Создание машины времени

В июне 1988 г. три физика (Кип Торн и Майкл Моррис из Калифорнийского технологического института и Ульви Юртсевер из Мичиганского университета) сделали первое серьезное предложение по машине времени. Они убедили редакцию Physical Review Letters, одного из самых авторитетных изданий мира, что их работа заслуживает пристального внимания. (На протяжении десятилетий бредовые предложения, касающиеся путешествий во времени, десятками присылали в редакции крупных научных журналов, но все они были отвергнуты, поскольку не опирались на убедительные физические принципы или уравнения Эйнштейна.) Как подобало опытным ученым, авторы идеи представили свои доводы, изложенные принятым в научных кругах языком, а затем подробно объяснили самые слабые места своих допущений.

Торн и его товарищи поняли: чтобы преодолеть скептицизм научного сообщества, им понадобится опровергнуть стандартные возражения против использования «червоточин» как машин времени. Во-первых, как уже упоминалось ранее, сам Эйнштейн понял, что силы гравитации в центре черной дыры настолько велики, что любой космический корабль в ней будет разорван. Несмотря на то что «червоточины» возможны с математической точки зрения, на практике они бесполезны.

Во-вторых, «червоточины» могут оказаться нестабильными. Можно доказать, что незначительных возмущений в «червоточине» достаточно, чтобы разрушить мост Эйнштейна-Розена. Таким образом, присутствия космического корабля внутри черной дыры хватит, чтобы вызвать возмущение, способное перекрыть вход в «червоточину».

В-третьих, чтобы пройти «червоточину» насквозь и выйти с другой стороны, надо двигаться со скоростью, превышающей скорость света.

В-четвертых, квантовые эффекты будут настолько велики, что «червоточина» может закрыться сама собой. Например, излучение входа в черную дыру способно не только уничтожить любого, кто попытается проникнуть в нее, но и закрыть этот вход.

В-пятых, в «червоточине» время замедляется, а в центре останавливается полностью. Таким образом, у «червоточин» есть нежелательная особенность: космический путешественник, за которым наблюдают с Земли, в «червоточине» сначала замедляет скорость, а потом, в центре черной дыры, останавливается. Космический путешественник выглядит так, словно застывает во времени. Другими словами, требуется бесконечное долгое время, чтобы пройти сквозь «червоточину». Если предположить, что можно каким-то образом пройти сквозь центр «червоточины» и вернуться на Землю, искажение времени будет настолько велико, что на Земле успеют пройти миллионы и даже миллиарды лет.

По всем этим причинам решения с «червоточинами» никогда не воспринимали всерьез.

Торн — авторитетный специалист в области космологии, в принципе относившийся к машинам времени крайне скептически и даже пренебрежительно. Однако постепенно Торн заинтересовался этими изысканиями при весьма любопытных обстоятельствах. Летом 1985 г. Карл Саган послал Торну рукопись своей новой книги, романа «Контакт», в которой обстоятельно рассматривались научные и политические вопросы, связанные с эпохальным событием: вступлением в контакт с первыми внеземными формами жизни. Каждому ученому, задумавшемуся о жизни в космосе, приходится задаваться вопросом о том, как пробить световой барьер. Поскольку специальная теория относительности Эйнштейна явно не допускает путешествия со скоростью, превышающей скорость света, полеты к далеким звездам на обычных космических кораблях могут длиться тысячелетиями, и это означает, что межзвездные путешествия практически нереальны. Саган стремился придать книге максимальную научную точность, поэтому обратился к Торну с вопросом, нет ли какого-нибудь научно приемлемого способа обойти световой барьер.

Вопрос Сагана пробудил в Торне интеллектуальное любопытство. Это был откровенный, уместный с научной точки зрения вопрос, с которым один ученый обратился к другому, ожидая обдуманного ответа. Поскольку просьба Сагана была необычного свойства, то, к счастью, Торн и его коллеги избрали нестандартный подход к задаче: они двинулись в обратном направлении. Как правило, физики начинают с конкретного астрономического объекта (нейтронной звезды, черной дыры, Большого взрыва), а затем решают уравнения Эйнштейна, чтобы найти искривление окружающего пространства. Напомним: суть уравнений Эйнштейна в том, что материя и энергия объекта определяют степень искривленности окружающего пространства и времени. Продолжая в том же духе, мы гарантированно обнаружим решения уравнений Эйнштейна для астрономически релевантных объектов, которые можно встретить в космосе.

Но в силу нестандартного характера просьбы Сагана Торн и его коллеги подошли к поискам решения с противоположной стороны. Для начала они примерно представили себе, что именно хотели бы обнаружить. Им требовалось решение уравнений Эйнштейна, в которых космический путешественник не разлетался бы на куски под приливным воздействием мощного гравитационного поля. Им нужна была стабильная «червоточина», которая вряд ли внезапно закроется в процессе путешествия. «Червоточина», продолжительность полета через которую измеряется днями, а не миллионами или миллиардами земных лет и т. п. Ученые руководствовались следующим принципом: чтобы путешественник во времени с достаточным комфортом вернулся назад во времени, проникнув в «червоточину». Только решив, как должна выглядеть их «червоточина», они приступили к вычислениям количества энергии, необходимого для ее создания.

Стоя на неортодоксальных позициях, они не заботились о том, приемлемы ли потенциальные потребности в энергии для науки XX в. Они считали ее технической проблемой какой-нибудь будущей цивилизации, которая действительно будет конструировать машину времени. Они стремились доказать, что их решение целесообразно с научной точки зрения, а не с экономической, и не имеет отношения к возможностям нынешней науки на Земле:

Как правило, физики-теоретики ставят вопрос так: каковы законы физики? Или: какие прогнозы эти законы дают насчет Вселенной? В этом номере мы задаемся другим вопросом: какие ограничения законы физики налагают на деятельность сколь угодно развитой цивилизации? Отсюда вытекают интригующие вопросы, относящиеся к самим законам. Мы начнем с вопроса о том, позволяют ли законы физики сколь угодно развитой цивилизации создавать и поддерживать в рабочем состоянии «червоточины» для межзвездных полетов^[118].

Разумеется, ключевая фраза здесь — «сколь угодно развитая цивилизация». Законы физики говорят о том, что возможно, а не о том, что практически осуществимо. Законы физики не зависят от затрат на их подтверждение. Таким образом, стоимость того, что теоретически возможно, может превосходить валовой национальный продукт планеты Земля. Торн и его коллеги не преминули указать, что мифическая цивилизация, способная обуздать «червоточины», должна быть «сколь угодно развитой», т. е. способной проводить все возможные эксперименты (даже если они неосуществимы для землян).

К своей радости, ученые с поразительной легкостью вскоре обнаружили на удивление простое решение, удовлетворяющее всем жестким ограничениям. Оно не было типичным решением для черной дыры, поэтому ученым не пришлось беспокоиться о проблеме гибели при коллапсировании звезды. Свое решение они назвали «проходимой червоточиной», чтобы отличить от других решений, «червоточины» в которых не проходимы для космического корабля. Обрадованные этой находкой, физики написали Сагану ответ, и он вставил некоторые предложенные идеи в свой роман. Простота решения так поразила ученых, что они не сомневались: это решение способен понять даже студент-старшекурсник. Осенью 1985 г. на заключительном экзамене по курсу общей теории относительности в Калифорнийском технологическом институте Торн предложил студентам решение с «червоточиной», не объясняя нм, о чем речь, и попросил вывести ее физические свойства.

(Большинство студентов выполнили подробный математический анализ решения, но так и не поняли, что перед ними решение, допускающее путешествия во времени.)

Если бы студенты были повнимательнее на заключительном экзамене, они сумели бы вывести некоторые удивительные свойства «червоточины». Они обнаружили бы, что полет сквозь эту «проходимую червоточину» был бы таким же комфортным, как полет на самолете. Максимальная гравитационная сила, воздействие которой испытали бы путешественники, составила бы всего 1 g. Другими словами, их вес не превысил бы их вес на Земле. Более того, путешественникам не пришлось бы опасаться, что во время полета вход в «червоточину» закроется. «Червоточина» Торна всегда открыта. Вместо того чтобы продолжаться миллион или миллиард лет, полет через «проходимую червоточину» занял бы вполне приемлемое время. Моррис и Торн пишут, что «полет оказался бы вполне комфортным и продлился бы всего 200 дней или меньше»^[119].

Торн отмечает, что пока временные парадоксы, с которыми обычно сталкиваются персонажи в кино, не обнаружены: «После знакомства со сценариями научно-фантастических фильмов (к примеру, тех, в которых кто-то возвращается в прошлое и убивает сам себя) можно ожидать, что замкнутые временеподобные кривые создадут начальные траектории, кратные нулю» (т. е. невозможные)^[120]. Однако Торн доказал, что замкнутые временеподобные кривые, которые появляются в его «червоточинах», воспроизводят прошлое, а не меняют его или создают временные парадоксы.

И наконец, представляя эти удивительные результаты научному сообществу, Торн писал: «Предложен новый тип решений для уравнений поля, выведенных Эйнштейном, — решений, которые описывают „червоточины“, в принципе проходимые для человека».

Разумеется, во всем этом есть одна загвоздка, из-за которой у нас до сих пор так и нет машин времени. Последним этапом расчетов Торна было прийти к точному представлению о природе материи и энергии, необходимых для создания удивительной «проходимой червоточины». Торн и его коллеги обнаружили, что в центре такой «червоточины» должна находиться некая «экзотическая» форма материи с необычными свойствами. Торн не замедлил указать, что существование этой экзотической формы материи, несмотря на всю ее необычность, вроде бы не противоречит никаким известным законам физики. При этом он предостерег, что в будущем ученые, возможно, докажут, что такой экзотической материи не существует. А пока она представляется вполне приемлемой формой материи — конечно, если иметь доступ к достаточно развитым технологиям. Торн с уверенностью пишет, что «из единственной „червоточины“ сколь угодно развитая цивилизация может сконструировать машину для путешествий назад во времени».

Эскиз машины времени

Однако всякий, кто читал Уэллса, будет разочарован эскизом машины времени, подготовленным Торном. Можно и не мечтать о том, чтобы устроиться в кресле в собственной гостиной, поворачивая циферблаты, глядя на мигающие лампочки и наблюдая обширную панораму истории, в том числе разрушительные мировые войны, взлеты и падения великих цивилизаций или плоды будущего научного прогресса.

Один из вариантов машины времени Торна состоит из двух камер, в каждой из которых содержатся две параллельные металлические пластины. Между каждой парой пластин создается мощное электрическое поле (более мощное, чем любое возможное при нынешнем уровне развития техники), которое разрывает ткань пространства-времени, образуя дыру в пространстве, соединяющем две камеры. Затем одна камера помещается в ракету, которая развивает скорости, близкие к световым, а другая остается на Земле. Так как «червоточина» способна связать два участка пространства с различным временем, часы в первой камере идут медленнее, чем часы во второй камере. Поскольку время в двух разных концах «червоточины» проходит с разной скоростью, каждый, кто попадает в «червоточину», немедленно перебрасывается в прошлое или будущее.

Другая машина времени выглядит следующим образом. Если удастся найти какую-то экзотическую материю, которой можно придавать форму, как металлу, тогда, вероятно, идеальной формой для машины времени будет цилиндр. Человек становится в центр этого цилиндра. Затем эта экзотическая материя искажает пространство и время вокруг, создавая «червоточину», соединенную с далеким участком Вселенной, имеющим другое время. В центре водоворота — человек, который испытывает гравитационную нагрузку силой не более 1 g, после чего его затягивает в «червоточину», и он вдруг оказывается на другом конце Вселенной.

На первый взгляд, математическая логика Торна безупречна. Уравнения Эйнштейна действительно показывают, что решения для «червоточин» предусматривают разную скорость движения времени по обе стороны от «червоточины», поэтому путешествия во времени в принципе возможны. Конечно, весь фокус в том, как изначально создать такую «червоточину». Как не преминули указать Торн и его коллеги, главная проблема — управление достаточным количеством энергии для создания и поддержания в рабочем состоянии «червоточины» с экзотической материей.

В обычных условиях один из основных принципов элементарной физики гласит: все объекты обладают положительной энергией. Колеблющиеся молекулы, движущиеся автомобили, летающие птицы, взмывающие ракеты — все они имеют положительную энергию. (По определению энергия космического вакуума равна нулю.) Но если мы сумеем получить объекты с «отрицательной энергией» (т. е. объекты, энергетическая составляющая которых меньше, чем у вакуума), тогда сумеем и сформировать необычные пространственно-временные структуры, в которых время замкнуто в круг.

Эта довольно простая концепция имеет замысловато звучащее название: усредненное слабое энергетическое условие.

Как указывает Торн, усредненное слабое энергетическое условие необходимо нарушить; энергия на время должна стать отрицательной, чтобы путешествие во времени прошло успешно. Однако релятивисты с давних времен предают анафеме отрицательную энергию, понимая, что эта энергия сделает возможной антигравитацию и множество других феноменов, подтверждение которым ни разу не было получено экспериментально.

Вместе с тем Торн спешит указать, что способ получения отрицательной энергии существует, а именно — посредством квантовой теории. В 1948 г. голландский физик Хендрик Казимир продемонстрировал, что квантовая теория может создавать отрицательную энергию, достаточно только взять две большие незаряженные параллельные металлические пластины. Как правило, здравый смысл подсказывает нам, что между этими двумя пластинами не действует сила, так как они электрически нейтральны. Но Казимир доказал, что вакуум, разделяющий эти две пластины, из-за принципа неопределенности Гейзенберга на самом деле воплощает бурную деятельность — постоянное появление и исчезновение триллионов частиц и античастиц. Они возникают неизвестно откуда и снова исчезают в вакууме. Поскольку они мимолетны, то преимущественно ненаблюдаемы, поэтому не противоречат никаким законам физики. Эти «виртуальные частицы» создают результирующую силу притяжения между пластинами, и Казимир предсказывал, что ее можно измерить.

Когда Казимир опубликовал свою статью, ее встретили крайне скептически. Как могут два электрически нейтральных объекта притягиваться друг к другу, вопреки тем самым классическим законам электричества? Это неслыханно! Однако в 1958 г. физик Маркус Спарнаай наблюдал этот эффект в лаборатории точно так, как и предсказывал Казимир. С тех пор он называется эффектом Казимира.

Один из способов использовать эффект Казимира — поместить две большие проводящие параллельные пластины у входа в каждую «червоточину», таким образом создавая с обеих сторон отрицательную энергию. Как заключают Торн и его коллеги, «может выясниться, что среднее слабое энергетическое условие невозможно нарушить, значит, невозможны и „проходимые червоточины“, и путешествия во времени, и сбой причинно-следственной связи. Слишком рано переходить мост до того, как подойдешь к нему»^[121].

Пока что единства мнений по поводу машины времени Торна нет. Все согласны с тем, что решающий фактор — наличие полностью квантованной теории гравитации, способной закрыть вопрос раз и навсегда. Например, Стивен Хокинг указал, что излучение у входа в «червоточину» довольно велико, поэтому внесет свой вклад в компонент материи-энергии в уравнениях Эйнштейна. Эта обратная связь с уравнениями Эйнштейна деформирует вход в «червоточину», возможно, даже закроет его навсегда. Но Торн не согласен с тем, что этого излучения хватит, чтобы закрыть вход.

Именно здесь в дело вступает теория суперструн. Поскольку это полностью квантово-механическая теория, включающая как подраздел общую теорию относительности Эйнштейна, ее можно применить для вычисления поправок к изначальной теории «червоточин». В принципе, она позволит нам определить, осуществимо ли с физической точки зрения усредненное слабое энергетическое условие, а также будет ли открыт вход в «червоточину» все время, пока путешественники наслаждаются путешествием в прошлое.

Хокинг сдержанно отнесся к «червоточинам» Торна. Но ирония заключается в том, что сам Хокинг предложил новую, еще более фантастическую теорию «червоточин». Вместо того чтобы соединять настоящее с прошлым, Хокинг предлагает пользоваться «червоточинами» для установления связи нашей Вселенной с бесконечным множеством параллельных миров!