Теория веллера о перемещении во времени в чем заключается
Как избежать «парадокса убитого дедушки» или Квантовая механика решает загадки путешествия во времени
Путешествия во времени давно стали основным жанром фильмов, романов и телевизионных шоу, которые служили всем: от заднего плана до подростковых весёлых комедий, таких как «Назад в будущее», и вдумчивого созерцания в новелле Рэя Брэдбери «И грянул гром». Часто эти истории сосредотачиваются вокруг одного аспекта путешествия во времени – возможных последствий того, что путешественник во времени поменяет прошлые события, в результате чего по возвращении в будущее произойдёт кошмарный сценарий, влияя на способность вообще путешествовать в прошлое.
Эта дилемма, известная как «парадокс убитого дедушки», отражает главное возражение философов и физиков против путешествий во времени – возможное нарушение причинности. В то время как само путешествие во времени остаётся в области чистой спекуляции, возможные результаты нарушения принципа причинности и то, как природа может предотвратить их, являются горячо обсуждаемыми темами, с такими известными физиками и философами, как Стивен Хокинг и Кип Торн, размышляющими о возможных решениях. Возможно ли, что «многомировая» интерпретация квантовой механики может спасти несчастного (и неуклюжего) путешественника во времени?
Что такое «парадокс убитого дедушки», и почему он так важен?
Фрай, неуклюжий главный герой Футурамы Мэтта Грейнинга, имел довольно неудачную встречу со своими дедушкой и бабушкой в титулованном эпизоде «Розуэлл, который хорошо кончается»
Чтобы рассмотреть этот парадокс, давайте представим себе ситуацию, в которой одарённый молодой изобретатель Марти создаёт машину времени в 2018 году. Поскольку Марти никогда не видел своего деда, он решает совершить путешествие в прошлое, чтобы встретиться с ним. После тщательного исследования Марти выясняет, где именно будет находиться его дед, ещё молодой и бездетный, 23 ноября 1963 года. Он входит в свою машину и начинает путешествие в прошлое.
Набросок путешествия Марти, если мы допустим существование только одной мировой линии
К сожалению, Марти – очень буквальный парень, и, когда мы сказали, что он точно знает, где будет находиться его дед, это не было преувеличением. Марти приземляется точно в том месте, где должен был быть его дед, с предсказуемыми результатами. После быстрого анализа ДНК, чтобы убедиться, что это действительно его дед, Марти терпеливо ждёт своего исчезновения…
Решение дилеммы Марти?
Эта идея была расширена студентами Калифорнийского технологического института Фернандо Эчеверриа и Гуннаром Клинкхаммером вместе с физиком Кипом Торном в статье, где было показано, как бросить бильярдный шар в прошлое через червоточину по траектории, которая будет препятствовать попаданию шара в червоточину. Они утверждали, что физические свойства червоточины изменят траекторию шара таким образом, что он не сможет мешать самому себе, или что именно вмешательство – это то, что в первую очередь заставляет шар войти в червоточину.
Визуальное представление решения Эчеверрии и Клинкхаммера (Brightroundircle)
Итак, согласно теории Новикова, любые действия, предпринимаемые путешественником во времени, просто становятся частью ранее существовавшей истории, и наблюдателям запрещается видеть эти события из-за так называемого горизонта Коши.
Вернувшись в 2018 год, наш герой Марти обнаруживает, что его семейный дом исчез, как и все следы его существования. Читая о теории Новикова и пересекающихся бильярдных шарах, он проклинает бездеятельность Вселенной. Именно в этот момент он понимает, что, возможно, Вселенная не вмешивалась, поскольку для этого требовалось какое-то другое корректирующее действие. Вдохновлённый статьёй о столкновении бильярдных шаров, он мчится к своей машине времени, чтобы помешать себе и спасти собственное будущее.
Решение Новикова может показаться вам несколько произвольным, поскольку оно, безусловно, требует существования множества механизмов, в настоящее время неизвестных физике, достаточных для того, чтобы навсегда затупить бритву Оккама. Именно по этой причине такое решение парадокса убитого дедушки обычно отвергается научным сообществом. Физик Мэтт Виссер, исследователь в области общей теории относительности, предполагает, что принцип самосогласованности Новикова слишком заточен под конкретный случай, чтобы его можно было принять как спасение причинности.
Есть ли более экономное решение парадокса убитого дедушки, основанное на ранее существовавших аспектах физики, введённых другими теориями или дисциплинами?
Так уж случилось, что одно из таких решений может дать хорошо известный аспект квантовой физики: интерпретацией квантовой механики «многих миров».
Многомировая интерпретация квантовой механики
«Многомировая» интерпретация квантовой механики была впервые предложена Хью Эвереттом III в 1950-х годах как решение проблемы коллапса волновой функции, продемонстрированной в печально известном эксперименте Юнга с двумя щелями.
Основная схема двухщелевого эксперимента. Электроны могут проходить через одну из двух щелей
Электроны, выпущенные по отдельности, начинают создавать характерную интерференционную картину на экране за пределами двух щелей
Поскольку электрон движется, его можно описать как волновую функцию с конечной вероятностью прохождения либо через щель S1, либо через щель S2. Когда электрон появляется на экране, он не размазывается по нему, как волна. Он проявляется как точка. Мы называем это коллапсом волновой функции, поскольку волнообразное поведение исчезло, и это ключевой фактор так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики. Но оставался вопрос: почему волновая функция коллапсирует?
Эверетт задал другой вопрос. Коллапсирует ли вообще волновая функция?
Он представил себе ситуацию, в которой вместо коллапса волновой функции она продолжает расти экспоненциально. Настолько, что в конечном счёте вся Вселенная оказывается лишь одним из двух возможных состояний. «Мир», в котором частица прошла через S1, и мир, в котором частица прошла через S2. Эверетт также утверждал, что одно и то же «расщепление» состояний произойдёт для всех квантовых событий с различными исходами, существующими в разных мирах в состоянии суперпозиции. Волновая функция просто выглядит так, как будто она разрушилась для нас, потому что мы находимся в одном из этих миров, которым запрещено взаимодействовать.
Это значит, что когда Марти вернётся в 1963 год, произойдет раскол. Он больше не в том мире, из которого пришёл, назовём его Миром 1. Вместо этого он создал новый мир. Когда он путешествует вперёд во времени, он путешествует по временной шкале этого мира. Он никогда не существовал в этом мире и, по правде говоря, не убивал своего деда. Его дед существует в целости и сохранности ещё в 1963 году в Мире 1.
Набросок путешествия Марти, если применить «многомировую» интерпретацию квантовой механики. Попытка путешествовать назад вызывает нисходящий «прыжок» мировых линий
Итак, что происходит, когда Марти возвращается в прошлое в попытке спасти свой мир? Он непреднамеренно создаёт другое состояние, Мир 3. Этот мир может походить на Мир 1 почти всеми мыслимыми способами, но, согласно применению интерпретации, он не является тем же самым из-за одного события. Столкновение двух машин времени 23 ноября 1963 года.
Если Марти снова попытается вернуться в 1963 год, чтобы исправить первоначальное вмешательство, он просто создаст другое состояние, Мир 3
Правда в том, что если это правильное решение парадокса убитого дедушки, то Марти никогда не сможет вернуться в Мир 1. В интерпретации «многих миров» заложено, что наложенные миры не могут взаимодействовать друг с другом. Марти может двигаться «вниз», потому что именно его присутствие в определённый момент создает мир. Невзаимодействие означает, что независимо от того, какие меры он принимает, каждый раз, когда он возвращается в прошлое, он создаёт новый мир и прыгает «вниз» в этот мир, а затем может двигаться только вперёд во времени по этой линии. Где-то в своём мире, Мире 1, Марти, изобретательный молодой человек, просто исчез в один прекрасный день, чтобы никогда не вернуться.
Заключение
Конечно, ничего из этого не делает путешествия во времени более возможными или вероятными. Специальная теория относительности Эйнштейна и ограничения на скорость объекта с массой сильно ограничивают эту возможность. Но это даёт интересное решение к логической головоломке. Ирония заключается в том, что наиболее правдоподобное решение парадокса убитого дедушки исходит из единственной концепции в физике, которая создала ещё более фантастические истории и приключения, концепции множественных Вселенных, даже если в этом случае упомянутые вселенные сосуществуют в невзаимодействующей гипотезе состояний.
Интерпретация «многих миров» предполагает почти бесконечное количество возможных миров, даже тот, где вы решили отрастить бороду и стать злее.
Интересно, что это приложение также отвечает на другую загадку, часто задаваемую о путешествиях во времени. Если такая технология когда-нибудь перейдёт от диких предположений к реальности, то где же путешественники во времени? Почему они не пришли к нам, чтобы обсудить своё удивительное открытие?
Ответ может заключаться в том, что мы существуем в первичном мире, в котором будут созданы машины времени. Изобретатели и пассажиры таких машин просто исчезают в других мирах собственного творения. Для нас изобретение машин времени будет просто отмечено множеством исчезающих физиков.
Оказывается, Марти было легко.
Узнайте подробности, как получить Level Up по навыкам и зарплате или востребованную профессию с нуля, пройдя онлайн-курсы SkillFactory со скидкой 40% и промокодом HABR, который даст еще +10% скидки на обучение:
Когда изобретут машину времени: факты, теории, разработки
Что такое машина времени
Машина времени — это устройство, с помощью которого, в теории, можно было бы путешествовать во времени.
Однако ученые понимают под ней не физическую машину или механизм, как в кино, а искривленное пространство-время [1]: например, в виде «червоточины» или «пончика». Внутри нее можно перемещаться из одной точки пространства-времени в другую, за счет сфокусированных гравитационных полей. Но такие поля должны быть супермощными, а управлять ими нужно с максимальной точностью.
Есть также версии, что машина времени — это экзотическая материя с отрицательной плотностью. Если ее толкнуть, она будет двигаться в направлении, обратном нормальному. Однако ничего похожего пока открыть не удалось.
Можно ли путешествовать во времени?
В фантастических фильмах вроде «Звездного пути» или «Назад в будущее» герои просто садятся в машину или другой транспорт и оказываются в прошлом или будущем. На деле все гораздо сложнее, и единого мнения на этот счет пока нет.
Альберт Эйнштейн первым описал время как «четвертое измерение» [2]. Он считал, что оно движется только вперед, но, при этом, относительно: то есть может течь с разной скоростью в разных условиях. Если вы будете двигаться со скоростью света (то есть 299 792 км/сек), то для вас оно замедлится — в сравнении с теми, кто стоит на месте. Но, согласно расчетам физика, ваша масса при этом должна быть бесконечной, а длина — нулевой.
Эйнштейн также утверждал, что гравитация может менять время: сверхмассивные объекты, вроде черных дыр, как бы искривляют время вокруг себя. Это тоже удалось доказать — с помощью GPS-спутников и сверхточных часов. Путешествия через черные дыры — пожалуй, самый популярный способ, описанный в фильме «Интерстеллар». Вблизи дыры или ее модели, за горизонтом событий, время движется в два раза медленнее, а то и вовсе останавливается.
Стивен Хокинг, написавший книгу «Краткая история времени», поддерживал теории Эйнштейна относительно черных дыр, а также — «червоточин» или «кротовых нор», которыми пронизана вся Вселенная. Однако он не верил, что можно путешествовать в прошлое.
В доказательство он провел эксперимент: организовал в 2009 году вечеринку и разослал приглашения уже после того, как она закончилась. Но никто из приглашенных в будущем так и не пришел на нее. Однако Хокинг не исключал, что машину времени построят уже после его смерти [3].
Основываясь на теориях Эйнштейна, NASA предположило, что можно путешествовать через «червоточины» или «кротовые норы» пространства-времени [5]. Это что-то вроде туннелей, пройдя через которые, мы окажемся в другом измерении. Но такие «червоточины» почти моментально схлопываются, и пройти через них смогут только сверхмалые частицы.
Еще одна гипотеза — «бесконечный цилиндр Типлера». Астроном Фрэнк Типлер предложил механизм, внутри которого вещество величиной в десять масс Солнца, свернутое в бесконечно длинный и очень плотный цилиндр. Если он будет вращаться со скоростью миллиарда оборотов в минут, космический корабль, пройдя по спирали, попадет внутрь цилиндра и окажется в «замкнутой времениподобной кривой» — мировой линии, где все возвращается в исходную пространственно-временную точку.
Теория струн в рамках квантовой механики предполагает наличие 11 измерений [6]. В одном из них как раз и может существовать портал для путешествий во времени.
Космические струны — тончайшие сгустки энергии, проходящие через всю длину Вселенной и обладающие огромной массой. Их диаметр тоньше атомного ядра, при этом они очень плотные: 1 тыс. км такой струны весят как Земля. Следовательно, они, как и черные дыры, тоже могут искривлять пространство и время вокруг себя. Есть теория, что такие струны бесконечны и образуют замкнутые петли — «складки» пространства-времени. Внутри них также можно путешествовать во времени.
В чем главные проблемы создания машины времени?
Есть отдельные теории — например, у физика Ричарда Мюллера [7] — о том, что вернуться назад невозможно, так как Вселенная постоянно расширяется, как в пространстве, так и во времени. Другими словами, в прошлом времени было как бы меньше, а в будущем его, наоборот, больше. И мы не можем, в нашем нынешнем состоянии, оказаться в нужной точке прошлого или будущего — в обеих случаях это будут совсем другие миры, с которыми у нас нет никакой связи. Чтобы такое путешествие стало возможным, нам сначала нужно уменьшить или увеличить объем пространства-времени.
И тем не менее люди веками пытаются создать машины времени или хотя бы воссоздать условия, при которых такие путешествия возможны.
Что будет, если изменить прошлое?
Этот вопрос чаще всего возникает в книгах и фильмах — вроде «Терминатора», «Эффекта бабочки» или «Назад в будущее». Ученые называют его «парадоксом убитого дедушки» [8]: когда путешественник во времени возвращается в прошлое, убивает своего дедушку в юности и в результате исчезает — потому что никогда не рождался.
Противники теории утверждают, что это невозможно: отправиться в прошлое можно только по замкнутой кривой, внутри которой все события закольцованы друг с другом. В качестве наглядного подтверждения приводят бильярдный шар, который движется через червоточину по заданной траектории и никак не может помешать сам себе.
Британский математик и философ Джеральд Джеймс Уитроу считал, что, если бы путешествия в прошлое были возможны, мы бы помнили о них еще до отправления.
Кто уже пытался изобрести машину времени
Еще в конце XIX века писатели-фантасты — среди них Энрике Гаспар и Римбау, а также Герберт Уэллс — описывали первые прототипы машин времени. Однако научные обоснования появились в начале XX-го, с появлением теорий Эйнштейна.
В 1948-м австрийский математик и философ Курт Гедель нашел решение для уравнений Эйнштейна, касающихся гравитации и вращающейся Вселенной. В ней свет тоже вращается вместе с другими объектами, из-за чего последние движутся по замкнутым траекториям и в пространстве, и во времени.
Гедель также писал, что в каждой точке пространства есть световой конус прошлого и конус будущего. Внутри каждого из них находится мировая линия — непрерывная кривая в пространстве-времени, которая состоит из событий. На каждой мировой линии время течет по-своему.
Если наклонить конусы под определенным углом, внутри получится окружность — это и есть машина времени. Нужно только создать такое гравитационное поле, или искривление, при котором конусы наклонятся под нужным углом. Гедель предполагал, что такая Вселенная уже где-то существует, но пока мы ничего о ней не знаем.
В 1943-м был проведен эксперимент на базе ВМС США в Филадельфии. В рамках него вокруг эсминца «Элдридж» создали специальный электромагнитный экран, который отражал сигналы радаров. Некоторые свидетели утверждали, что после этого корабль якобы исчез, а потом появился на расстоянии в сотни километров в штате Виргиния. Но спустя годы моряки, участвовавшие в эксперименте, опровергли это.
В 1988-м американский физик и астроном Кип Торн рассчитал, при каких условиях машина времени Геделя будет работать и насколько это возможно. Для этого нужно запустить машину времени, разогнать один конец «кротовой норы» до околосветовой скорости, притормозить, потом разогнать в обратном направлении, снова притормозить, нырнуть в нору, выскочить на другом конце и уже снаружи, как можно быстрее, домчаться до обратного конца. Так появится временная петля между прошлым и будущим.
Впоследствии модель усложнили, рассматривая ее в четырех и пяти измерениях, где добавляются новые слои и условия. В итоге окончательной «рабочей» версии пока что не существует, но многие в своих расчетах по-прежнему опираются на гипотезу Геделя.
В 2017-м ученые из США и Канады создали свою математическую модель машины времени — TARDIS (англ. Traversable Acausal Retrograde Domain in Spacetime). Она выглядит как «пузырь» или «ящик», который движется по кругу, проходя насквозь через пространство-время вдоль «кротовых нор».
Чтобы они возникли, необходимо искривление пространства-времени определенным образом. При этом появление черных дыр, о которых говорил Хокинг, необязательно. TARDIS будет перемещаться по замкнутой кривой, чтобы люди внутри испытывали постоянное ускорение. Те, кто будет наблюдать за этим снаружи, увидит две версии события: в одной время движется нормально, а в другой — в обратном направлении.
В начале этого года астрофизик Рон Маллет рассказал, что можно повернуть время вспять. Он также опирался на теории и уравнения Эйнштейна и предложил использовать кольцевой лазер с беспрерывно циркулирующими лучами, который сможет набрать нужную скорость и создать портал в прошлое. Это те самые «червоточины», о которой мы писали выше. Профессор уже разработал прототип такого устройства и проводит испытания. Однако у его будущей машины времени есть серьезное ограничение: с ее помощью можно вернуться не дальше, чем в тот момент, когда она была включена.
Выводы о машинах времени
Мнения и эксперименты в современной науке можно свести к трем направлениям:
По мнению физиков существует два способа путешествий во времени
Помните как профессор Эммет Браун в легендарном “Назад в будущее” собирал Делориан (машину для путешествий во времени)? К сожалению, приключения всеми любимых героев в прошлом так и останутся выдумкой. Но это не значит, что путешествия во времени невозможны. Главное, о чем вам расскажет любой физик – это то, что отправиться можно только в будущее. Однако по мнению ученых, существуют два способа путешествий во времени но они сильно отличаются друг от друга. Так как во Вселенной действуют те же законы физики, что и на Земле, согласно первому способу, если двигаться со скоростью, близкой к скорости света, а затем развернуться и вернуться назад – например, на корабле воображения – то часы на вашей руке будут отсчитывать время медленнее, а когда вы вернетесь на Землю, то окажетесь в будущем. Но что насчет путешествий в прошлое?
Кадр из фильма «Назад в будущее». Док и Марти Макфлай обсуждают путешествия во времени
Возможно ли путешествия в будущее
Как объясняет в небольшом научно-популярном видео для Tech Insider Брайан Грин, профессор физики и математики из Колумбийского университета, мы знаем, что путешествия в будущее возможны, просто на данный момент не обладаем технологиями, которые позволили бы это сделать. Первым о том, что теоретически, улетев с Земли на скорости, близкой к скорости света и вернувшись обратно можно попасть в будущее, понял Альберт Эйнштейн сто лет назад. В общей теории относительности он также показал, что если зависнуть рядом с сильным источником гравитации – например нейтронной звездой или черной дырой – и как бы приблизиться к краю этого объекта, для вас время будет замедляться очень медленно относительно всех остальных. Поэтому по возвращении домой, вы окажетесь в далеком будущем. С точки зрения физики спорить тут не о чем. Но как насчет путешествий в прошлое?
На нашем канале в Яндекс.Дзен можно прочитать статьи, которых нет на сайте. Подписывайтесь, чтобы не пропустить ничего интересного!
Самое узкое место червоточины или мост Эйнштейна-Розена
Путешествия в прошлое и будущее
Вот уже много лет среди физиков не утихают споры о том, можно ли отправиться в прошлое. Споры возникают, как вы, вероятно, уже поняли, из-за того, что большинство физиков считают это невозможным. Но тем интереснее другая точка зрения, согласны? Так, главной гипотезой, достойной внимания, считается путешествие во времени сквозь червоточину (кротовую нору).
Червоточина – гипотетически существующая область в пространстве-времени, которая представляет собой “туннель” в пространстве в каждый момент времени
В 1935 году Альберт Эйнштейн и его коллега математик Натан Розен предположили, что существует непроходимая червоточина, которая соединяет два одинаковых практически плоских пространства-времени, тем самым создавая “мост”. Сегодня физики рассматривают самое узкое место моста Эйнштейн-Розена как горизонт событий черной дыры. Предположительно, между правой и левой частями горизонта находится особая не статическая область, не преодолев которую нельзя пройти нору.
Горизонт событий черной дыры – область в пространстве-времени, своего рода космическая тюрьма, попав в которую выйти невозможно, причем даже фотонам света
Говоря простыми словами, это мост из одной точки пространства в другое, своего рода туннель, с помощью которого можно существенно сократить путешествие из одного места во Вселенной в другое. Но что будет, если пройти через ту самую не статическую область все-таки удастся? Физики предполагают, что в результате прохождения моста Эйнштейна-Розена вы больше не будете просто переходить из одного места в пространстве в другое, а пройдете из одного момента времени в другой. Пойдете направо – окажетесь в прошлом, налево – в будущем. Или наоборот.
Существуют ли червоточины?
Если параллельные вселенные существуют, вероятно, в одной из них человечество изобрело космические корабли, способные путешествовать в далекий космос
Если вас несколько смущает этот вопрос, то совершенно напрасно. Напомню, что вплоть до 12 апреля 2019 года черные дыры – также как и червоточины сегодня – считались гипотетическими объектами. Все изменилось, когда ученым удалось сфотографировать горизонт событий космического монстра Стрельца А* – сверхмассивной черной дыры, которая расположена в центре галактики Млечный Путь. Поэтому не исключено, что когда-нибудь ученые смогут доказать существование червоточин. Но даже если кротовые норы существуют, мы не знаем можно ли пройти через них. Также, как не знаем что происходит за горизонтом событий черной дыры.Всемирно известный физик-теоретик Стивен Хокинг предположил, что черные дыры могут оказаться порталами в другие вселенные. Подробнее об этом читайте в нашем материале. Важно понимать, что от такой теории может немного закружиться голова, так как она предполагает существование мультивселенной – бесчисленного множества миров. При этом в каждом из этих миров могут действовать законы физики, отличных от нашей Вселенной. Или нет.
Как вы думаете, можно ли попасть в прошлое или будущее, пройдя сквозь кротовую нору? Поделитесь своим ответом в комментариях и с участниками нашего Telegram чата
Так или иначе, сегодня мы не знаем, существуют ли червоточины, мультивселенная и куда ведут черные дыры. И если они действительно реальны, то сможем ли мы пройти сквозь них? Большинство ученых полагают, что нет. Однако наука, вооружившись воображением способна на многое. Кто знает, может быть ответ на эти удивительные тайны Вселенной найдут уже в ближайшем будущем.