Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материала

Подобный материал:

1 ... 48 49 50 51 52 53 54 55 ... 66

Факт, что никто не показал, что законы физики абсолютно исключают направленное в прошлое путешествие во времени. Напротив, некоторые физики даже выложили гипотетические инструкции, как цивилизация с неограниченным технологическим ресурсом, оперируя полностью в пределах известных законов физики, может продвинуться к построению машины времени (когда мы говорим о машине времени, мы всегда имеем в виду нечто, что в состоянии перемещаться как в будущее, так и в прошлое). Предложения не имеют ничего общего с крутящейся штуковиной, описанной Гербертом Уэллсом, или ДеЛореном, усовершенствованным Доком Брауном в фильме "Назад в будущее". И все конструктивные элементы доводятся почти вплоть до ограничений известной физики, приводя многих исследователей к подозрению, что с последующими усовершенствованиями в нашем понимании законов природы существующие и будущие предложения для машин времени будут считаться за пределами того, что физически возможно. Но на сегодняшний день это подозрение основывается на хороших ощущениях и убедительной очевидности, но не на твердом доказательстве.

Сам Эйнштейн во время десятилетия интенсивных исследований, приведших к публикации ОТО, обдумывал вопрос о путешествии в прошлое.[10] Откровенно говоря, было бы странно, если бы он этого не делал. Поскольку его радикальная переработка пространства и времени отбросила долго признававшиеся догмы, всегда существовал вопрос, насколько далеко этот переворот зайдет. Какие свойства, если это имеет место, привычного, повседневного, интуитивного времени уцелеют? Эйнштейн почти никогда не писал о проблеме путешествия во времени, поскольку, по его собственной оценке, он никогда не получал тут ощутимых результатов. Но за десятилетия, следующие за появлением его статьи по ОТО, медленно, но верно другие физики достигли прогресса.

Среди самых ранних статей по ОТО, имевших отношение к машинам времени, были написанные в 1937 шотландским физиком B. ван Стокумом[11] и в 1949 коллегой Эйнштейна по Институту Перспективных Исследований Куртом Годелем. Ван Стокум изучал гипотетическую задачу в ОТО, в которой очень плотный и бесконечно длинный цилиндр приводится во вращательное движение относительно его (бесконечно) длинной оси. Хотя бесконечный цилиндр физически нереалистичен, анализ ван Стокума привел к интересному открытию. Как мы видели в Главе 14, массивные вращающиеся объекты утаскивают за собой пространство в воронкоподобный "водоворот". В этом случае "водоворот" столь существенен, что, как показывает математический анализ, не только пространство, но также и время будет захватываться воронкой. Грубо говоря, вращение поворачивает направление времени в свою сторону, так что циклическое вращение вокруг цилиндра приведет вас в прошлое. Если ваш ракетный корабль делает круг вокруг цилиндра, вы можете вернуться в вашу стартовую точку в пространстве до того, как вы отправились в свое путешествие. Определенно, никто не может построить бесконечно длинный вращающийся цилиндр, но эта работа была одним из первых указаний, что ОТО может не препятствовать путешествию во времени в прошлое.

Статья Годеля также изучала ситуацию, содержащую вращательное движение. Но вместо того, чтобы сфокусироваться на объекте, вращающемся внутри пространства, Годель изучил, что произойдет, если все пространство приведено во вращательное движение. Мах посчитал бы это бессмысленным. Если целая вселенная вращается, тогда нет ничего, по отношению к чему это обозначенное вращение происходит. Мах заключил бы, что вращающаяся вселенная и стационарная вселенная есть одно и то же. Но это представляет собой другой пример, в котором ОТО отказывается от полного совпадения с реляционистской концепцией пространства Маха. В соответствии с ОТО имеет смысл говорить о вращении целой вселенной, и с этой возможностью появляются простые наблюдаемые последствия. Например, если вы выстрелите лазерным лучом во вращающейся вселенной, ОТО показывает, что он будет путешествовать вдоль спиральной траектории, а не прямой линии (отчасти похожий путь вы увидели бы, отслеживая медленно движущуюся пулю, если вы выстрелили из игрушечного пистолета вверх, в то время как вы едете на карусели). Удивительным свойством анализа Годеля было обнаружение, что если ваш ракетный корабль следовал бы подходящей траектории во вращающейся вселенной, вы также смогли бы вернуться на ваше исходное место в пространстве до того времени, когда вы отбыли. Вращающаяся вселенная, таким образом, сама будет являться машиной времени.

Эйнштейн поздравил Годеля за его открытие, но предположил, что дальнейшие исследования могут показать, что решения уравнений ОТО, позволяющие путешествие в прошлое, не сойдутся с другими существенными физическими требованиями, делая их не более, чем математическими курьезами. По следам решения Годеля все более точные наблюдения минимизировали прямое значение его работы, установив, что наша вселенная не вращается. Но ван Стокум и Годель выпустили джинна из бутылки; в течение пары десятилетий было найдено еще больше решений уравнений Эйнштейна, позволяющих путешествие во времени в прошлое.

В последние десятилетия интерес к построению гипотетической машины времени был возобновлен. В 1970 Фрэнк Типлер заново проанализировал и обновил решение ван Стокума, а в 1991 Ричард Готт из Принстонского университета открыл другой метод построения машины времени с использованием так называемых космических струн (гипотетических бесконечно длинных нитеобразных остатков фазовых переходов в ранней вселенной). Все это были важные вклады в вопрос, но предложение, которое проще всего описать с использованием концепций, которые мы разрабатывали в предыдущих главах, было найдено Кипом Томе и его студентами в Калифорнийском Технологическом Институте. Они использовали червоточины (они же кротовые норы).

Проект машины времени на червоточине

Я сначала изложу основную стратегию конструирования машины времени на червоточине, предложенную Томе, а в следующей секции обсужу трудности, которые встанут перед любым подрядчиком Томе, который может наняться для выполнения его плана.

Червоточина является гипотетическим туннелем сквозь пространство. Более привычный вид туннеля, подобный тому, что просверлен через склон горы, обеспечивает короткий путь от одного места к другому. Червоточины выполняют аналогичную функцию, но они отличаются от обычных туннелей в одном важном аспекте. Тогда как обычные туннели обеспечивают новый путь через существующее пространство, – гора и пространство, которое она занимает, существуют перед конструированием туннеля, – червоточина обеспечивает туннель от одной точки пространства до другой вдоль новой, ранее не существовавшей трубы пространства. Когда вы удаляете туннель сквозь гору, пространство, которое он занимал, все еще будет существовать. Когда вы удаляете червоточину, пространство, которое она занимала, исчезнет.

Рис. 15.2а иллюстрирует червоточину, соединяющую универмаг "Квик-Е-Март" и Спрингфилдскую атомную электростанцию, но рисунок вводит в заблуждение, поскольку червоточина выглядит как протянувшаяся через воздушное пространство Спрингфилда. Более точно, червоточина должна мыслиться как новая область пространства, которая стыкуется с обычным, привычным пространством только в ее концах – ее входных отверстиях. Если во время прогулки по Спрингфилду вы просматриваете небеса в поиске червоточины, вы ее не увидите. Единственный способ увидеть червоточину будет забежать в "Квик-Е-Март", где вы найдете ее начало в обычном пространстве – одно входное отверстие червоточины. Посмотрев через начало, вы увидите внутренность атомной электростанции в местоположении второго входного отверстия, как на Рис. 15.2b. Другое, вводящее в заблуждение свойство Рис. 15.2а, то, что червоточина не выглядит как короткий путь. Мы можем зафиксировать это путем модификации рисунка, как на Рис. 15.3. Как вы можете видеть, обычный путь от атомной электростанции до "Квик-Е-Марта" в самом деле длиннее, чем новый пространственный проход через червоточину. Искривления на Рис. 15.3 отражают трудности в рисовании геометрии ОТО на странице, но рисунок дает интуитивное представление о новой связи, которую обеспечивает червоточина.

(а) (b)

Рис 15.2 (а) Червоточина, протянутая от Квик-Е-Марта к атомной электростанции. (b) Вид через червоточину, открывающийся от входного отверстия в Квик-Е-Марте ко входному отверстию в атомной электростанции.

Рис 15.3 Геометрия, которая более ясно показывает, что червоточина является коротким путем. (Входное отверстие червоточины на самом деле внутри Квик-Е-Марта и атомной электростанции, хотя это тяжело показать в таком представлении).

Никто не знает, существуют ли червоточины, но много десятилетий назад физики установили, что они допускаются математикой ОТО, так что являются честной игрой в теоретическом исследовании. В 1950е Джон Уилер с сотрудниками был среди первых исследователей по изучению червоточин, и он открыл многое из их фундаментальных математических свойств. Более недавно, однако, Томе и его соратники обнаружили полное богатство свойств червоточин путем осознания, что они не только могут обеспечивать короткие пути через пространство, они могут также обеспечивать короткие пути сквозь время.

Идея такова. Представим, что Барт и Лиза стоят на противоположных концах Спригфилдсовской червоточины, – Барт на электростанции, Лиза в "Квик-Е-Марте", – лениво переговариваясь друг с другом о том, что подарить Гомеру к его дню рождения, когда Барт принимает решение предпринять короткую трансгалактическую экскурсию (чтобы принести Гомеру немного любимых им андромедянских рыбных палочек). Лиза не любительница поездок, но, так как она всегда хотела посмотреть на Андромеду, она уговаривает Барта перенастроить его входное отверстие червоточины на его корабль и взять его с собой, так что она сможет видеть, что происходит. Вы можете подумать, что это значит, что Барт будет растягивать червоточину до большей длины, в то время как будет продолжаться его путешествие, но это предполагало бы, что червоточина соединяет "Квик-Е-Март" и корабль Барта через обычное пространство. Это не так. И, как проиллюстрировано на Рис. 15.4, благодаря чудесам геометрии ОТО длина червоточины может оставаться фиксированной во время всего вояжа. Это ключевой момент. Даже если ракета Барта достигнет Андромеды, его удаление от Лизы через червоточину не изменится. Этим проясняется роль червоточины как короткого пути сквозь пространство.

Для определенности скажем, что Барт ограничивается 99,999999999999999999 процентами от скорости света и путешествует четыре часа, направляясь к Андромеде, все это время продолжая общаться с Лизой через червоточину, точно так же, как они это делали перед полетом. Когда корабль достигает Андромеды, Лиза просит Барта замолчать, чтобы она смогла рассмотреть вид без помех. Она раздражена его настойчивым желанием быстро своровать бутерброды с рыбными палочками, улететь и отправиться назад в Спрингфилд, но соглашается поддерживать связь до возвращения. Четырьмя часами и несколькими дюжинами раундов в крестики-нолики позже Барт благополучно опускает свой корабль на лужайке Спрингфилдсовского университета.

(с) Рис 15.4 (а) Червоточина, соединяющая Квик-Е-Март и атомную электростанцию, (b) Нижнее отверстие червоточины перенесено (из атомной электростанции) во внешнее пространство (на пространственный корабль, здесь не показанный), (с) Отверстие червоточины достигает галактики Андромеда; другое отверстие все еще находится в Квик-Е-Марте. Длина червоточины неизменна на протяжении всего путешествия.

Однако, когда он выглядывает в окно корабля, он слегка приходит в шок. Здания выглядят полностью другими, а информационное табло, плавающее высоко над роллербольным стадионом, выдает дату около 6 миллионов лет после его отбытия. "Круто!?!", говорит он сам себе, но моментом позже все становится ясно. СТО, которую он вспоминает из задушевной беседы, которую он недавно имел с Неудачником Бобом (еще один персонаж сериала о Симпсонах, злейший враг Барта), гарантирует, что чем быстрее вы движетесь, тем медленнее тикают ваши часы. Если вы отправляетесь в пространство с высокой скоростью, а затем возвращаетесь, то на борту вашего корабля может пройти только несколько часов, тогда как тысячи или миллионы лет, если не больше, протекут в соответствии с часами у кого-то стационарного. Короткий расчет подтверждает Барту, что при скорости, с которой он путешествовал, восемь часов, истекших на корабле, означают 6 миллионов лет, прошедших на Земле. Данные на информационном табло верны; Барт осознает, что он оказался далеко в земном будущем.

"...Барт! Алло, Барт!" – кричит Лиза из червоточины. – "Ты меня слышишь? Не переношу его. Я хочу ненадолго пойти домой пообедать". Барт смотрит в его входное отверстие червоточины и говорит Лизе, что он уже приземлился на лужайке Спрингфилдсовского университета. Поглядев более внимательно через червоточину, Лиза видит, что Барт говорит правду, но взглянув от "Квик-Е-Марта" в направлении Спрингфилдсовского университета, она не видит его корабля на лужайке. "Я ничего не понимаю", – говорит она.

"На самом деле это имеет точный смысл," – заносчиво отвечает Барт. – "Я приземлился у Спрингфилдсовского университета, но на 6 миллионов лет в будущем. Ты не можешь видеть меня, глядя из окна "Квик-Е-Марта", поскольку ты смотришь на правильное место, но ты не смотришь в правильное время. Ты смотришь на 6 миллионов лет раньше".

"О, ладно, это эффект СТО расширения времени," – соглашается Лиза. – "Круто. Но все равно, я хочу пойти домой пообедать, так что пролезай через червоточину, поскольку мы проголодались". "О"кей", – говорит Барт, проползая через червоточину. Он покупает пончик у Апу (хозяина супермаркета "Квик-Е-Март"), и они с Лизой направляются к дому.

Отметим, что хотя прохождение Барта через червоточину заняло у него момент, оно переместило его на 6 миллионов лет назад во времени. Он, и его корабль и входное отверстие червоточины приземлились в далеком будущем Земли. Если бы он осмотрелся, поговорил с людьми и ознакомился с новостями, все бы подтвердило этот факт. И еще, когда он прошел через червоточину и объединился с Лизой, он переместился назад в настоящее. То же самое было бы верно для любого другого, кто смог бы последовать за Бартом через входное отверстие червоточины: он также переместился бы на 6 миллионов лет назад во времени. Аналогично, любой, кто пролез бы через входное отверстие червоточины в "Квик-Е-Марте" и вылез бы из входного отверстия, оставленного Бартом в его корабле, переместился бы на 6 миллионов лет в будущее. Важный момент, что Барт не просто взял одно из входных отверстий червоточины в путешествие через пространство. Его путешествие также переместило входное отверстие червоточины через время. Путешествие Барта привело его и входное отверстие червоточины в будущее Земли. Короче, Барт преобразовал туннель сквозь пространство в туннель сквозь время; он переделал червоточину в машину времени.

Грубый способ визуализировать, что произошло, изображен на Рис. 15.5. На Рис. 15.5а мы видим червоточину, соединяющую одно пространственное место с другим, причем конфигурация червоточины нарисована так, чтобы подчеркнуть, что она лежит вне обычного пространства. На Рис. 15.5b мы показали эволюцию этой червоточины во времени, предполагая, что оба ее входных отверстия остаются стационарными. (Временные сечения те же самые, что и у стационарного наблюдателя). На Рис. 15.5с мы показали, что произойдет, когда одно из входных отверстий червоточины будет погружено в пространственный корабль и отправлено в путешествие по замкнутому маршруту. Время для движущегося входного отверстия, так же как время для движущихся часов, замедляется, так что движущееся входное отверстие перемещается в будущее. (Если один час истекает по движущимся часам, но тысяча лет проходит по стационарным часам, движущиеся часы будут перепрыгивать в будущее стационарных часов). Таким образом, вместо стационарного соединения входного отверстия червоточины через туннель червоточины с другим входным отверстием на том же самом временном сечении, она соединяет с входным отверстием на будущем временном сечении, как показано на Рис. 15.5с. Безотносительно к тому, как входные концы червоточины движутся дальше, разница во времени между ними остается фиксированной. В любой момент, если вы войдете в одно входное отверстие и выйдете из другого, вы станете путешественником во времени.

Построение машины времени на червоточине

Один план простроения машины времени теперь понятен. Этап 1: находим или создаем червоточину, достаточно широкую, чтобы в нее прошли вы или любой, кого вы хотите послать сквозь время. Этап 2: устанавливаем временное различие между входными отверстиями червоточины – скажем, путем движения одного отверстия относительно другого. Вот и все. В принципе.

(с) Рис 15.5 (а) Червоточина, созданная в некоторый момент времени, соединяет одно место в пространстве с другим, (b). Если входное отверстие червоточины не движется относительно другого входного отверстия, они "перемещаются" сквозь время в одном и том же темпе, так что туннель соединяет две области в одно и то же время, (с) Если одно входное отверстие червоточины отправляется в путешествие по замкнутому маршруту (не показано), для этого входного отверстия протечет меньше времени, а потому туннель будет соединять две области пространства в различные моменты времени. Червоточина станет машиной времени.

Как насчет практики? Ну, как я упоминал в начале, никто не знает, даже существуют ли червоточины. Некоторые физики предполагали, что мельчайшие червоточины могут быть в изобилии в мельчайшей структуре пространственной ткани, постоянно воспроизводясь квантовыми флуктуациями гравитационного поля. Если так, пробема будет в увеличении их до макроскопического размера. Предложения, как это могло бы быть сделано, делались, но они находятся просто за пределами теоретических полетов фантазии. Другие физики воображали создание больших червоточин как инженерный проект по прикладной ОТО. Мы знаем, что пространство реагирует на распределение материи и энергии, так что при достаточном контроле над материей и энергией мы могли бы заставить область пространства породить червоточину. Этот подход представляет дополнительные трудности, поскольку точно так же, как мы должны проделать дырку в склоне горы, чтобы создать входное отверстие туннеля, мы должны проделать дырку в ткани пространства, чтобы создать входное отверстие червоточины.[12] Никто не знает, позволяются ли такие дырки в пространстве законами физики. Работа, к которой я имел отношение в теории струн (см. страницу 386), показала, что определенные виды пространственных дыр возможны, но до настоящего момента мы не имеем идей, могут ли эти разрезы быть пригодными для создания червоточин. Подводя черту, видим, что преднамеренное овладение макроскопическими червоточинами является фантазией, которая, в лучшем случае, предполагает очень долгий путь до реализации.

Более того, даже если мы как-то умудримся получить в наши руки макроскопическую червоточину, мы ничего не сможем сделать; мы все еще будем стоять перед парой существенных препятствий. Первое, в 1960х Уилер и Роберт Фуллер показали с использованием уравнений ОТО, что червоточины нестабильны. Их стенки имеют тенденцию схлопываться внутрь за долю секунды, что уничтожает из пригодность как средства путешествия. Однако, совсем недавно физики (включая Томе и Морриса, а также Мэтта Виссера) нашли, что есть потенциальный путь, обходящий проблему коллапса. Если червоточина не пуста, а напротив, содержит материал, – так называемую экзотическую материю, – которая может оказать расталкивающее давление на ее стенки, тогда может быть возможным удержать червоточину открытой и стабильной. Хотя это и похоже по своему эффекту на космологическую константу, экзотическая материя будет генерировать расталкивающую вовне отрицательную гравитацию посредством имеющейся у нее отрицательной энергии (а не просто отрицательного давления, характеризующего космологическую константу[13]). При в высшей степени специальных условиях квантовая механика допускает отрицательную энергию,[14] но монументальной проблемой будет сгенерировать достаточно экзотической материи, чтобы удержать макроскопическую червоточину открытой. (Например, Виссер рассчитал, что количество отрицательной энергии, необходимой для поддержания открытой червоточины в метр шириной грубо равно величине полной энергии, производимой Солнцем примерно за 10 миллионов лет.[15])

Второе, даже если мы каким-то образом найдем или создадим макроскопическую червоточину, и даже если мы как-то будем в состоянии удержать ее стенки от немедленного схлопывания, и даже если мы сможем индуцировать разницу времен между входными отверстиями червоточины (скажем, через круговой полет одного из входных отверстий с высокой скоростью), останется другая сложность овладевания машиной времени. Большое число физиков, включая Стивена Хокинга, подняли вопрос о возможности того, что вакуумные флуктуации – дрожания, возникающие из-за квантовой неопределенности, испытываемые всеми полями даже в пустом пространстве, обсужденные в Главе 12, - могут разрушить червоточину точно так же, как это может сказаться на положении, где окажется машина времени. Причина в том, что уже в момент, когда путешествие во времени через червоточину станет возможным, может вступить в игру разрушительный механизм обратной связи, чем-то похожий на визгливый шум, генерируемый, когда уровни микрофона и говорящего в звуковой системе не урегулированы должным образом. Вакуумные флуктуации из будущего могут проникнуть через червоточину в прошлое, где они затем могут распространиться через обычное пространство и время в будущее, войти в червоточину и пропутешествовать назад в прошлое снова, создавая бесконечный цикл через червоточину и наполняя ее все возрастающей энергией. Вероятно, такое интенсивное возрастание энергии разрушит червоточину. Теоретические расчеты подтверждают, что это реальная возможность, но необходимые расчеты находятся на пределе нашего текущего понимания ОТО – и квантовой механики в искривленном пространстве-времени, – так что пока здесь нет убедительного доказательства.

Blog

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности