Чи зможемо ми колись подорожувати у часі? Ось що каже фізика
Можливість подорожувати у часі давно захоплює як письменників-фантастів, так і вчених. Але чи зможемо ми колись насправді побудувати таку машину, на якій пірнемо у далеке минуле або майбутнє?
Британський науково-фантастичний телесеріал "Доктор Хто", який триває з перервами з 1963 року, мабуть, одна з найвідоміших історій про подорожі у часі.
Разом із "Машиною часу" Герберта Веллса та культовою кінотрилогією "Назад у майбутнє" серіал досліджує спокуси та парадокси можливості потрапити у минуле чи майбутнє.
Герой серіалу Доктор подорожує у часі на "Тардісі" - вдосконаленому кораблі, який може вирушити будь-куди у часі та просторі. "Тардіс" суперечить нашому розумінню фізичного простору: він більший всередині, ніж здається зовні.
Але чи можливо це у реальному світі? Чи зможемо ми коли-небудь побудувати машину часу і відправитися на ній у далеке минуле або вперед, щоб побачити наших пра-пра-правнуків?
Відповідь на це запитання вимагає розуміння того, як насправді працює час – у чому фізики досі далеко не впевнені. Поки що ми можемо з упевненістю сказати, що подорож у майбутнє досяжна, але подорож у минуле або надзвичайно складна, або абсолютно неможлива.
Почнімо з теорії відносності Альберта Ейнштейна, яка описує простір, час, масу та гравітацію. Основний її висновок полягає у тому, що плин часу не є постійним. Залежно від обставин час може прискорюватися або сповільнюватися.
"Це те, що дає науково обґрунтовану лазівку для подорожі у часі і має реальні наслідки", - каже Емма Осборн, астрофізик з Йоркського університету у Великій Британії.
Наприклад, час уповільнюється, якщо ви переміщуєтеся на дуже високій швидкості, хоча для того, щоб ефект був помітним, вам доведеться наблизитися до швидкості світла.
Це описує відомий парадокс близнюків, коли один із них стає астронавтом і летить у космосі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, а другий залишається на Землі.
Астронавт старітиме повільніше, ніж його близнюк на Землі. Близнюки Скотт і Марк Келлі втілили цей хрестоматійний приклад у реальності. Скотт провів багато місяців у космосі, хоча він і не літав зі швидкістю світла.
Так само час уповільнюється, якщо ви перебуваєте в інтенсивному гравітаційному полі, як-от чорна діра.
"Ваша голова старіє швидше, ніж ваші ноги, тому що гравітація Землі сильніша біля ваших ніг", - каже Емма Осборн.
Це феномен також обіграли у десятому сезоні "Доктора Хто", коли Доктор і його друзі опиняються у пастці на космічному кораблі поблизу чорної діри.
У передній частині корабля, ближче до чорної діри, час тече повільніше, ніж у задній частині. Це означає, що невелика група кіборгів у задній частині корабля здатна перетворитися на величезну армію, з точки зору Доктора, за лічені хвилини.
Цей вплив гравітації на час також зображений у фільмі "Інтерстеллар".
За теорією відносності Альберта Ейнштейна, час може стистнутися, якщо ви подорожуєте з великою швидкістю відносно тих, хто поруч
У нашому повсякденному житті цей ефект надто мізерний, щоб його можна було помітити. Але він впливає на супутники, які ми використовуємо для глобальної системи позиціонування (GPS).
"Годинники вище клацають швидше, ніж годинники на Землі", і їх потрібно постійно регулювати, каже Осборн. "Якби ми цього не робили, карти Google помилялися б приблизно на 10 км щодня".
Відносність означає, що подорожі у майбутнє, принаймні теоретично, можливі.
Нам навіть не потрібна машина часу. Потрібно лише навчитися літати майже зі швидкістю світла або виживати в інтенсивному гравітаційному полі. У теорії відносності ці дві дії по суті еквівалентні.
У кожному випадку для вас мине небагато часу, тоді як для решти світу пройдуть десятиліття чи навіть століття. Якщо ви хочете побачити, що станеться через сотні років, ось так це і можна зробити.
Утім, повернутися назад у часі виглядає значно більш складним завданням.
"Насправді ми точно не знаємо, чи це взагалі можливо, - каже Барак Шошані, фізик-теоретик з Університету Брока в Канаді. - Наших теперішніх знань для цього просто недостатньо".
Теорія відносності пропонує кілька варіантів подорожей у часі назад, але цього разу вони набагато більш гіпотетичні.
Кеті Мак, теоретичний космолог з Інституту теоретичної фізики Периметр у Ватерлоо, Канада.
Один зі способів полягає у тому, щоб створити так звану петлю часу: шлях через простір і час, який обертається назад сам по собі. Людина, яка йде цим шляхом, зрештою опиняється у той самий час і у тому самому місці, звідки вона почала.
Математично такий шлях описав вчений Курт Гедель у дослідженні 1949 року, а потім й інші дослідники.
Однак це не виглядає перспективним з кількох причин.
"Ми не знаємо, чи існує таке десь у Всесвіті, - каже Влатко Ведрал, дослідник квантової фізики з Оксфордського університету. - Це лише гіпотеза, жодних доказів ми не маємо".
"Навіть якби ми мали набагато більші технологічні можливості, ніж зараз, здається малоймовірним, що ми могли б створити замкнені криві часу", - каже Емілі Адлам, філософ з Університету Чепмена в Каліфорнії, США.
"Можливо, нам би це й не сподобалось, адже у такому разі нам довелось би знову і знову повторювати те саме", - каже він.
Доктор використовує схожу схему в одному з епізодів серіалу, коли він проживає ті самі кілька годин знову і знову протягом мільярдів років.
Однак у його випадку це не замкнена крива часу, а радше - багаторазове використання телепорту.
У дослідженні 1991 року фізик Річард Готт виклав математичний опис дивного сценарію, коли дві "космічні струни" рухаються одна повз одну у протилежних напрямках. За його розрахунками, це створило б замкнені часові криві, які обертаються навколо струн.
Лунає зручно, але де взяти пару космічних струн? Це гіпотетичні явища, які, за деякими теоріями, могли сформуватися на дуже ранньому етапі Всесвіту.
Жодних доказів їхнього існування тепер немає.
Є ще одне явище, яке, як здається, допускає теорія відносності - кротовини. Теоретично простір і час можна скласти як аркуш паперу, з?єднавши дві точки на великій відстані. "Кротовини теоретично можливі у загальній теорії відносності", - каже Ведрал.
Утім, і з ними не все просто. По-перше, у нас немає доказів того, що кротовини насправді існують. "Математично їхнє існування доведене, але це не означає, що вони є фізично", - каже Осборн.
Але навіть якщо вони й можливі, час їхнього існування був би дуже коротким.
"Кротовини описують як дві чорні діри, які з’єдналися одна з одною, - каже Осборн. Це означає, що в ній буде неймовірно інтенсивне гравітаційне поле і вона одразу ж розвалиться під дією власної сили тяжіння".
Справжні кротовини також були б мікроскопічно крихітними. Ані людина, ані навіть бактерія не вмістилися б у них.
Якщо теорія відносності описує поведінку великих об’єктів, як-от люди та галактики, квантова механіка описує дуже маленькі – зокрема, частинки менші за атоми, як-от електрони та фотони. У таких мікроскопічних масштабах фізика діє геть не так, як ми могли б припустити інтуїтивно.
Одним із особливих спостережень квантової механіки є явище, яке має назву "нелокальність". Воно полягає у тому, що зміна стану частинки в одному місці може миттєво вплинути на іншу "пов?язану" з нею частинку в іншому місці. Ейнштейн назвав це явище "моторошною дією на відстані".
Воно було неодноразово доведене експериментально у дослідженнях, які отримали Нобелівську премію, каже Емілі Адлам.
"Багатьом фізикам не подобається теорія нелокальності", - каже Адлам. Адже для того, щоб ефект був миттєвим, інформація має передаватися з місця на місце зі швидкістю, вищою за швидкість світла. А це начебто неможливо.
У відповідь деякі фізики запропонували альтернативні способи інтерпретації експериментів. Ці інтерпретації спростовують нелокальність, але при цьому заважають нашому розумінню часу.
"Замість того, щоб отримати миттєвий нелокальний ефект, ви можете відправити свій ефект у майбутнє, а потім у якийсь момент він обернеться та повернеться в минуле", - каже Адлам.
Він здаватиметься миттєвим, але насправді здійснить подорож у майбутнє і назад.
Здається, ця інтерпретація запроваджує поняття "ретрокаузальність", тобто ситуацію, коли події в майбутньому впливають на минуле.
Це суперечить нашій інтуїції: ми уявляємо події, що відбуваються по прямій лінії, від минулого до теперішнього і до майбутнього. Але у цих особливих квантових установках інформація може подорожувати у майбутнє, а потім назад у минуле.
Утім, далеко не всі фізики визнають визнають таке пояснення. Багато хто стверджує, що теорія ретрокаузальності така ж тривожна, як і теорія нелокальності, або навіть гірше.
Навіть якщо ретроказуальність можлива, вона, ймовірно, не допоможе нам стати володарями часу.
"Ретроказуальність - це не зовсім те саме, що подорож у часі", - каже Адлам.
По-перше, усі наші спостереження нелокальності стосуються крихітної кількості частинок. Масштабування до людини чи навіть чогось меншого, як аркуш паперу, було б величезним викликом.
Навіть повідомлення неможливо відправити у минуле, каже Адлам. "Ретроказуальність прихована у способі своєї реалізації".
Щоб зрозуміти це, уявіть експеримент. Припустімо, що Адам проводить вимірювання в лабораторії. Однак результат, який він отримає, залежить від вимірювання, яке Бет зробить пізніше.
Іншими словами, експеримент Бет у майбутньому контролює результат експерименту Адама в минулому. Однак це спрацює лише у тому випадку, якщо експеримент Бет знищить усю інформацію про те, що робив і бачив Адам.
"Ви у певному сенсі посилаєте сигнал у минуле, але при цьому знищуєте всю інформацію про все, що сталося", - каже Адлам.
"Але парадокс у тому, що вам також обов’язково доведеться знищити й інформацію про те, що ви надіслали сигнал".
Отже, згідно з нашим теперішнім розумінням Всесвіту, ми потенційно могли б подорожувати в майбутнє, але минуле точно для нас зачинене.
Єдина лазівка полягає у тому, що теорії, на яких ці висновки ґрунтуються, є неповними.
Теорія відносності та квантова механіка дуже добре працюють для певних аспектів Всесвіту, але вони також несумісні. Це говорить про те, що нам потрібна глибша теорія, яка об’єднує ці дві теорії, але попри десятиліття вкладених зусиль ми й досі її не маємо.
"Поки ми не маємо такої теорії, ми не можемо дати остаточної відповіді", - каже Барак Шошані.