Откакто Х. Г. Уелс публикува своята машина на времето, стъпките в миналото или в бъдещето с неизбежно завръщане към собствената им епоха се утвърдиха в научната фантастика. Но възможни ли са от гледна точка на съвременната наука, поне чисто теоретично?
Заедно с група съмишленици изучавам пътуването във времето в контекста на общата относителност с определени квантови корекции. По-конкретно, проблемът е поставен по следния начин: възможно ли е да се изгради извито пространство-време с обща относителност с помощта на определени квантови полета, съдържащи затворени световни линии? Ако световната линия напусне определена пространствено-времева точка и се върне към нея, тогава движението по този цикъл ще бъде просто пътуване във времето. За тези, които са запознати с теорията на относителността, ще поясня, че световната линия трябва да е подобна на времето. Това означава, че нито едно движение по него не трябва да надвишава скоростта на светлината.
Полу-класическа
Подходът ни към формулирането на проблема с временното пътуване може да се нарече полукласически, тъй като се основава на комбинирането на класическата теория на гравитацията на Айнщайн с квантовата теория на полето. Някои хора казват, че този проблем с пътуването трябва да се изучава на базата на чисто квантова теория на гравитацията, но тя все още не е създадена и не знаем как ще изглежда.
Уравненията на Айнщайн са симетрични по отношение на времето, техните решения могат да продължат както в бъдещето, така и в миналото. Следователно от тях не следва необратимостта на времето, което би наложило забрана за пътуване във времето. Геометричната структура на пространството и времето обаче се определя от свойствата на материята, запълваща пространството, неговата енергия и налягане. Така че основният ни проблем може да бъде преформулиран по следния начин: каква материя позволява бримките на световните линии? Оказва се, че материята, с която сме свикнали, състояща се от частици и радиация, по никакъв начин не е подходяща за това. Нуждаем се от различен вид материя, която има отрицателна маса и следователно, ако си припомним известната формула на Айнщайн E = mc2, и отрицателна енергия (между другото, не бъркайте такава материя с античастиците - техните маси и енергии са положителни). Това отдавна е доказано от няколко физици,например Стивън Хокинг.
Казимир ефект
Промоционално видео:
Материята с отрицателна маса и енергия може да изглежда абсурдна, но тя е разработена на теория и дори потвърдена от експеримента. Вярно, класическата физика не позволява, но от гледна точка на теорията на квантовите полета е напълно легална. Това се доказва от физически ефект, наречен на холандския физик Хендрик Казимир. Ако вземем две полирани метални плочи и ги поставим строго успоредно една на друга на разстояние от няколко микрометра, те ще привлекат със сила, която може да бъде измерена (което беше направено за първи път преди 15 години). Това привличане се обяснява именно с факта, че пространството между плочите има отрицателна енергия.
От къде идва? За простота ще приемем, че плочите са разположени в идеален вакуум. Според квантовата теория, през цялото време там се раждат и изчезват различни колебания на квантовите полета, като виртуални фотони. Всички те допринасят за средната енергия на свободния вакуум, която е нула. За да е възможно това, някои от колебанията трябва да имат положителна енергия, а някои трябва да имат отрицателна енергия.
Но в близост до физическите тела този баланс може да не се наблюдава. По-специално, в пространството между плочите, „минус“колебанията доминират над „плюс“. Следователно плътността на вакуумната енергия там е по-ниска от енергийната плътност на свободния вакуум, тоест по-малка от нула. Тази плътност е обратно пропорционална на четвъртата мощност на ширината на пролуката между плочите, докато обемът на междупластовото пространство е пропорционален на самата ширина. Така че техният продукт има отрицателен знак и е обратно пропорционален на куба на ширината на слота. В резултат на това, когато плочите се приближават една до друга, общата вакуумна енергия на междупластовото пространство пада все повече и повече под нулевата маркировка и следователно е енергийно благоприятно те да бъдат привлечени една към друга.
Времево патрулиране
Но обратно към пътуването във времето. Тъй като обикновената материя има положителна маса, от нея е невъзможно да се направи устройство, което да се движи във времето. Ако този проблем е разрешим, тогава само с помощта на някои конфигурации на квантови полета, които осигуряват отрицателна енергия по цялата затворена световна линия.
Очевидно е просто невъзможно да се създаде такава конфигурация. Това е възпрепятствано от много важно ограничение, наречено усреднено ядрено енергийно състояние (ANEC). Математически това се изразява в доста сложен интеграл, а в обикновен общ човешки език се посочва, че всеки принос от отрицателна енергия по световните линии на фотоните трябва да е точно или дори да бъде по-голям от компенсиран от добавки на положителна енергия.
Според всички налични данни природата спазва ANEC без изключения. Може да се покаже, че ефектът на Казимир също се подчинява на това условие. Например, ако направим две дупки в плочите един срещу друг и прокараме светлинен лъч през тях отвън през междупластовото пространство, общото количество енергия, което се променя по световната му линия, ще бъде положително.
Как това се отразява на пътуването във времето? Може да се докаже, че ако определен аналог на ANEC действа в криво пространство с обща относителност, тогава такива пътувания са невъзможни.
С други думи, тази версия на ANEC, която нарекохме ахронал, налага забрана за всякакви проекти на машини за време, направени с използване на материя с отрицателна маса.
Сега работя с моите ученици по математическото доказателство на тази версия и ми се струва, че вече сме постигнали нещо.
Ако успеем да изградим необходимото доказателство, ще бъде демонстрирана основната неприложимост на машината на времето - поне в рамките на полукласическия подход. И тъй като все още нямаме пълна квантова теория за гравитацията, това заключение ще трябва да бъде прието поне преди неговото създаване.
Кен Олум, професор по физика в Туфтския университет.
Интервюират: Алексей Левин, Олег Макаров, Дмитрий Мамонтов