Путешествия во времени: игровая площадка для физиков

Пожалуй, можно сказать, что больше остальных отличился в математических джунглях черных дыр и машин времени космолог Стивен Хокинг. В отличие от других знатоков относительности, которые, как правило, еще в раннем возрасте проявляют себя в математической физике, Хокинг в юности не был выдающимся студентом. Было очевидно, что он чрезвычайно умен, но преподаватели часто замечали, что он не всегда сосредоточен на занятиях и не работает в полную силу. Поворотным для Хокинга стал 1962 г.; после окончания Оксфорда молодой физик впервые начал замечать у себя симптомы амиотрофического латерального склероза (ALS, или болезнь Лу Герига). Он был потрясен известием о том, что страдает неизлечимым нейродегенеративным заболеванием, которое лишит его всех двигательных функций и, скорее всего, быстро убьет. Можно представить себе, как расстроила молодого человека эта новость. Какой смысл получать степень доктора философии, если все равно скоро умрешь?

Но чуть позже, преодолев первый шок, Хокинг сосредоточился на работе — может быть, первый раз в жизни. Поняв, что времени у него немного, он предпринял яростную атаку на некоторые самые сложные проблемы общей теории относительности. В начале 1970-х гг. Хокинг опубликовал знаковую серию научных работ и в них показал, что сингулярности в теории Эйнштейна (точки, где гравитационное поле становится бесконечным, как, например, происходит в центре черной дыры или происходило в момент Большого взрыва) являются существенной частью релятивистской картины мира и не могут быть просто так сброшены со счетов (как полагал сам Эйнштейн). В 1974 г. Хокинг также доказал, что черные дыры, вообще говоря, не совсем черные; они потихоньку излучают то, что сейчас называют излучением Хокинга, потому что излучение способно просочиться даже через гравитационное поле черной дыры. Эта работа стала первой серьезной попыткой применить квантовую теорию к теории относительности, и это самая известная работа Хокинга.

Как и предсказывали врачи, ALS постепенно вызвал у Хокинга паралич рук, ног и даже голосовых связок, но все происходило гораздо медленнее, чем они думали первоначально. В результате он пережил уже многих нормальных людей, стал отцом троих детей (а теперь уже и дедом), в 1991 г. развелся со своей первой женой, через четыре года женился на жене человека, который сконструировал для него голосовой синтезатор, а в 2006 г. подал на развод и с этой женой. В 2007 г. Стивен снова попал на первые полосы газет — он стал пассажиром специального реактивного самолета и побывал в невесомости, исполнив таким образом давнюю мечту. Его следующая цель — побывать в космосе.

Сегодня Хокинг почти полностью парализован, передвигается в инвалидном кресле и общается с внешним миром посредством движения глаз. Но даже в таком бедственном состоянии он умудряется шутить, пишет научные работы, читает лекции и участвует в дискуссиях. Одними глазами он выдает больше научных результатов, чем целые команды ученых, вполне владеющих своими телами. (Его коллега по Кембриджскому университету сэр Мартин Рис, которого королева назначила Королевским астрономом, как-то признался мне, что болезнь не позволяет Хокингу заниматься скучными математическими расчетами, необходимыми в большой науке. Поэтому вместо этого он сосредоточивается на генерации новых свежих идей, а расчетами могут заниматься и его студенты.)

В 1990 г. Хокинг ознакомился с работами коллег, в которых предлагались всевозможные версии машины времени, и отнесся к ним очень критически. Интуиция подсказывала ему, что путешествия во времени невозможны, — иначе почему мы не встречаем у себя туристов из будущего? Если бы съездить куда-нибудь в прошлое было бы так же просто, как устроить воскресный пикник в парке, мы каждый день встречали бы на улицах гостей из будущего, а они приставали бы к нам с просьбами сфотографироваться с ними для семейного альбома.

И Хокинг бросил миру физики вызов. Он заявил: должен существовать закон, запрещающий путешествия во времени. Иначе говоря, он предложил «гипотезу о защите хронологии», которая исключила бы путешествия во времени на основании законов природы и «сохранила историю для историков».

Но произошло неожиданное. Как они ни старались, физики не могли отыскать закон, который прямо запрещал бы путешествия во времени. По всей видимости, они ни в чем не противоречат известным законам природы. Сам Хокинг, также не в состоянии выявить запрет, не так давно изменил свое мнение. Он снова попал в заголовки газет, заявив: «Если путешествия во времени и возможны, то они неосуществимы».

Да, если прежде путешествия во времени рассматривались в лучшем случае как околонаучная тема, то теперь они внезапно превратились в любимую игрушку физиков-теоретиков. Физик Кип Торн из Калифорнийского технологического института пишет: «Когда-то путешествия во времени были исключительной прерогативой писателей-фантастов. Серьезные ученые избегали их как чумы — даже когда писали под псевдонимом романы или тайком читали их. Как изменились времена! Теперь в серьезных научных журналах можно обнаружить ученый анализ путешествий во времени, принадлежащий перу выдающихся физиков-теоретиков... Откуда такая перемена? Просто мы, физики, поняли, что природа времени — слишком важная тема, чтобы отдавать ее на откуп писателям-фантастам».

Причина всей этой суеты и путаницы в том, что уравнения Эйнштейна допускают существование множества разных типов машины времени. (Правда, пока неясно, устоят ли они перед проверкой при помощи квантовой теории.) Более того, в теории Эйнштейна мы часто встречаем нечто под названием «замкнутая времяподобная кривая»; это технический термин для путей, которые позволяют путешествия в прошлое. Если следовать вдоль замкнутой времяподобной кривой, то можно вернуться из путешествия раньше, чем мы в него отправились.

Первый тип машины времени предусматривает использование кротовых нор. Уравнения Эйнштейна имеют немало решений, соединяющих две удаленные точки пространства. Но поскольку время и пространство в теории Эйнштейна тесно переплетены, эта же кротовая нора может и соединять две точки во времени. Упав в кротовую нору, можно переместиться (по крайней мере, математически) в прошлое. Вроде бы после этого можно вновь переместиться в первоначальную точку и встретить там самого себя перед стартом. Но, как мы уже упоминали в предыдущей главе, кротовая нора в центре черной дыры — это дорога в один конец. «Не думаю, что вопрос в том, может ли человек, находясь в черной дыре, попасть в прошлое, — говорит физик Ричард Готт. — Вопрос в том, сможет ли он выбраться оттуда, чтобы похвастаться».

Другая машина времени может «работать» во вращающейся Вселенной. В 1949 г. знаменитый математик Курт Гёдель нашел первое решение уравнений Эйнштейна, имеющее отношение к путешествиям во времени. Если Вселенная вращается, то, обогнув ее достаточно быстро, можно оказаться в прошлом и попасть в точку старта раньше, чем вы оттуда отправились. Получается, что путешествие вокруг Вселенной одновременно является путешествием назад во времени. Когда в Институте перспективных исследований появлялись астрономы, Гёдель часто спрашивал, имеются ли у них доказательства того, что Вселенная вращается. К его разочарованию, те отвечали, что Вселенная точно расширяется, но вот суммарный спин Вселенной, вероятно, равен нулю. (В противном случае путешествия во времени, возможно, стали бы привычными, а история в том виде, в каком мы ее знаем, перестала бы существовать.)

Третий вариант: если вы будете двигаться вокруг бесконечно длинного вращающегося цилиндра, вы тоже, возможно, вернетесь раньше, чем отправились в путь. (Это решение Биллем ван Стокум нашел в 1936 г., раньше Гёделя, но автор, по-видимому, не подозревал, что его решение позволяет путешествовать во времени,) Здесь получается, что если как следует поплясать вокруг шеста с лентами на майском празднике, то можно ненароком оказаться в предыдущем апреле. (Проблема, однако, заключается в том, что цилиндр должен быть бесконечным и вращаться так быстро, что большинство материалов не выдержит и разлетится на кусочки.)

Последний на данный момент вариант путешествий во времени обнаружил в 1991 г. Ричард Готт из Принстона. Его решение основывается на обнаружении в пространстве гигантских космических струн (возможно, оставшихся со времен Большого взрыва). Допустим, предположил он, что две такие космические струны собираются столкнуться. Так вот, если быстро обогнуть эти струны в момент столкновения, попадешь в прошлое. Достоинством этого типа машины времени является то, что вам не потребуются бесконечные вращающиеся цилиндры, вращающаяся Вселенная или даже черные дыры. Проблема, однако, состоит в том, что вам придется сначала отыскать в пространстве эти самые громадные космические струны, а потом заставить их столкнуться определенным образом. К тому же и «дорога» в прошлое при этом откроется на очень короткий промежуток времени. Готт говорит: «Коллапсирующая струнная петля, достаточно большая, чтобы ее можно было обогнуть один раз и вернуться при этом на один год назад, по своей массе-энергии должна превосходить половину галактики».

Но самая многообещающая схема машины времени — так называемые обратимые кротовые норы, упомянутые в предыдущей главе. Это дыры в пространстве-времени, где человек может свободно перемещаться вперед и назад во времени. Теоретически обратимые кротовые норы — это возможность не только путешествовать быстрее света, но и перемещаться во времени. Ключ к обратимым кротовым норам — отрицательная энергия.

Машина времени для обратимых кротовых нор должна состоять из двух камер; каждая камера — из двух концентрических сфер, разделенных крошечным промежутком. Если обжать наружную сферу внутрь, по направлению к внутренней сфере, то между двумя сферами возникнет эффект Казимира и в результате отрицательная энергия. Предположим, что некая цивилизация III типа способна протянуть кротовую нору между двумя этими камерами (возможно, соорудить ее можно будет из пространственно-временной пены). Далее берем первую камеру и отправляем ее в пространство на околосветовой скорости. Время в этой камере замедляется, и часы в двух камерах теряют синхронность. Время в двух камерах, соединенных кротовой норой, идет с разной скоростью.

Находясь во второй камере, можно по кротовой норе мгновенно переместиться в первую, которая существует в более раннем времени, и оказаться в прошлом.

Реализация этой схемы связана с очень серьезными трудностями. Так, кротовая нора может оказаться совсем крошечной, намного меньше размеров атома. А концентрические сферы, возможно, потребуется обжать до расстояний планковского масштаба, чтобы получить достаточно отрицательной энергии. И последнее. Вы сможете возвращаться назад во времени лишь только в тот момент, когда была создана данная машина времени — ведь до этого момента время в обеих камерах шло совершенно синхронно!