Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

(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.

12. Подготовленный читатель распознает, что я упрощаю. В 1966 Роберт Герох, который был студентом Джона Уилера, показал, что, по меньшей мере, возможно в принципе сконструировать червоточину без разрыва пространства. Но в отличие от более интуитивного, расчленяющего пространство подхода для построения червоточин, в которых простое существование червоточины не влечет за собой путешествия во времени, в подходе Героха сама фаза конструирования с необходимостью требует, чтобы время стало настолько искажено, что свободно можно было бы путешествовать вперед и назад во времени (но не дальше назад, чем само начало конструирования).

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] )

13. Грубо говоря, если вы проходите через область, содержащую такую экзотическую материю со скоростью, близкой к скорости света, и собираете средние от всех ваших измерений обнаруженной вами плотности энергии, ответ, который вы найдете, будет отрицательным. Физики говорят, что такая экзотическая материя нарушает так называемое усредненное условие малой энергии.

14. Простейшая реализация экзотической материи приходит из вакуумных флуктуаций электромагнитного поля между параллельными пластинами в эксперименте Казимира, обсужденном в Главе 12. Расчеты показывают, что уменьшение в квантовых флуктуациях между пластинами по отношению к пустому пространству влечет за собой отрицательную среднюю плотность энергии (а также отрицательное давление).

15. Для поучительного, хотя и формального обзора червоточин см. Matt Visser, Lorentzian Wormholes: From Einstein to Hawking (New York: American Institute of Physics Press, 1996).

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.

Проблемы с построением машины времени на червоточине, очевидно, безмерны. Но конечное слово не может быть произнесено до того, как будет усовершенствовано дальше наше умение в обращении с квантовой механикой и ОТО, возможно, через достижения в теории суперструн. Хотя на интуитивном уровне физики в целом согласны, что путешествия во времени в прошлое невозможны, на сегодняшний день вопрос еще предстоит полностью закрыть.

Космический туризм

Размышляя о путешествиях во времени, Хокинг обратил внимание на интересный момент. Почему, спрашивает он, если путешествия во времени возможны, мы не затоплены визитерами из будущего? Ну, вы можете ответить, может быть, мы и затоплены. И вы можете пойти дальше и сказать, что мы столько раз сажали путешественников во времени в закрытые (и охраняемые) места, что большинство из остальных не осмеливается идентифицировать себя. Конечно, Хокинг наполовину шутит, я делаю также, но он поднимает серьезный вопрос. Если вы верите, как и я, что нас никто не посещал из будущего, не эквивалентно ли это уверенности, что путешествия во времени невозможны? Конечно, если люди преуспели в построении машин времени в будущем, некоторые историки подпрыгнут от возможности получить грант на изучение, непосредственно и персонально, построения первой атомной бомбы, или первого путешествия на Луну, или первых шагов в реальном телевидении. Так что, если мы верим, что никто из будущего нас не посещал, возможно, мы неявно говорим, что мы верим, что никакая машина времени никогда не будет построена.

На самом деле, однако, это не обязательное заключение. Машины времени, которые до сих пор были предложены, не позволяют путешествовать в более раннее время, чем была простроена сама первая машина времени. Для машины времени на червоточине это легко увидеть, изучив Рис. 15.5. Хотя имеется разница во времени между входными отверстиями червоточины, и хотя эта разница позволяет путешествовать вперед и назад во времени, вы не сможете достичь времени перед моментом, когда разница была установлена. Сама червоточина не существует далеко слева на пространственно-временном батоне, так что нет способа, которым вы бы смогли использовать ее в этой области. Так что если первая машина времени построена, скажем, через 10 000 лет от сегодняшнего дня, этот момент, несомненно, будет привлекать множество туристов во времени, но все предыдущие моменты, вроде нашего, останутся недоступными.