Top

Машина времени: фантазии прошлого или физика будущего

 

В 1956 году в восемнадцатом номере журнала «Огонёк» было опубликовано четверостишие Самуила Маршака:

«Сегодня в полдень пущена ракета

Она летит куда скорее света

И долетит до цели в семь утра

Вчера…»

Шуточное стихотворение называлось вполне серьёзно — «Теория относительности», а в подзаголовке значилось: «Перевод английской анонимной эпиграммы».

Кто на самом деле сочинил эту эпиграмму неизвестно. Может быть, известный английский астрофизик Артур Эддингтон, а может сам Маршак. Но это не так уж и важно. Важно другое – автору всего в четырех строчках удалось сформулировать идею путешествия во времени с точки зрения общей теории относительности…

 

Из цикла «Жизнь замечательных идей»

 

Три заветных мечты человечества: изобрести вечный двигатель, найти эликсир бессмертия и построить машину времени.

Созданию перпетуум-мобиле препятствуют законы термодинамики, не позволяющие совершать работу без затрат энергии. От перенаселения кощеями бессмертными нашу планету охраняет апоптоз – запрограммированная самой природой программа гибели клеток. А вот путешествовать во времени современная наука не запрещает. Все, что теоретически не противоречит законам физики, можно реализовать на практике.

Владимир Сурдин:

«Машина времени, замечательное, фантастическое устройство, которое каждому хотелось бы иметь. Отправиться в прошлое, чтобы исправить свои ошибки. Улететь в будущее, чтобы посмотреть – а чем всё это кончится, и как будут выглядеть мои правнуки. А возможно ли это?»

Когда в умах человечества возникла идея путешествий во времени – никто не знает. Но зато точно известно, что первыми об относительности прошлого-настоящего-будущего задумались не ученые, а писатели. Это легко объяснимо: их фантазию не ограничивали законы физики.

Поначалу писатели никаких машин не изобретали, обходились силами небесной гвардии.

Например, в романе «Воспоминания о ХХ веке» ирландского писателя Сэмюэля Мэддона, письма из далекого 1998 года главному герою приносит ангел-хранитель. Этот роман, опубликованный в 1773 году, считается первым фантастическим произведением о путешествиях во времени.

В одной из Рождественских повестей Чарльза Диккенса прошлое и будущее главному герою Эбинейзеру Скруджу показывают духи Рождества.

А герой рассказа Марка Твена «Янки при дворе короля Артура» попадает в прошлое, просто получив ломом по голове.

Машины времени, как некие механизмы, позволяющие путешествовать в прошлое и будущее, появились в научно-фантастических произведениях только в 19 веке. Первую такую машину  «сконструировал» в 1881 году редактор научного журнала «Sun» Эдвард Митчелл. В его новелле «Часы, которые пошли вспять» герой отправляется в прошлое с помощью напольных часов с маятником.

В 1894 году, в  Англии, в журнале «The New Review» был опубликован  рассказ Герберта Уэллса «История Путешественника во Времени» (название «Машина времени» появится лишь  год спустя в книжном издании).

Герой рассказа «Машина времени», объясняя теоретические основы своего изобретения, говорил:  

«Существуют четыре измерения, из которых три мы называем пространственными, а четвёртое – временным… Единственное различие между Временем и любым из трёх пространственных измерений заключается в том, что наше сознание движется по немуВремя  —  только особый вид Пространства…»                 Герберт Уэллс. «Машина времени»

 

Самым удивительным в этом небольшом рассказе было то, что теории главного героя предваряли некоторые положения общей теории относительности, которую Эйнштейну еще только предстояло создать.

Как Уэллсу удалось заглянуть в будущую физику? Может быть, у него тоже была машина времени?

Германия, 1915 год

Со времен Евклида человечество существовало в трехмерном пространстве, которое имело всего лишь три измерения: высоту, длину и ширину. Время древние греки рассматривали с философской точки зрения. Статус полноценной физической величины, время получило только в 17-м веке, в эпоху Ньютона.

Справка: Исаак Ньютон – английский физик, математик, механик и астроном, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором был сформулирован закон всемирного тяготения и три основных закона движения.

В пространстве ньютоновой физики время имело одно измерение – длительность, текло равномерно и прямолинейно, было однородным и непрерывным. А главное, часы в любой части ньютоновой вселенной показывали одно и то же время. Одна секунда на Земле равнялась одной секунде на Марсе и ничем не отличалась от одной секунды в Туманности Андромеды. То есть – никакой путницы!

В 1915 году все изменилось. Появилась общая теория относительности Альберта Эйнштейна.

 Справка: Альберт Эйнштейн – один из основателей современной теоретической физики, автор более трехсот научных работ. Наиболее значительными являются специальная теория относительности, в рамках которой был сформулировал закон взаимосвязи массы и энергии (E=mc²), и общая теория относительности, согласно которой масса тела не только влияет на другие тела, но и воздействует на структуру пространства.

 Эйнштейн ниспроверг ньютоновскую концепцию времени. Его время переплелось с пространством, образовав пространственно-временной континуум, и из ровного линейного потока превратилось в извилистую петляющую реку.

При этом законы классической физики продолжали «работать» во всех системах отсчета без сбоя. И все объекты вселенной — от гигантских звезд до мельчайших частиц света фотонов – продолжали подчиняться законам Ньютона. Более того, выяснилось, что на время эти законы тоже распространяются. Под влиянием скорости и силы тяжести оно способно замедляться или ускоряться.

 «Скорость хода часов зависит от места…».

Альберт Эйнштейн. «Общая теория относительности»

 Владимир Сурдин:

«Мы знаем, что время течёт в разном темпе, в зависимости от того, как вы движетесь. Поэтому и говорят о пространстве времени, как об одной сущности. В зависимости от того, как вы летите в пространстве, с какой скоростью, в таком темпе идёт рядом с вами время. И оно может идти совсем по-другому, чем у оставшихся на земле.

 

Часто говорят, что Эйнштейн,  а точнее физика Эйнштейна, отменила всю прошлую науку, всю прошлую физику, когда-то изобретенную Ньютоном. Об этом даже стишочек есть:

Был этот мир великой тьмой окутан,

Да будет свет – и вот явился Ньютон.

Но сатана недолго ждал реванша,

Пришел Эйнштейн, и стало всё как раньше, то есть запуталось».

Кстати, это шутливое четверостишие английского астрофизика Артура Эддингтона перевел все тот же Маршак. Очевидно, с физикой у него были особые отношения.

Владимир Сурдин:

«На самом деле физики хорошо понимают, что Эйнштейн ничего не отменял, он дополнил, он сделал физику более общей. Так вот, я бы сравнил ситуацию, которая была до Эйнштейна с тем, как ребенок воспринимает движение, ну, например шарика на поверхности стола. Экспериментируя с шариком, ребенок привыкает к тому, что шарик с постоянной скоростью, горизонтально, катается по столу и никаких особенных превращений при этом не испытывает. Но достаточно шарику подкатиться к краю стола, как всё изменяется. Он падает и ребенок удивлен.

Примерно такая же ситуация была с физикой в середине и в конце 19 века: те уравнения, те очень простые математические формулы, которые предложил Ньютон описывали почти всё, что вокруг нас: поведение предметов в комнате, на поверхности Земли, рядом с Землей, движение Луны, движение планет. Но постепенно при более точных наблюдениях стали обнаруживаться несоответствия.

И тогда Эйнштейну пришлось просто дополнить физику. Он не отменял всё, что было сделано Ньютоном, он расширил её. И придумал более  сложные, конечно более сложные в математическом смысле уравнения, но зато и более общие, более универсальные».

Уравнения Эйнштейна связывают искривленное пространство-время со свойствами заполняющей это пространство материи. В левой части уравнений геометрия. В правой – сведения о плотности, давлении, движении и так далее.

Читать эти уравнения можно справа-налево – и тогда материя будет командовать пространством, заставлять его искривляться так, а не иначе. А можно читать уравнения слева-направо. И тогда геометрия пространства будет диктовать свои условия материи.

Справка: В математике решения уравнений Эйнштейна носят название «метрики» или «пространства Эйнштейна».

Исследовать пространства Эйнштейна или, если хотите, путешествовать по ним,  математики, физики и астрономы начали сразу же после публикации общей теории относительности. И тут же выяснилось, что уравнения Эйнштейна допускают существование машин времени разных типов.

До 1916 года машины времени изобретали только писатели-фантасты. А затем «играть» в путешествия во времени начали и серьезные ученые.

Германия. 1916 год

Первое теоретическое обоснование возможности путешествий во времени появилось в 1916 году. Тогда тридцатилетний австрийский физик Людвиг Фламм – будущий профессор Высшей Технической школы, — пытаясь решить эйнштейновские уравнения, неожиданно пришел к выводу, что в искривленной гравитацией материи вселенной могут существовать туннели, позволяющие быстро перемещаться как в пространстве, так и во времени.

Владимир Сурдин:

«Дело в том, что пространство, точнее, пространство-время изменяет свои свойства под действием гравитации.

В условиях близких к чёрной дыре, когда гравитационное поле максимальную возможную в природе напряжённость получает, там можно реализовать такие удивительные проколы в пространстве-времени, когда одна чёрная дыра может быть связана пространственно-временным туннелем, то есть, небольшим отрезком пространства и времени с другой чёрной дырой. Но для внешнего наблюдателя они находятся на разных концах галактики или даже на разных концах вселенной».

В 1935 году Альберт Эйнштейн и его ассистент физик-теоретик Натан Розен развили идею Фламма, соединив друг с другом две черные дыры Шварцшильда. Получилась конструкция, отдаленно похожая на вазу с двумя горловинами. При определенных обстоятельствах подобный тоннель мог бы служить переходом между двумя частями пространственно-временного континуума. Эта пространственная структура получила название мост Эйнштейна-Розена.

В шестидесятые годы Джон Уилер – физик из Принстонского университета, который ввел в обращение термин «чёрная дыра» — придумал для мостов Эйнштейна-Розена очень выразительное название: «червоточины вселенной». В русском языке «червоточины» превратились в «кротовые норы».

Владимир Сурдин:

«Почему эти проходы называют кротовыми норами или червоточинами понятно, потому что червяк может либо ползти по поверхности, например, яблока, либо прогрызть прямолинейный канал и быстрее переместиться из одной точки в другую, изменив так сказать геометрию своего путешествия.

Очень часто идею кротовых нор изображают и демонстрируют в виде листа бумаги, на котором надо переместиться из точки А в точку Б.  В обычном мире, а наш мир в геометрическом смысле такой же плоский, как этот лист и он описывается самой простой Эвклидовой геометрией, нам пришлось бы проложить прямой путь и передвинуться между этими двумя точками, совершить очень далекий и долгий перелёт, например, в космосе от одной звезды к другой.

Но мы уже знаем, и теория относительности неоднократно это доказывала опытным путем, что наличие массы массивных тел меняет свойства пространства. На геометрическом языке это значит искривляет их, то есть они описываются более сложной геометрией, чем геометрия плоскости.

Не исключено, что пространство можно превратить как бы в двухслойную поверхность… И тогда путешествие из одной точки в другую может сократиться, если мы проткнём лист и переместимся прямо из  точки в точку, минуя длинный, обходной путь по неискривленному пространству».

 Журналисты, писатели-фантасты, режиссеры приняли идею червоточин или кротовых нор на ура. Но физики тут же охладили их пыл: если даже допустить, что кротовые норы существуют,  все равно ни один путешественник не сможет пройти сквозь тоннель. Как только он проникнет за горизонт событий черной дыры, нора схлопнется! И останутся от путешественника во времени только рожки, да ножки.

 «Не думаю, что вопрос в том, может ли человек, находясь в чёрной дыре, попасть в прошлое. Вопрос в том, сможет ли он выбраться оттуда, чтобы похвастаться».

Джон Ричард Готт, профессор астрофизики Принстонского университета

Впрочем, есть один шанс проскочить сквозь тоннель и остаться невредимым – двигаться быстрее скорости света. Но и тут современная физика сказала свое категорическое «нет».

Владимир Сурдин:

«Мы пытаемся это сделать и убеждаемся, что никак не получается. Чем ближе скорость нашей частицы, которую  мы вот взяли в качестве объекта для разгона, чем ближе она к скорости света, тем сильнее она сопротивляется дальнейшему увеличению скорости».

А раз сверхсветовые скорости перемещения материи и энергии невозможны в принципе, значит, кротовые норы Шварцшильда-Эйнштейна-Розена непроходимы.

В 1949 году появилась ещё одно теоретическое обоснование возможности создания машины времени. Австрийский логик, математик и философ Курт Гёдель, решая уравнения Эйнштейна, получил вращающуюся вселенную, похожую на длинный цилиндр, с закольцованным течением времени. Если такую вселенную обогнуть со скоростью света, то можно оказаться в точке старта раньше, чем вы оттуда отправились – то есть, попасть в прошлое.

Но и эта математически выверенная идея оказалась несостоятельной из-за невозможности перемещаться быстрее скорости света.

Говоря о сверхсветовых путешествиях, физики часто цитируют шуточный лимерик канадского ботаника-миколога Артура Генри Реджинальда Баллера:

«Шустрая мисс Антуанетт

Носилась по свету быстрее, чем свет.

Ей в завтра хотелось попасть,

Да все втуне:

Умчится теперь, прилетит накануне

Америка, 1988 год

В ноябре 1988 года солидный научный журнал «Physical Review» опубликовал статью известного американского специалиста по теории гравитации Кипа Торна, и мировое сообщество физиков загудело, как разбуженный улей. Еще бы! Ведь Кип Торн вместе со своими коллегами по Калифорнийскому технологическому университету рассчитал обратимую кротовую нору, по которой можно ходить туда и обратно. Торн уверял, что это не опасней, чем поездка на автомобиле.

Но тут же возникли новые сложности: машина времени Кипа Торна нарушала фундаментальный принцип причинности – одну из аксиом, на которых основана современная физика: нельзя влиять на события прошлого.

В научно-популярной литературе этот парадокс с легкой руки физиков, которые, как известно, любят шутить, получил название «убить дедушку».

Представьте себе, что вам удалось пройти через кротовую нору и вернуться в прошлое лет на 50-60. Там вы находите дом своих предков и убиваете мальчика, который в далеком будущем должен стать вашим дедушкой. Что тогда произойдет с вами? Вы не появитесь на свет. Значит, не сможете вырасти, пройти сквозь кротовую нору, найти своего будущего дедушку и убить его.

В более гуманной версии можно было обойтись без убийства. Например, просто помешать дедушке жениться на бабушке.

Как и в случае с пространством-временем, писатели вновь на несколько десятилетий опередили ученых.

28 июня 1952 года в журнале «Collier’s» был опубликован рассказ классика научной фантастики американского писателя Рэя Брэдбери «И грянул гром». Главный герой рассказа отправляется на сафари в мезозойскую эру. Там он случайно сходит с тропы и наступает на бабочку. Изменение, внесенное в прошлое, изменяет будущее, то есть, собственное время главного героя.

 СССР. 1990 год

Идею Торна неожиданно для многих учёных поддержал российский астрофизик Игорь Дмитриевич Новиков. Он придумал способ спасения «дедушки». Этот способ назывался «Принцип самосогласованности». Постулировался он так:

  «При перемещении в прошлое вероятность действия, изменяющего уже случившееся с путешественником событие, стремится к нулю».

                    Игорь Новиков, астрофизик

 Проще говоря, если вам удастся попасть в прошлое, то у вас не будет возможности ни убить дедушку, ни даже раздавить бабочку. Все события на вашей собственной замкнутой петле времени согласованы и не могут влиять друг на друга.

 «Существует, к примеру, закон природы не позволяющий нам ходить по потолку, хотя мы можем этого захотеть. Почему не предположить, что существует закон, который не даст нам убить родителей до нашего рождения?»

                    Игорь Новиков, астрофизик

 Кип Торн и Игорь Новиков сегодня считаются крупнейшими мировыми авторитетами в области путешествий во времени. Но их уверенность в существовании обратимых кротовых нор разделяют, конечно же, далеко не все астрофизики.

 Сергей Попов:

«Астрофизики в течение десятилетий пытались искать такие объекты и даже несколько раз почти что кричали: Эврика! когда находили какой-то очень необычный объект. Но пока не требуется привлекать гипотезу кротовых нор для объяснения каких бы то ни было объектов или явлений и все цели, и  направленные  поиски ничего не дали. Поэтому в принципе в среде астрофизиков существует большой скептицизм. Мы достаточно долго, тщательно, хорошо изучаем Вселенную и кажется, что если бы эта штука легко реализовалась, то тогда мы бы их уже обнаружили».

 Россия. 1995 год

Одни астрофизики категорически отрицают идею существования тоннелей в пространстве-материи вселенной. Другие уверены, что обнаружение естественных червоточин – дело времени. Третьи же предлагают просто взять да построить обратимую кротовую нору! И для этого вовсе не обязательно создавать две черные дыры.

Кип Торн и его коллеги рассчитали, что в качестве строительного материала для искусственной кротовой норы годится так называемая экзотическая материя. Это тёмная энергия космоса, обладающая отрицательным давлением и свойством антигравитации, которая заставляет нашу вселенную расширяться.

Можно ли создать такую материю в лабораторных условиях? Кип Торн, Игорь Новиков и некоторые другие ученые считают, что можно. Правда, для создания полноразмерной кротовой норы, по которой могли бы курсировать обычные авиалайнеры, экзотической материи понадобится очень много. Нужен запас, сопоставимый по массе с массой Юпитера. Где столько взять? Да и летать авиалайнерам придется с релятивистской скоростью, то есть – близкой к скорости света. А это, как мы уже выяснили, невозможно… Так что пока машина времени ещё долго будет существовать  в фантазиях писателей-фантастов. Кто знает, может, именно они подскажут  учёным  идею ей реализации на практике.

Владимир Сурдин:

«Физики иногда шутят, утверждая, что каждый из нас – путешественник во времени. Вот сидя на стуле, я каждую секунду  продвигаюсь в будущее  ровно на одну секунду. И весь мир вместе со мной продвигается. Я не опережаю его, и я никогда не увижу будущее быстрее, чем все кто жил сегодня на земле. Хотя такая принципиальная возможность у физиков есть».

 

 P.S. Машина времени – пока еще заветная и неисполнимая мечта человечества. Но вот путешественники во времени у нас уже есть. Самые настоящие. Это космонавты Сергей Авдеев, Сергей Крикалёв и Геннадий Падалка. Все они провели на орбите больше двух лет, а значит, каждый из них уже переместился в будущее примерно на две сотых секунды.

 

Режиссер: Леонид Мёдов

Интервью в фильме: Владимир Сурдин и Сергей Попов

Научный консультант: Владимир Сурдин

«Цивилизация», 2015 год.