Параллельные
жүктеу/скачать 2.82 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Машина времени Ван Стокума
- Проблемы отрицательной энергии
- Вселенная у вас в спальне
- Информационный парадокс.
- Сексуальный парадокс 6 .
| Часть его проходит мимо «горизонта событий» и с огромной ско-
ростью выбрасывается в космос, образуя две длинные газовые струи, извергающиеся из южного и северного полюсов черной дыры. Это делает черную дыру похожей на вертящийся волчок. (Причина, по которой струи газа извергаются именно таким образом, возможно, состоит в том, что линии магнитного поля коллапсирующей звезды, по мере того как поле становится все более напряженным, концен- трируются над северным и южным полюсами. По мере того как звез- да продолжает сжиматься, эти магнитные линии конденсируются в два пучка, исходящие из северного и южного полюсов. Когда иони- зированные частицы падают в коллапсирующую звезду, они следуют по силовым линиям и извергаются как струи через магнитные поля южного и северного полюсов.) Пока обнаружено два типа черных дыр. Первый тип — черные дыры звездных масштабов. При образовании таких дыр гравитация разрушает умирающую звезду и та взрывается вовнутрь. Черные дыры второго типа обнаружить намного легче. У них галактические масштабы, они таятся в самом центре огромных галактик и квазаров, и их масса составляет от миллионов до миллиардов солнечных масс. Недавно было окончательно установлено существование чер- ной дыры в центре нашей Галактики Млечный Путь. К несчастью, пылевые облака закрывают от нас центр галактики; если бы не они, то каждую ночь с Земли мы бы наблюдали огромный огненный шар в созвездии Стрельца. Если бы не было этой пыли, то центр нашей Галактики Млечный Путь наверняка затмил бы Луну и был бы самым ярким объектом ночного неба. В самом центре этого галактического ядра находится черная дыра массой примерно в 2,5 млн солнечных масс. Что касается ее радиуса, то он составляет около 0,1 радиуса орбиты Меркурия. По галактическим меркам это не самая массив- ная черная дыра; в квазарах могут быть черные дыры в несколько миллиардов солнечных масс. Черная дыра на нашем «заднем дворе» в настоящее время довольно статична. Следующая по близости к нам галактическая черная дыра нахо- дится в центре галактики Андромеды, самой близкой к Земле галак- тики. Эта черная дыра составляет 30 миллионов солнечных масс, а ее радиус Шварцшильда — около 96 млн км. (В центре галактики Андромеды находятся, по меньшей мере, два массивных объекта, видимо представляющие собой остатки прежней галактики, погло- щенной галактикой Андромеды миллиарды лет назад. Если Галактика Млечный Путь в конце концов через миллиарды лет столкнется с галактикой Андромеды, что представляется весьма вероятным, то, возможно, наша Галактика закончит свой «жизненный» путь в «же- лудке» галактики Андромеды.) Одной из самых восхитительных фотографий галактической черной дыры является фотография галактики NGC 4261, сделанная при помощи космического телескопа Хаббла. На прежних фотогра- фиях этой галактики, полученных при помощи радиотелескопа, ясно видно, как две струи грациозно извергаются из северного и южного полюсов галактики, но никто не знал, что приводит этот механизм в действие. Телескоп Хаббла сфотографировал самый центр этой галактики, продемонстрировав нам прекрасно различимый диск размером около 400 световых лет в поперечнике. В самом его центре находится крошечная точка, содержащая в себе аккреционный диск размером около светового года в диаметре. Черная дыра в его центре, которую нельзя наблюдать при помощи телескопа Хаббла, весит при- близительно 1,2 млрд солнечных масс. Галактические черные дыры, подобные этой, так энергетиче- ски мощны, что могут поглощать целые звезды. В 2004 г. НАСА и Европейское Космическое Агентство заявили, что стали свидетеля- ми того, как огромная черная дыра в далекой галактике одним махом «проглотила» звезду. Космическая рентгеновская обсерватория «Чандра» и европейский спутник «ХММ-Ньютон» наблюдали одно и то же событие: вспышку рентгеновских лучей, испускаемую галактикой RXJ1242-11, это говорило о том, что черная дыра в цен- тре галактики поглотила звезду. Масса этой черной дыры оценива- ется в 100 миллионов солнечных масс. Расчеты показали, что, когда звезда подходит опасно близко к «горизонту событий», невероят- ная сила гравитации деформирует и растягивает звезду настолько, что та разрывается на части, испуская обнаруживающую ее вспышку рентгеновских лучей. «Эту звезду растянуло больше, чем допускал предел ее прочности. Несчастная звезда просто забрела не в те окрестности», — заметила астроном Стефани Комосса из институ- та Макса Планка в Гархинге (Германия). Факт существования черных дыр помог решить массу давних загадок. Например, галактика М87 всегда была для астрономов ди- ковиной, поскольку выглядела как массивный шар из звезд, из кото- рого выглядывал странный «хвост». Поскольку этот шар испускал сильное излучение, в какой-то момент астрономы посчитали, что это представляет собой струю антивещества. Но сегодня астрономы обнаружили, что существование хвоста обусловлено огромной чер- ной дырой, массой, возможно, 3 миллиарда солнечных масс. А этот странный хвост сегодня считается гигантской струей плазмы, не устремленной внутрь галактики, а вылетающей из нее. Одно из наиболее впечатляющих открытий в области черных дыр произошло в тот момент, когда Космическая рентгеновская обсерватория «Чандра» сквозь небольшой прорыв в пылевых об-' лаках смогла увидеть открытый космос и наблюдать там скопление черных дыр на границе видимой Вселенной. Было зафиксировано 600 черных дыр. Исходя из этого наблюдения, астрономы предпо- лагают, что на небе существует, по меньшей мере, 300 миллионов черных дыр. Гамма-барстеры Возраст упомянутых выше черных дыр составляет, возможно, мил- лиарды лет. Но сегодня астрономам предоставляется редкая воз- можность наблюдать собственными глазами, как образуются черные дыры Некоторыми из них, похоже, являются загадочные источники всплесков гамма-излучения, испускающие больше всего энергии во всей Вселенной. По количеству выбрасываемой энергии они уступа- ют только интенсивности Большого Взрыва. У этих источников гамма-всплесков очень интересная исто- рия, уходящая во времена холодной войны. В конце 1960-х годов Соединенные Штаты весьма обеспокоил тот факт, что Советский Союз или какая-либо другая держава в обход существующих согла- шений могут тайно взорвать ядерную бомбу на пустынном участке Земли или даже на Луне. Поэтому Соединенные Штаты запустили спутник «Вела», специально предназначенный для отслеживания «ядерных вспышек», или несанкционированных взрывов ядерных бомб. Поскольку ядерный взрыв разворачивается в несколько эта- пов, микросекунда за микросекундой, каждая ядерная вспышка дает характерную двойную вспышку света, которую можно заметить со спутника. (Спутник «Вела» действительно уловил две такие ядер- ные вспышки в 1970-е годы недалеко от побережья острова Принца Эдуарда в Южной Африке в присутствии израильских военных кораблей. В ЦРУ до сих пор ведутся споры по поводу зафиксирован- ных сигналов.) Однако Пентагон поразило то, что спутник «Вела» принимал сиг- налы гигантских ядерных взрывов в космосе. Может быть, Советский Союз тайно взрывал водородные бомбы в открытом космосе, ис- пользуя неизвестные передовые технологии? Озабоченность тем, что Советский Союз, возможно, существенно обогнал Соединенные Штаты в вопросах разработки ядерного оружия, заставила США привлечь к анализу природы этих тревожных сигналов лучших уче- ных мира. После распада Советского Союза больше не нужно было класси- фицировать эту информацию, и Пентагон «выбросил» целые горы данных в астрономический ученый мир. Впервые за десятилетия было открыто совершенно новое астрономическое явление неверо- ятной силы и масштаба. Астрономы быстро уяснили, что мощность этих гамма-всплесков (их назвали гамма-барстерами) была просто фантастической: за несколько секунд испускалось такое же количе- ство энергии, как наше Солнце испустило за всю свою жизнь (около 10 млрд лет). Но эти вспышки были весьма скоротечны: с тех пор, как их уловил спутник «Вела», они настолько потускнели, что, когда в их сторону направили наземные телескопы, разглядеть что-либо было уже невозможно. (Большинство вспышек длится от 1 до 10 секунд, самая короткая длилась 0,01 секунды, но некоторые продолжались и несколько минут.) Сегодня космические телескопы, компьютеры и команды бы- строго реагирования изменили наши возможности в обнаружении гамма-барстеров. Всплески гамма-лучей улавливаются по 3 раза на дню, и каждый из них приводит в действие сложную систему. Как только спутник регистрирует выброс энергии и всплеск гамма-лучей, астрономы при помощи компьютеров быстро определяют точные координаты всплеска и направляют на него телескопы и сенсоры. Данные, полученные при помощи этих новейших приборов, принесли поистине ошеломляющие результаты. В сердце гамма- барстеров обязательно находится некий объект, не очень большой, зачастую всего лишь в несколько десятков километров в попереч- нике. Другими словами, невероятная космическая энергия гамма- барстеров сконцентрирована на территории размером, скажем, с Нью-Йорк. Долгие годы считалось, что причиной таких вспышек, вероятнее всего, служили столкновения нейтронных звезд в двойной звездной системе. Согласно этой теории с течением времени орбита нейтронных звезд искажалась и они двигались по смертельной спи- рали, пока в конце концов не сталкивались, в результате чего проис- ходил выброс гигантского количества энергии. Такие события чрез- вычайно редки, но поскольку Вселенная очень велика, а эти вспышки освещают всю Вселенную, то они должны быть видны несколько раз в день. Но в 2003 году собранные учеными новые факты позволили пред- положить, что вспышки гамма-лучей представляют собой результат взрыва «гиперновой», что создает массивную черную дыру. Быстро фокусируя телескопы и спутники в направлении вспышек гамма- лучей, ученые обнаружили, что они похожи на массивные «сверх- новые». Поскольку взрывающаяся звезда создает магнитное поле невероятной силы и выбрасывает излучение через свои северный и южный полюса, может показаться, что «сверхновая» более активна, чем на самом деле: мы можем наблюдать эти вспышки только в том случае, когда они направлены прямо к Земле, а это создает ложное впечатление мощности, большей чем в реальности. Если гамма-барстеры — это действительно черные дыры в про- цессе образования, то следующее поколение космических телескопов должно позволить нам изучать этот процесс в подробностях и, воз- можно, ответить на некоторые из глобальных вопросов о времени и пространстве. В частности, если черные дыры могут закручивать про- странство в кренделя, то могут ли они искривлять также и время? Машина времени Ван Стокума Теория Эйнштейна объединяет пространство и время в одно нераз- рывное целое. В результате любой портал, соединяющий две точки пространства, может также соединять два момента времени. Иными словами, теория Эйнштейна допускает возможность путешествия во времени. Сам концепт времени развивался на протяжении веков. Для Ньютона время было похоже на стрелу; будучи выпущенной, она уже не меняла своей траектории полета и четко и равномерно двигалась к цели. Затем Эйнштейн предложил концепт искривленного про- странства, а время стало больше похоже на реку, которая вилась по Вселенной, то ускоряя, то замедляя свой бег. Но Эйнштейна беспоко- ила опасность того, что река времени может замкнуться сама на себе. Возможно, в реке времени существовали водовороты и рукава. В 1937 году эту опасность заметили физики, когда В. Дж. Ван Стокум нашел решение уравнений Эйнштейна, которые делали воз- можным путешествие во времени. Он начал с бесконечно длинного вращающегося цилиндра. Хотя физически невозможно построить объект с бесконечными размерами, он рассчитал, что если бы такой цилиндр вращался со скоростью, близкой к скорости света, он бы увлекал материю пространства-времени с собой, подобно тому как патока увлекается лопастями миксера. (Этот «эффект скручивания» (frame-dragging) также известен как «захват системы отсчета» и был экспериментально обнаружен на подробных фотографиях вращаю- щихся черных дыр.) Любого храбреца, отважившегося пройти мимо цилиндра, засо- сало бы внутрь с фантастической скоростью. При этом стороннему наблюдателю казалось бы, что тот человек превысил скорость света. Хотя сам Ван Стокум тогда так и не понял, что, облетев вокруг ци- линдра, по сути, можно вернуться назад во времени, в момент, пред- шествующий моменту отлета. Если вы отбыли в полдень, то к тому времени, как вы вернетесь в точку отсчета, может быть, скажем, 6 ча- сов вчерашнего дня. Чем быстрее вращение цилиндра, тем дальше вы можете унестись назад во времени (при этом единственным ограни- чением будет то, что вы не смогли бы попасть в момент времени до создания самого цилиндра). Поскольку сам цилиндр похож на майское дерево (украшенный цветами столб, вокруг которого танцуют в майские праздники в Англии), то каждый раз, когда вы в танце проносились мимо него, вы все дальше и дальше уходили во времени в прошлое. Конечно же, та- кое решение может быть с легкостью отброшено, поскольку цилиндр все-таки не может быть бесконечно длинным. Кроме того, если бы такой цилиндр все же можно было построить, то центробежная сила, действующая на него, была бы невероятно велика, что стало бы при- чиной разрушения материала, из которого сделан цилиндр. Вселенная Гёделя В 1949 году великий математик и логик Курт Гёдель обнаружил еще более сложное решение уравнений Эйнштейна. Он предположил, что Вселенная вращается вся целиком. Подобно случаю с вращаю- щимся цилиндром Ван Стокума, все увлекается пространством-вре- менем, тягучим, словно патока. Во вселенной Гёделя человек, в принципе, может путешествовать между двумя любыми точками пространства или времени. Вы можете стать участником любого события, происшедшего в любой период времени, вне зависимости от того, насколько далеко он отстоит от на- стоящего. Из-за действия гравитации вселенная Гёделя имеет тенден- цию к коллапсу. Поэтому центробежная сила вращения должна сба- лансировать гравитационную силу. Иными словами, Вселенная долж- на вращаться с определенной скоростью. Чем больше Вселенная, тем больше ее тенденция к коллапсу и тем быстрее она должна вращаться для его предотвращения. К примеру, Вселенная нашего размера по Гёделю должна была бы совершать один полный оборот за 70 миллиардов лет, а минималь- ный радиус для путешествия во времени составлял бы 16 миллиардов световых лет. Однако путешествуя во времени в прошлое, вы должны двигаться со скоростью чуть ниже скорости света. Гёделю было прекрасно известно о парадоксах, которые могли возникнуть из такого решения, — возможность встретить самого себя в прошлом и изменить ход истории. «Совершая «кругосвет- ное» путешествие на ракете по достаточно длинному маршруту, в этих мирах возможно путешествовать в любой момент прошлого, настоящего и будущего, а потом снова возвращаться обратно, также, как в других мирах возможно путешествовать в отдаленные области пространства, — писал он. — Такое положение дел, кажется, несет в себе элемент абсурда. Ибо оно позволяет человеку путешество- вать в не очень отдаленное прошлое тех мест, где он сам жил когда-то. Там он обнаружил бы человека, который был бы им самим в более ранний период его же жизни. И тогда он смог бы сделать что-нибудь с этим человеком, чего, по его воспоминаниям, с ним самим не про- исходило». Эйнштейн был глубоко обеспокоен решением, найденным его другом и коллегой по Институту передовых исследований в Принстоне. Его ответ был достаточно прозрачен:' Работа Курта Гёделя, на мой взгляд, представляет собой важ- ный вклад в общую теорию относительности, особенно в анализ концепта времени. Проблема, рассмотренная в работе, беспокои- ла меня еще во время создания общей теории относительности, и я так и не достиг успеха в ее разрешении... Различие «раньше-поз- же» стирается при рассмотрении точек Вселенной, отстоящих далеко друг от друга в космологическом смысле, а при учете на- правления причинных связей возникают те парадоксы, о которых говорит господин Гёдель... Будет интересно разобраться, можно ли отбросить их по причине недостаточного физического обо- снования. Ответ Эйнштейна интересен по двум причинам. Во-первых, он признал, что возможность путешествий во времени беспокоила его с того самого момента, когда он впервые сформулировал общую теорию относительности. Поскольку считается, что время и про- странство похожи на кусок резины, который может сгибаться и ис- кривляться, Эйнштейна обеспокоило то, что пространство-время может искривиться настолько, что путешествие во времени станет возможно. Во-вторых, он исключил решение Гёделя по причине не- достаточного «физического обоснования», — то есть Вселенная не вращается, она расширяется. Когда Эйнштейн умер, стало известно, что его уравнения допу- скали существование странных явлений (путешествий во времени, порталов). Но никто о них серьезно не задумывался — ведь ученые считали, что эти явления не могут быть реализованы. Всеобщее мнение гласило: для этих решений не существует основы в реальном мире. Вы бы погибли, если бы попытались попасть в параллельную вселенную через черную дыру; Вселенная не вращается; цилиндр бесконечной длины изготовить нельзя, — все это придавало вопро- су о путешествиях во времени чисто теоретический характер. Машина времени Торна О путешествиях во времени забыли на целых 35 лет до 1985 года, когда астроном Карл Саган написал роман «Контакт» и захотел описать, как его героиня смогла бы попасть на Бегу. Ему требовалось путешествие в оба конца, то есть чтобы героиня сначала попала на Бегу, а потом снова вернулась на Землю, — ас помощью порталов черных дыр это было невозможно. Саган обратился за помощью к физику Кипу Торну. Торн потряс мир физики новыми решениями уравнений Эйнштейна, которые допускали путешествие во времени в обход многих проблем. В 1988 году вместе с коллегами, Майклом Моррисом и Ульви Юртсивером, Торн объявил, что машину време- ни сконструировать возможно при условии, что каким-то образом будут получены странные формы вещества и энергии, такие, как «эк- зотическое отрицательное вещество» и «отрицательная энергия». Сначала физики скептически отнеслись к этому новому решению, поскольку никто никогда не видел этого «экзотического вещества», а отрицательная энергия существует только в малых количествах. Но все же это решение являло собой прорыв в нашем понимании путе- шествия во времени. Большим преимуществом отрицательного вещества и отри- цательной энергии является то, что они могут сделать портал дву- сторонним и вы сможете совершить путешествие в оба конца, не беспокоясь о «горизонтах событий». По сути, группа Торна обнару- жила, что путешествие с помощью машины времени было бы вполне мягким по сравнению со стрессом, который человек испытывает, путешествуя коммерческими авиарейсами. Однако проблема в том, что «экзотическое вещество» (оно же «отрицательное») обладает весьма удивительными качествами. В от- личие от антивещества (которое, как известно, существует и, вероят- нее всего, под воздействием гравитационного поля падает на Землю), отрицательное вещество «падает вверх», так что оно будет парить, всплывать вверх под воздействием земной гравитации, поскольку обладает антигравитацией. Оно отталкивается, а не притягивается обычным веществом и другим отрицательным веществом. Это также означает, что его довольно трудно обнаружить в природе, если оно вообще существует. С тех пор как Земля образовалась 4,5 млрд лет назад, любое отрицательное вещество уплыло бы далеко в космос. Так что, возможно, отрицательное вещество плавает в космосе вда- ли от всех планет. (Отрицательное вещество, возможно, никогда не столкнется с пролетающей мимо звездой или планетой, поскольку оно отталкивается обычным веществом.) Если отрицательное вещество никто никогда не видел (и вполне возможно, что его вообще не существует), существование от- рицательной энергии физически возможно, но встречается она чрезвычайно редко. В 1933 году Хенрик Казимир доказал, что две незаряженные параллельные металлические пластины могут создавать отрицательную энергию. Обычно ожидается, что две пластинки остаются стационарными, поскольку не имеют заряда. Однако Казимир показал, что между этими двумя незаряженными параллельными пластинками существует очень слабая сила при- тяжения. В 1948 году эта незначительная сила действительно была измерена, что доказало реальную возможность существования отрицательной энергии. Эффект Казимира использует довольно необычное свойство вакуума. Согласно квантовой теории, пу- стое пространство заполнено «виртуальными частицами», и это возможно благодаря принципу неопределенности Гейзенберга, который допускает, что исконные классические законы могут быть нарушены, если эти нарушения кратковременны. Например, благо- даря принципу неопределенности существует некоторая вероят- ность того, что электрон и позитрон могут возникнуть из ничего, а затем аннигилировать друг друга. Поскольку параллельные пласти- ны находятся очень близко друг к другу, эти виртуальные частицы не могут свободно попасть в пространство между пластинами. Таким образом, поскольку вокруг пластин находится гораздо боль- ше частиц, чем между ними, это создает силу, направленную извне, которая слегка подталкивает пластины друг к другу. Этот эффект был точно измерен в 1996 году Стивеном Ламоро из Национальной лаборатории Лос-Аламос. Измеренная им сила притяжения ока- залась крошечной (равной весу 1 /30000 такого насекомого, как муравей). Чем меньше расстояние между пластинами, тем больше сила притяжения. Итак, в этом заключается возможный принцип работы машины времени, выдуманной Торном. Высокоразвитая цивилизация могла бы начать с двух параллельных пластин, находящихся на крайне малом расстоянии друг от друга. Затем эти параллельные пластины были бы преобразованы в сферу, состоящую из внешней и внутренней обо- лочек. Затем они взяли бы две такие сферы и каким-либо способом протянули бы портал-червоточину между ними, таким образом эти сферы оказались бы соединены пространственным туннелем. Теперь каждая из сфер содержала бы вход в портал. Обычно течение времени синхронно в обеих сферах. Но если мы поместим одну из сфер в ракету и запустим ее, сообщив ей скорость, близкую к световой, то для этой ракеты время замедлит свой ход, и две сферы больше не будут синхронизированы во времени. Часы в ракете идут намного медленнее, чем на Земле. Если затем прыгнуть в сферу на Земле, то через портал, соединяющий сферы, можно попасть в другую ракету, которая находится в прошлом. (Однако, опять-таки, эта машина времени не может перенести вас во время, предшествующее созданию самой машины.) Проблемы отрицательной энергии Несмотря на то что, объявив о найденном решении уравнений Эйнштейна, Торн произвел настоящую сенсацию, реализация его идей затруднялась некоторыми серьезными препятствиями, труд- ноустранимыми даже в условиях высокоразвитой цивилизации. Для начала необходимо было получить большие количества от- рицательной энергии, а она встречается довольно редко. Действие портала такого типа зависит от наличия большого количества от- рицательной энергии, которая не дает порталу закрыться. Если по- лучать отрицательную энергию, как это описал Казимир, действие ее довольно слабое и размер портала будет намного меньше атома, что делает нереальным путешествие через этот портал. Существуют и другие источники отрицательной энергии, кроме описанного эффекта Казимира, но все их довольно сложно контролировать. Например, физики Пол Дейвис и Стивен Фуллинг показали, что создание отрицательной энергии возможно с помощью быстро перемещаемого зеркала, при этом отрицательная энергия аккумули- руется перед зеркалом по мере его передвижения. К сожалению, для получения отрицательной энергии зеркало придется перемещать со скоростью, близкой к скорости света. Кроме того, как и в случае с эффектом Казимира, количество полученной отрицательной энер- гии чрезвычайно мало. Еще один способ получения отрицательной энергии связан с использованием высокомощных лазерных лучей. Среди энерге- тических состояний лазера наличествуют «сжатые состояния», в которых сосуществуют положительная и отрицательная энергии. Однако это взаимодействие тоже довольно трудно контролиро- вать. Стандартный импульс отрицательной энергии может длиться 10~ь секунды, после чего за ним следует импульс положительной энергии. Отделить состояния положительной энергии от состояний отрицательной энергии возможно, хотя и чрезвычайно трудно. Более подробно я буду говорить об этом в главе 11. И наконец, оказывается, отрицательная энергия содержится и в черной дыре — у ее «горизонта событий». Как доказали Джейкоб Бекенштейн и Стивен Хокинг1^, черная дыра не является идеально черной, поскольку она пусть медленно, но испускает энергию. Это происходит потому, что принцип неопределенности делает возмож- ным туннелирование излучения сквозь невероятную гравитацию черной дыры. Но поскольку такая черная дыра теряет энергию, со временем «горизонт событий» сужается. Обычно, если положи- тельное вещество (например, звезду) бросить в черную дыру, то «горизонт событий» расширяется. Но если мы сбросим в черную дыру отрицательное вещество, то «горизонт событий» сузится. Таким образом, испускание энергии черной дырой создает отрица- тельную энергию возле «горизонта событий». (Некоторые ученые выдвигали идею поместить устье портала-червоточины рядом с «горизонтом событий», чтобы он собирал отрицательную энергию. Однако собирать отрицательную энергию подобным образом было бы крайне сложно и опасно, поскольку вам все время пришлось бы находиться чрезвычайно близко к «горизонту событий».) Хокинг доказал, что отрицательная энергия в целом необходима для стабилизации всех решений для порталов. Ход его рассуждений довольно прост. Обычно положительная энергия может создать вход в портал-червоточину, который концентрирует вещество и энергию. Таким образом, лучи света фокусируются в устье портала. Однако, если эти же лучи света появятся с другой стороны, то где-то в цен- тре портала-червоточины лучи света должны расфокусироваться. Единственным возможным объяснением такого варианта событий является наличие отрицательной энергии. Далее, отрицательная энергия отталкивает, что необходимо для предотвращения сжатия портала под воздействием силы гравитации. Поэтому ключом к созданию машины времени или портала может быть достаточное ко- личество отрицательной энергии — чтобы устье-вход портала было открыто и находилось в устойчивом состоянии. (Многие ученые- физики уже обнаружили, что при наличии сильных гравитационных полей поля отрицательной энергии — явление обычное.) Так что, возможно, когда-нибудь гравитационную отрицательную энергию смогут использовать для управления машиной времени. Еще одним препятствием, не позволяющим создать такую ма- шину времени, является следующее: где найти портал-червоточину? Торн опирался на тот факт, что порталы-червоточины создаются естественным путем в том, что называют «пеной» пространства- времени. Это возвращает нас к вопросу, который поставил более 2000 лет назад греческий философ Зенон: каково наименьшее рас- стояние, которое можно пройти? Зенон когда-то математически доказал, что реку пересечь невоз- можно. Сначала он заметил, что расстояние между берегами реки можно разделить на бесконечное количество точек. Но поскольку для того, чтобы пройти бесконечное множество точек, понадобится бесконечное количество времени, то реку пересечь невозможно. Или, если на то пошло, ничто вообще не может двигаться. (Для раз- решения этой головоломки понадобятся еще два тысячелетия и со- ответствующее развитие вычислительной науки. Можно доказать, что бесконечное множество точек можно пройти за конечное коли- чество времени, что, в конце концов, делает движение математически возможным.) Джон Уилер из Принстона проанализировал уравнения Эйнште- йна с целью найти наименьшее расстояние. Уилер обнаружил, что на невероятно малых расстояниях, порядка длины Планка (10"см), теория Эйнштейна предсказывала, что искривление пространства будет достаточно велико. Иными словами, при длине Планка про- является то обстоятельство, что пространство совсем не гладкое, а сильно искривленное, то есть его характеризуют неоднородность и «пенистость». Пространство становится комковатым и буквально бурлит; при этом крошечные пузырьки выпрыгивают из вакуума и снова исчезают в нем. Даже пустое пространство, если его рас- сматривать в таком масштабе, постоянно заполнено мельчайшими пузырьками пространства-времени, которые, по сути, представляют собой крошечные порталы-червоточины и вселенные-малютки. Обычно « виртуальные частицы состоят из электронных и позитрон- ных пар, которые появляются, чтобы тут же аннигилировать друг друга. Но при длине Планка крошечные пузырьки, представляющие собой целые вселенные и порталы, могут возникать только для того, чтобы тут же раствориться в вакууме. Наша собственная Вселенная могла зародиться в виде одного из таких крошечных пузырьков, по- качивающихся в «пене» пространства-времени, который потом раз- дулся по неизвестным нам причинам. Поскольку порталы-червоточины в естественном состоянии можно обнаружить в «пене», Торн предположил, что высокораз- витая цивилизация сможет извлечь эти порталы из «пены», а затем расширить их и стабилизировать с помощью отрицательной энер- гии. Хотя это достаточно сложный процесс, но он лежит в пределах возможностей, определяемых законами физики. Машина времени Торна кажется теоретически возможной, хотя, с точки зрения технологии, сконструировать ее чрезвычайно сложно; но существует еще один нерешенный вопрос: противоречат ли путе- шествия во времени фундаментальному закону физики? Вселенная у вас в спальне В 1992 году Стивен Хокинг попытался разрешить вопрос о путеше- ствиях во времени раз и навсегда. Инстинктивно он был против пу- тешествий во времени; ведь если бы путешествия сквозь время были таким же обычным явлением, как и воскресные пикники, то тогда мы должны были бы видеть туристов из далекого будущего, которые глазели бы на нас и фотографировали. Но физики часто приводят цитату из эпического романа Т. X. Уай- та «Король былого и грядущего», где муравьиное общество заяв- ляет: «Все, что не запрещено, обязательно к исполнению». Иными словами, если нет основополагающего физического принципа, за- прещающего путешествия во времени, то они непременно являются физически возможными. (Причиной тому есть принцип неопреде- ленности. Если только что-либо не запрещено, то квантовые взаи- модействия и флуктуации в конце концов сделают это возможным при условии достаточно долгого ожидания.) В ответ Стивен Хокинг предложил «гипотезу защиты хронологии», которая запрещает пу- тешествия во времени и тем самым «сохраняет историю для истори- ков». Согласно этой гипотезе, путешествия во времени невозможны, поскольку противоречат частным физическим принципам. Поскольку с решениями для порталов-червоточин работать чрезвычайно трудно, Хокинг начал свое доказательство с анали- за упрощенной Вселенной, открытой Чарльзом Мизнером из Мэрилендского университета: в ней наличествовали все составля- ющие, необходимые для путешествий во времени. Пространство Мизнера — это идеализированное пространство, в котором, на- пример, ваша спальня становится целой Вселенной. Пусть каждая точка на левой стене спальни идентична соответствующей точке на правой стене. Это означает, что если вы пойдете по направлению к левой стене и не остановитесь вовремя, то вы не разобьете себе нос в кровь, а пройдете сквозь стену и возникнете вновь из правой стены. Это означает, что в каком-то смысле левая и правая стены соединены цилиндрически. Кроме того, точки на передней стене дома идентичны точкам на задней стене, а точки на потолке идентичны точкам пола. Таким об- разом, идя в любом направлении, вы пройдете сквозь одну из стен спальни и снова вернетесь в нее. Вы не можете выйти из нее. Иными словами, ваша спальня поистине является целой Вселенной! Далее, вглядевшись в левую или правую стену, вы увидите, что она, по сути, прозрачна и на другой стороне этой стены находится точ- ная копия вашей спальни. В этой другой спальне стоит ваш точный клон, хотя вы и можете увидеть только его спину, но никогда — лицо. Если вы посмотрите вверх или вниз, то также увидите точные копии самого себя. По сути, существует бесконечная последовательность точных копий вас самих, стоящих спереди, сзади, внизу и над вами. Вступить в контакт с самим собой довольно трудно. Каждый раз, когда вы поворачиваете голову, чтобы взглянуть на лица клонов, вы обнаруживаете, что они тоже отворачиваются, и поэтому вы никак не можете увидеть их лица. Но если спальня достаточно маленькая, то вы можете просунуть руку сквозь стену и схватить за плечо клона, стоящего перед стеной. Вас может повергнуть в шок то, что клон сза- ди вас также протянул руку и схватил вас за плечо. Точно так же вы мо- жете вытянуть руки направо и налево, схватив клонов, стоящих слева и справа, и тогда образуется бесконечная последовательность вас самих, держащихся за руки. В сущности, вы протянулись через всю 
В пространстве Мизнера Вселенная заключена в вашей спальне. Противоположные стены идентичны друг другу, а потому, пройдя сквозь одну стену, вы тут же появитесь из противоположной. Точно так же и потолок идентичен полу. Пространство Мизнера часто изучают по той причине, что его топология идентична топологии портала-червоточины, но с ним намного легче иметь дело в математическом отношении. Если стены двигаются, то во Вселенной Мизнера путешествия во времени, возможно, допустимы. Вселенную, чтобы схватить за плечо самого себя. (Не рекомендуется наносить вред своим клонам. Если вы возьмете пистолет и направи- те его на клона впереди вас, то вам, возможно, стоит пересмотреть свою позицию и не нажимать на курок, потому что клон сзади также целится в вас!) Представьте, что в пространстве Мизнера стены вокруг вас сжи- маются. Ситуация становится интересной. Допустим, что спальня сжимается и правая стена медленно движется по направлению к вам со скоростью 3 км/ч. Если теперь вы пройдете сквозь левую стену, то снова появитесь из правой движущейся стены, но уже приобретете дополнительную скорость, равную 3 км/ч, сообщенную вам стеной, так что теперь вы будете двигаться со скоростью 6 километров в час. По сути, каждый раз, как вы совершаете полный проход, вам сооб- щается дополнительная скорость, равная 3 км/ч. После повторения путешествий вокруг Вселенной вы двигаетесь со скоростью 9, потом 12,15 км/ч — до тех пор, пока не достигнете невероятной скорости, близкой к световой. В определенной критической точке вы двигаетесь в этой Все- ленной Мизнера настолько быстро, что начинаете путешествие во времени назад- По сути, вы можете посетить любую предыдущую точку пространства-времени. Хокинг тщательно изучил простран- ство Мизнера. Он обнаружил, что с математической точки зрения правая и левая стены почти идентичны двум устьям-входам порта- ла-червоточины. Иными словами, ваша спальня и есть портал, где правая и левая стены одинаковы и являются идентичными устьями- входами портала. Затем он отметил тот факт, что пространство Мизнера неустой- чиво с точки зрения как классической, так и квантовой механики. К примеру, если вы направите луч фонарика на левую стену, то луч будет набирать энергию каждый раз, появляясь из правой стены. Этот луч приобретет голубое смещение — то есть будет содержать все больше энергии, до тех пор, пока она не станет бесконечной, а это уже невозможно. Или же луч фонаря приобретет такое количество энергии, что создаст свое собственное невероятно сильное грави- тационное поле, которое сожмет спальню/портал. Таким образом, портал сожмется, если вы попытаетесь пройти сквозь него. Также можно доказать, что нечто, называемое тензором энергии-импульса, который измеряет энергетическое и вещественное содержимое про- странства, станет бесконечным, поскольку излучение может пройти сквозь эти две стены бесконечное количество раз. Хокинг таким образом нанес завершающий смертельный удар по идее путешествий во времени — многочисленные эффекты излуче- ния накладывались до тех пор, пока не начинали стремиться к бес- конечности, создавая отклонения, губя путешественника во времени и закрывая портал. В своих работах Хокинг поднял вопрос об отклонениях, что вы- звало оживленную дискуссию в физической литературе. Ученые разделились — «за» и «против» принципа защиты хронологии. По сути, несколько физиков бросились искать бреши в доказательстве Хокинга, выбирая подходящие значения для порталов, изменяя их параметры — длину и прочее. Они обнаружили, что в некоторых решениях для порталов тензор энергии-импульса действительно от- клонялся, нов остальных решениях он был четко определен. Русский физик Сергей Красников рассмотрел вопрос отклонений в связи с различными типами порталов и сделал вывод, что «нет ни крупицы доказательств такого предположения, что машина времени должна быть нестабильна». Научная мысль так далеко отступила от выводов Хокинга, что физик из Принстона Ли-Синь Ли даже выдвинул гипотезу анти- хронологической защиты: «Не существует такого закона физики, который бы препятствовал появлению замыкающихся временных петель». В 1998 году Хокинг был вынужден в некотором роде пойти на уступку. Он написал: «Тот факт, что тензор энергии-импульса не выказывает отклонений [в определенных случаях], доказывает, что обратная реакция не навязывает нам существования принципа за- щиты хронологии». Это совсем не означает, что путешествие во времени возможно, это лишь доказывает, что наши познания в этой области еще далеко не полны. Физик Мэтью Виссер считает, что про- вал гипотезы Хокинга «вовсе не должен питать надежды энтузиастов путешествий во времени, а скорее указывает на то, что разрешение вопросов защиты хронологии требует доскональной разработки теории квантовой гравитации». Сегодня Хокинг уже не говорит, что путешествия во времени аб- солютно невозможны. Он утверждает лишь, что они очень уж мало- вероятны и трудно осуществимы. Перевес совершенно очевидно не в пользу путешествий во времени. Но тем не менее нельзя полностью отбрасывать возможность их осуществления. Если бы можно было каким-либо образом использовать большие количества положитель- ной и отрицательной энергии, то путешествия во времени и вправду стали бы возможны. (И, возможно, наше время только потому не наводнили толпы туристов из будущего, что самым отдаленным вре^ менем, в которое они могут отправиться, является момент создания самой машины времени, а машины времени пока что еще не скон- струированы.) Машина времени Готта В 1991 году Дж. Ричард Готт III из Принстона предложил еще одно решение эйнштейновских уравнений, которое допускало путеше- ствия во времени. Его подход был интересен потому, что Готт вы- брал совершенно новое, можно сказать, свеженькое направление, полностью отбросив вращающиеся объекты, порталы-червоточины и отрицательную энергию. Готт родился в Луисвилле (штат Кентукки) в 1947 году. В его речи до сих пор слышен мягкий южный акцент, который кажется несколь- ко экзотичным в разреженном, беспорядочном мире теоретической физики. Он начал изучать физику еще в детстве, вступив в клуб астро- номов-любителей, где наслаждался видом звездного неба. В школе Готт выиграл престижный конкурс Вестингауза «Поиски научных талантов», в котором поныне участвует как председатель жюри. Закончив Гарвард со степенью доктора математики, он отпра- вился в Принстон, где работает и по сей день. Занимаясь исследованиями в области космологии, Готт заинтере- совался «космическими струнами», «остатком» Большого Взрыва, существование которых предсказывается во многих теориях. Косми- ческие струны могут быть тоньше диаметра атомного ядра, но их масса может быть сравнима со звездной и они протягиваются в пространстве на миллионы световых лет. Готт первым обнаружил решение уравнений Эйнштейна, допускающее существование кос- мических струн. Но затем он заметил в этих космических струнах нечто необычное. Если взять две космические струны и отправить их навстречу друг другу, то прямо перед тем, как они столкнутся, их можно использовать в качестве машины времени. Во-вторых, он обнаружил, что если облететь вокруг сталкивающихся космических струн, то пространство сжимается, что придает ему необычные свой- ства. Мы знаем, что, если, например, обойти вокруг стола и вернуться на место старта, мы совершим оборот (вокруг стола) в 360°. Но если ракета облетит две космические струны при их прохождении друг сквозь друга, то она, по сути, совершит неполный оборот, меньше 360°, потому что пространство сжимается. (Это топология конуса. Если мы облетим вокруг конуса, то обнаружим, что совершили не- полный оборот.) Таким образом, стремительно облетев вокруг обе- их струн, вы фактически могли бы превысить скорость света (с точки зрения находящегося в отдалении наблюдателя), поскольку общее расстояние будет меньшим, чем ожидалось. Однако это не противо- речит специальной теории относительности, поскольку в вашей собственной системе отсчета скорость ракеты никогда не превысит скорости света. Но это также означает, что если вы облетите две сталкивающиеся космические струны, то сможете совершить путешествие в прошлое. Готт вспоминает: «Когда я обнаружил это решение, я чрезвычайно взволновался. В решении использовалось только положительное ве- щество, которое двигалось со скоростью, не превышающей скорость света. Для сравнения: решения, привлекающие порталы, требуют присутствия более экзотического отрицательно-энергетически- плотного вещества (то есть чего-то, что весит меньше, чем ничего)». Но количество энергии, необходимое для создания машины времени, просто невероятно. «Чтобы сделать возможными путе- шествия в прошлое, космические струны массой в 10 триллионов на сантиметр должны двигаться в противоположных направлениях со скоростями, составляющими, по меньшей мере, 99,999999996 % скорости света. Мы наблюдали во Вселенной протоны высокой энергии, двигающиеся так же быстро, а потому такие скорости воз- можны», — замечает он. Некоторые критики указывают на то, что космические струны — явление очень редкое, если они вообще существуют, а столкновение космических струн — еще более редко. Поэтому Готт предложил следующее: высокоразвитая цивилизация может обнаружить кос- мическую струну в открытом космосе. Используя гигантские кос- мические корабли и точнейшие приборы огромных размеров, люди будущего могли бы преобразовать эту струну в слегка неправильный прямоугольник-петлю (похожий на наклонный стул). По его теории, эта петля-прямоугольник может коллапсировать под воздействием своей собственной гравитации, так что два прямых отрезка космиче- ской струны могут пролететь друг мимо друга со скоростью, близкой к скорости света, создав тем самым машину времени. И тем не менее Готт признает: «Коллапсирующая петля из космической струны, до- статочно большая для того, чтобы вы смогли облететь вокруг нее и отправиться хотя бы на год назад в прошлое, должна была бы иметь массу-энергию более половины всей галактики». Временные парадоксы Традиционно еще одной причиной, по которой ученые отбрасы- вали идею путешествия во времени, были временные парадоксы. Например, если вы вернетесь назад во времени и убьете своих родителей до момента вашего рождения, то рождение ваше станет невозможным. Так что, для начала, вы никогда не сможете вернуться назад во времени и убить своих родителей. Это важно, поскольку наука основывается на логически последовательных идеях; такого временного парадокса было бы достаточно, чтобы отбросить идею о путешествии во времени. Эти временные парадоксы разделяются на несколько категорий: Дедушкин парадокс. Согласно этому парадоксу, вы изменяете прошлое таким образом, что существование настоящего ста- новится невозможным. Например, отправившись в отдаленное прошлое, чтобы взглянуть на динозавров, вы можете случайно наступить на маленькое мохнатое существо, которое, возмож- но, было первым предком рода человеческого. Уничтожив сво- его предка, вы делаете собственное существование логически невозможным. Информационный парадокс. Согласно этому парадоксу, ин- формация приходит из будущего, а это означает, что у нее нет начала. Например, представим, что какой-то ученый создал машину времени и отправляется в прошлое, чтобы поведать секрет путешествия во времени самому себе в юные годы. У этого секрета не будет начала, поскольку та машина време- ни, которую создаст молодой ученый, не будет изобретена им самим; секрет ее конструкции будет передан ему его старшим воплощением. Парадокс Билкера. Предположим, человек знает, каким будет его будущее, и совершает какой-то поступок, что делает суще- ствование такого будущего невозможным. Например, вы соз- даете машину времени, которая может унести вас в будущее, и обнаруживаете, что вам суждено жениться на женщине по имени Джейн. Однако в пику судьбе вы решаете жениться на женщине по имени Хелен, таким образом делая невозможным существование такого будущего. Сексуальный парадокс'6'. Согласно этому парадоксу, вы явля- етесь своим собственным отцом, что невозможно биологи- чески. Герой истории, написанной британским философом Джонатаном Гаррисоном, не только является собственным отцом, но и съедает самое себя. В классическом произведении Роберта Хайнлайна «Все вы зомби» герой одновременно и собственный отец, и мать, и дочь, и сын — то есть в нем во- площено все фамильное древо. (За подробностями обрати- тесь к примечаниям. Раскрыть тайну сексуального парадокса в действительности довольно сложно, поскольку это требует знаний как в области теории путешествий во времени, так и в механике ДНК.) В «Конце вечности» Айзек Азимов рисует в своем воображе- нии «временную полицию», которая отвечает за предотвращение подобных парадоксов. В фильме «Терминатор» сюжет основан на информационном парадоксе — ученые изучают микрочип, взятый у робота из далекого будущего, затем они создают целую расу роботов, которые наделены сознанием, и те завоевывают весь мир. Иными словами, сама конструкция этих роботов не была создана каким-либо изобретателем; она просто взята из обломков одного из роботов да- лекого будущего. В фильме «Назад в будущее» Майкл Дж. Фокс пыта- ется избежать «дедушкиного парадокса», когда возвращается назад во времени и встречается со своей матерью-подростком, которая тут же влюбляется в него. Но если она отвергнет ухаживания отца Фокса, то само существование Майкла будет поставлено под угрозу. Сценаристы охотно нарушают законы физики, создавая голли- вудские блокбастеры. Но в кругу физиков к таким парадоксам отно- сятся очень серьезно. Любое решение подобных парадоксов должно быть совместимо с теорией относительности и квантовой теорией. Например, для совмещения с теорией относительности река време- ни должна быть бесконечной. Вы не можете запрудить реку времени. В общей теории относительности время представлено как гладкая протяженная поверхность, которую нельзя разорвать и на которой ■ не может образоваться рябь. Топология ее может измениться, но просто так остановиться река не может. Это означает, что если вы убьете своих родителей до момента собственного рождения, то вы не исчезнете. Такой вариант развития событий противоречил бы за- конам физики. В настоящее время физики делятся на две группы, поддержи- вая два возможных решения этих временных парадоксов. Русский космолог Игорь Новиков считает, что мы вынуждены действовать таким образом, словно парадоксы неизбежны. Его подход называется «школой непротиворечивости». Если река времени мягко повора- чивает вспять и снова замыкается на самой себе, создавая водоворот, то, согласно предположениям Новикова, если мы решим вернуться назад во времени, что было бы чревато созданием временного па- радокса, то некая «невидимая рука» должна вмешаться и предот- вратить прыжок в прошлое. Но в подходе Новикова существуют проблемы со свободной волей. Если мы вернемся назад во времени и встретим своих собственных родителей, то можно подумать, что в своих действиях мы руководствуемся собственной волей; Новиков считает, что еще не открытый закон физики запрещает любое дей- ствие, которое изменило бы будущее (например, такое действие, как убийство собственных родителей или предотвращение факта собственного рождения). Он отмечает: «Мы не можем отправить путешественника во времени в сады Эдема, чтобы попросить Еву не рвать яблоко с дерева». Что же это за загадочная сила, не позволяющая нам изменить про- шлое и создать временной парадокс? «Такое давление на нашу волю необычно и загадочно, но все же оно имеет свои параллели, — пишет он. — Например, я могу изъявить волю прогуляться по потолку без всякого специального снаряжения. Закон гравитации не позволит мне этого сделать; я упаду на пол, если попытаюсь это сделать, а по- тому моя свобода воли ограничена». Но временные парадоксы могут происходить и тогда, когда не- одушевленное вещество (вовсе не обладающее свободной волей) за- брасывается в прошлое. Предположим, что перед битвой Александра Великого с царем персов Дарием III в 330 году до н. э. вы отправляете в прошлое пулеметы с инструкцией на древнеперсидском по их ис- пользованию. Мы бы потенциально изменили всю последующую европейскую историю (и, возможно, обнаружили бы, что вместо одного из европейских языков разговариваем на каком-то диалекте персидского). По сути, даже мельчайшее вмешательство в прошлое может стать причиной самых неожиданных парадоксов в настоящем. Например, в теории хаоса используется метафора «эффект бабочки». В критиче- ские моменты формирования климата Земли достаточно малейшего трепета крыльев бабочки, чтобы пустить по воде рябь, способную на- рушить баланс сил и вызвать грозу страшной силы. Даже мельчайшие неодушевленные объекты, будучи отправлены в прошлое, неизбежно изменят прошлое самым непредсказуемым образом, что станет при- чиной временного парадокса. Вторым способом разрешения временного парадокса является вариант, при котором река времени мягко разветвляется на две реки, или рукава, образуя две различные Вселенные. Иными словами, если бы вы отправились в прошлое и застрелили своих родителей до момента собственного рождения, вы бы убили людей, которые генетически не отличаются от ваших родителей в альтернативной вселенной, в той, где вы никогда не родитесь. Но ваши родители в вашей родной Вселенной останутся живы. Вторая гипотеза называется «теорией многих миров»: суть ее в том, что все возможные многочисленные миры могут существовать одновременно. Это исключает бесконечное количество расхожде- ний, обнаруженное Хокингом^, поскольку излучение не будет раз за разом проходить сквозь портал, как в пространстве Мизнера. Если оно и проникнет сквозь портал, то только один раз. Каждый раз, проходя сквозь портал, оно будет входить в новую вселенную. И этот парадокс восходит, возможно, к глобальному вопросу кван* | товой теории: как может быть кот и живым, и мертвым в одно и то | же время? ; Для ответа на этот вопрос физикам пришлось принять во вни- ! мание два шокирующих решения: либо Существует Космический Разум, следящий за всеми нами, либо существует бесконечное коли- чество квантовых вселенных. жүктеу/скачать 2.82 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|