Роджеру Пенроузу, некоторые черные дыры а именно те, которые обладают зарядом либо вращением могут служить «вратами» во вселенные будущего.

 

Согласно диаграмме Пенроуза, за горизонтом событий пространственные координаты меняются местами с временными.

 

Необычность же черных дыр с зарядом либо с моментом вращения заключается в том, что таких горизонтов событий у них должно быть два. Соответственно, дважды будет происходить и замена пространственных и временных координат.

 

Выходит, что, прыгая внутрь такой дыры, космонавт будет преодолевать сначала один горизонт событий  точку невозвратности, а затем второй, за которым последует вселенная будущего. Но такие смельчаки вряд ли найдутся, так что гипотеза остается шаткой.

 

З Замкнутая времениподобная кривая

 

Замкнутая времениподобная кривая — мировая линия (кривая в пространстве-времени, описывающая движение тела) в структуре пространства-времени, которая возвращает объект в событие (точку пространства-времени), которое он уже прошел.

 

ЗВК — одно из математических решений уравнения Общей теории относительности. Именно это физическое явление чаще всего интерпретируется как основной механизм путешествия в прошлое.

 

Согласно гравитационным уравнениям, замкнутая времениподобная кривая может образовываться там, где массивный объект либо мощное гравитационное поле двигается и буквально «тянет» за собой пространство-время. Именно поэтому, к примеру, ЗВК могут создавать лишь вращающиеся черные дыры статическое гравитационное поле не способно их образовать.

 

Двигаясь вдоль ЗВК, объект возвращается в те же пространственные координаты, из которых он вышел, но со временем прибытия до его выхода. То есть фактически совершает путешествие в прошлое.

 

Л Лазер

 

Лазер (от light amplification by stimulated emission of radiation — «усиление света посредством вынужденного излучения») устройство, испускающее интенсивный монохроматичный узкий электромагнитный луч дальнего распространения.

 

В силу своих характеристик, лазерный луч обладает повышенной плотностью энергии, которая может превышать даже плотность энергии ядерного взрыва (при максимальном уменьшении ширины луча).

 

Автор одной из наиболее простых и изысканных в реализации машин времени физик-теоретик Университета Коннектикута Рональд Маллетт.

 

Идея создания такого устройства возникла у профессора еще в раннем детстве, когда его отец неожиданно умер от сердечного приступа в возрасте 33 лет. Профессор неоднократно признавался, что все, чего он добился в области науки, базируется на его бесконечной любви к отцу и желании увидеть его снова.

 

Многие годы Рональд работал над своей моделью машины времени, скрывая это от коллег и «прикрываясь» исследованием черных дыр. И вот в возрасте около 70 лет ему удалось получить желаемый результат.

 

Модель Маллета базируется на энергии лазерного луча. И ее созданию поспособствовало самое знаменитое уравнение Эйнштейна Е = mc2.

 

Из этой легендарной формулы следует, что масса эквивалентна энергии, а значит, пространственно-временное полотно должно искажаться и под влиянием больших энергий.

 

Теперь поговорим об энергии электромагнитного излучения (в узком смысле света). Оно переносится, как известно, посредством фотонов «порций» электромагнитного излучения. Последние же, в свою очередь, обладают энергией, которую можно вычислить по специальной формуле: Е = hv, где h коэффициент пропорциональности (постоянная Планка), а ню  частота фотона.

 

Таким образом, выходит, что пучок света тоже может создать гравитационное поле, так как он обладает энергией. Именно эта мысль и положила начало научным трудам Рональда Маллета.

 

Ученый взял мощный лазерный луч и с помощью системы зеркал заставил его циркулировать по кругу, создав так называемое лазерное кольцо. Идея в том, что пространственно-временное полотно внутри этого кольца искажается, закручиваясь словно водоворот.

 

Примерно то же мы наблюдаем, когда размешиваем ложкой чай. За счет таких «манипуляций», наряду с пространством время внутри кольца смыкается в петлю, что позволяет переместить в прошлое попавшие внутрь объект.

 

Геометрия машины времени Рональда Маллетта

Геометрия машины времени Рональда Маллетта

 

По словам профессора, такой агрегат сможет отсылать в прошлое закодированные сообщения, перенося во времени частицы. Правда, путешествовать такой мэсседж сможет лишь до момента создания этой машины времени: она будет служить одновременно и как передатчик, и как приемник.

 

Таким образом, можно будет, к примеру, предупреждать людей из прошлого о надвигающихся катастрофах. Касаемо же перемещения макрообъектов таким путем здесь ученым придется, что называется, попотеть.

 

Но такая машина времени также не без своих «подводных камней». Так, например, теория подвергалась критике Алленом Эвереттом и Кеном Олумом за неверно выбранную геометрию пространства-времени для образования ожидаемой замкнутой времениподобнй кривой (ЗВК).

 

Ученых также смутили количества необходимой энергии: по их расчетам, для провоцирования ЗВК в пространстве-времени диаметр лазерного кольца должен превышать размеры видимой Вселенной. И хотя Рональд пытался уменьшить требуемые объемы энергии, замедляя световой поток своего лазера, медленные лучи оказались бесполезными в исследовании.

 

О отрицательная энергия

 

Отрицательная энергия одна из разновидностей «экзотической материи» (а точнее «энергии»), получаемая благодаря эффекту Казимира, которая может быть использована для путешествий в прошлое, а также для поддержания кротовых нор.

 

В упрощенном виде «рецепт» по получению такой энергии может быть описан так:

 

Берем две незаряженные металлические платины и помещаем их в вакуум. Сближаем пластины максимально возможно, но так, чтобы они не соприкасались.

 

Наблюдаем притягивание пластин друг к другу. Это происходит от того, что вакуум на самом деле обладает энергией хотя он и не содержит привычные для нас частицы, в нем постоянно возникают и аннигилируют (взаимоуничтожаются) пары виртуальных частиц и античастиц.

 

Такие процессы порождают давление. Но от того, что мы оставили между пластинами крошечную щель, концентрация частиц-античастиц там гораздо меньше, чем в пространстве вокруг. Поэтому более сильное давление извне и начинает сближать пластины.

 

Во время притягивания пластины уменьшают энергию вакуума между ними ниже нормальной нулевой отметки, создавая таким образом пространство с отрицательной энергией.

 

Словарь физика: как отправиться в путешествие во времени

Эффект Казимира

 

Явление возникновения отрицательной энергии вследствие такого эксперимента и называется эффектом Казимира  в честь голландского физика Хендрика Казимира. Такая энергия потенциально может вызвать нужное для путешествия в прошлое искривление пространства-времени.

 

Однако вырабатываемые таким образом количества отрицательной энергии ничтожно малы по сравнению с тем, сколько ее понадобится для должного эффекта деформации. Но, как отмечают ученые, выработка механизма уже неплохое продвижение вперед.

 

Р Релятивистске эффекты

 

Релятивистские эффекты физические явления, наблюдаемые при движении объекта на околосветовых скоростях. Являются объектом изучения в релятивисткой механике, основанной на Специальной теории относительности.

 

Среди всех релятивистских эффектов, таких как увеличение массы, сокращение длины объекта, самым интересным и практичным, с точки зрения использования в путешествиях во времени, является эффект замедления времени.

 

Согласно Специальной теории относительности, для тела, движущегося на скорости, сравнимой со скоростью света, время замедляется относительно покоящихся тел.

 

Эта теория нашла свое экспериментальное подтверждение в 1971 году, когда два отчаянных физика Хафеле и Китинг дважды пролетели вокруг света с четырьмя атомными часами на борту. После приземления они обнаружили, что часы-путешественники действительно отставали от часов, оставшихся в Военно-морской обсерватории США.

 

Как возможность путешествия во времени это может выглядеть следующим образом. Предположим, вы нашли способ разогнаться на космическом корабле до скорости, равной 99,5 процента скорости света. В таком случае добраться до одной из ближайших звезд вы сможете, скажем, за минуту. На Земле же при этом пройдет четыре года.

 

Таким образом, на дорогу туда-обратно вы потратите своего субъективного времени две минуты  из-за эффекта замедления времени в корабле, а когда вернетесь на Землю, обнаружите ее на восемь лет постаревшей.

 

Кстати говоря, благословляйте великого Эйнштейна каждый раз, когда ищете поблизости бургерную в онлайн картах: если бы спутники GPS не учитывали этих скоростных замедлений времени (а двигаются они с орбитальной скоростью 14 000 км/ч), маркер необходимого вам местоположения высвечивался бы с километровой погрешностью.

 

Однако разогнаться до скорости, приближенной к скорости света, задача не из простых. Эйнштейн установил, что скорость света это максимально возможная скорость движения и достичь ее может лишь что-то не имеющее массы. Чем больше масса объекта, тем меньше у него шансов достигнуть околосветовой скорости.

 

Одна из причин этого колоссальное увеличение массы при достижении околосветовых скоростей. Именно поэтому с такой скоростью могут перемещаться, к примеру, фотоны частицы света, не обладающие массой покоя.

 

Хотя сегодня и существуют идеи создания так называемых фотонных ракет (как, например, ракета норвежского профессора Хауга), разгон до подобных скоростей несовместим с жизнью для экипажа из-за чрезмерных перегрузок. Так что пока говорим об этом способе путешествия в будущее лишь в теории.

 

Ч Червоточина

 

Червоточина, или кротовая нора теоретический проход в структуре пространства-времени, который соединяет два отдаленных события (точки пространства-времени) во Вселенной.

 

Кротовые норы это как будто проходимые черные дыры. Они тоже имеют горизонт событий, но только после его прохождения вас не разрывает под влиянием сильной гравитации, а лишь «выплевывает» с обратной стороны, уже в другой точке пространства-времени (главное не перепутать черную дыру с кротовиной, иначе вместо путешествия в другое время вы переместитесь «на тот свет»).

 

Такие входы и выходы называются устьями, а соединяются они горловиной туннелем, проходящим сквозь Вселенную. Кротовая нора может соединять как события прошлого, так и будущего.

 

Есть предположение, что кротовыми норами усыпана вся наша Вселенная. Только вот существуют они в виде «квантовой пены» на невероятно микроскопических уровнях: они во столько же раз меньше атомного ядра, во сколько это ядро меньше планеты Земля (речь идет о так называемой пене пространства-времени Джона Уиллера).

 

И существует гипотеза, что в процессе расширения Вселенной эти микроскопические кротовые норы могли увеличиться до заметных размеров.

 

Также ученые предполагают, что «входным устьем» для некоторых кротовых нор могут быть и черные дыры. По словам известного астрофизика-теоретика и космолога Игоря Новикова, ядра некоторых галактик могут оказаться не сверхмассивными черными дырами, а входом в червоточину.

 

Именно поэтому, как замечает профессор, при поиске кротовых нор следует в первую очередь обращать взоры в центр галактики. По словам ученого, вполне возможно, что некоторые кротовые норы могут соединять события (точки пространства-времени) двух различных вселенных.

 

Однако проблема червоточины состоит в том, что она схлопывается раньше, чем через нее что-либо успеет пройти. И для чтобы сделать кротовую нору проходимой и более-менее стабильной, необходимо поле с отрицательной плотностью энергии, которое будет держать ее устья в открытом состоянии.

 

Антигравитация, создаваемая такой материей, будет действовать против сил тяготения («сжимания») кротовины, и таким образом можно будет заставить ее держаться дольше в проходимом состоянии, а вместе с тем  и увеличить ее размеры.

 

Популярный американский физик и астроном Кип Торн предложил механизм поддержания кротовой норы с помощью размещения параллельных проводящих пластин по разные стороны от нее.

 

Это, согласно эффекту Казимира, создаст с обеих сторон отрицательную энергию, которая не даст норе схлопнуться. В то же время под действием отрицательной энергии кротовина будет расширяться, что очень кстати, если вы привыкли путешествовать во времени на внушительных размеров космическом корабле (продолжив гипотезу Торна, астрофизик из Кембриджского университета Люк Бутчер предложил более действенный способ создания отрицательной энергии внутри кротовой норы, генерируя ее самой червоточиной, без использования пластин).

 

Однако количества этой отрицательной энергии для поддержания кротовой норы должны быть огромными. В то же время расчеты показывают, что это количество имеет свой лимит, что немного утешает фантастов.

 

Словарь физика: как отправиться в путешествие во времени

Словарь физика: как отправиться в путешествие во времени

Моделирование Кипом Торном внешнего вида устья кротовой норы в зависимости от ее длины и линзирования

 

Э Экзотическая материя

 

Экзотическая материя — материя, которая так или иначе отличается от классической и обладает «экзотическими» свойствами. Такой будет считаться материя, обладающая отрицательной массой, либо способная перемещаться со сверхсветовой скоростью, либо же состоящая из частиц, отличных от привычных нам барионов (то есть протонов и нейтронов) как темная материя, например.

 

В теории путешествий во времени экзотическая материя играет одну из ключевых ролей для реализации перемещения в прошлое. Теоретики твердят, что в случае создания либо обнаружения экзотического вещества, которое сможет деформировать пространство-время нетрадиционным способом, в структуре пространственно-временного континуума может образоваться временная петля, подходящая для перемещения назад во времени.

 

Об этом говорит, к примеру, автор одной из наиболее точных математических моделей машины времени Traversable acausal retrograde domains in spacetime (TARDIS) канадский математик и физик Бен Типпет:

 

«Эффект кривизны пространства-времени, с которым мы больше всего знакомы, это сила тяжести: она тянет нас к центру Земли, а планеты к Солнцу.

 

Но в теории Эйнштейна кривизна пространства-времени может генерировать гораздо больше разнообразных эффектов: вращающиеся массивные тела тянут близлежащие объекты в направлении их вращения; Вселенная ускоренно расширяется; массивные объекты могут вызывать гравитационные волны, измеренные недавно обсерваторией Ligo», отмечает ученый.

 

По его словам, теория Эйнштейна позволяет связать разные типы искривления пространства-времени с разным характером задействованной при этом материи. «Наша геометрия пространства-времени была спроектирована так, чтобы позволить перемещение во времени, и уравнение Эйнштейна сообщает нам тип материи, которая своим весом будет изгибать вселенную таким образом: в частности, речь идет об экзотической материи».

 

Так, согласно модели Типпета, машина времени должна представлять собой что-то вроде «коробки» (физически осязаемой конструкции), окруженной экзотической материей.

 

Причем «экзотичность» этой материи должна придавать отрицательная плотность энергии: иными словами, она должна создавать что-то наподобие антигравитационного поля и искривлять пространство-время непривычным для нас способом  так, чтобы прямая времени сомкнулась в кольцо, образовав замкнутую времениподобную кривую.

 

Словарь физика: как отправиться в путешествие во времени

Схема перемещения TARDIS Бена Типпета в пространстве-времени вдоль замкнутой времениподобной кривой

 

«Достаточно распределить ее по внешней стороне «машины», и Вселенная будет изгибаться желательным образом в ответ на ее присутствие»,  поясняет Бен.

 

Все вычисления, доказывающие возможность создания такой машины времени, Бен представил в своей статье, опубликованной 31 марта 2017 года в журнале Classical and Quantum Gravity.

 

Экзотическая материя с антигравитационными свойствами необходима и для поддержания проходимости кротовых нор. На сегодня самой подходящей разновидностью экзотической материи считается отрицательная энергия, выработанная вследствие эффекта Казимира.

 

Путешествия во времени уже кажутся вам не такой фантастикой? В следующем материале Дарьи Зарембы читайте о том, что мешает человечеству предаться мечтам об этих перемещениях, — об опровергающих мысленных экспериментах, парадоксах путешествий в прошлое и их решениях.

Naked Science Facebook VK Twitter
17.4K
Комментарии
Вчера
Даже если он переместиться в прошлое и затронет чью-...
15 июл
Над загадкой женственности много мудрило голов всех...

Колумнисты

Физтех
137Статей
Сколтех
58Статей
Discovery Channel
38Статей
ТюмГУ
25Статей
СФУ
14Статей
Комментарии

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку