Червоточины и машины времени

Червоточина. Вступление

«Время — это огонь, в котором мы все сжигаем», — говорит персонаж фильма «Звездный путь».Червоточины

Эта цитата захватывает, что время имеет на наше воображение. Время, особенно увлекательная и философски непростая проблема путешествий во времени, было обычной темой научной фантастики со времен классической истории Г. Г. Уэллса . Способность манипулировать временем остается за пределами нашего понимания, но в последнее десятилетие физики провели замечательное исследование времени, которое снова подводит нас к передовым рубежам физики.

Отделение времени от пространства было частью физического мышления, по крайней мере, с эпохи Галилея.

Уравнения, которые физики используют для описания природы, симметричны во времени. Они не различают время, бегущее вперед, и время, бегущее назад. Фильм частиц пыли, плавающих в солнечном луче, выглядел бы по существу одинаково бегом вперед или назад. Если проекционист запустит обычный фильм в обратном направлении, вы заметите это немедленно.

  • Где возникает разница, «стрела времени»?
  • Почему мы стареем от подросткового до среднего возраста, а не наоборот?
  • Это прогрессия неизменна?

Новые подходы к размышлению о времени возникли из-за нового мышления о связанности пространства и из-за желания сделать фильм, который, помимо прочего, мог бы исследовать вопросы науки и веры.

Червоточины

Эта конкретная атака на путешествия во времени возникла из произведения научной фантастики. Карл Саган задумал фильм, который, помимо других изобретательских идей, вызовет быстрое путешествие по Галактике. Фильм остановился, и Саган первым обратился к написанию романа. Роман имел большой успех, и фильм окончательно вышел из производства.

Фильм также имел большой успех, но Саган скончался от болезни, связанной с лейкемией, прежде чем был выпущен.

В первоначальном проекте своего романа « Соприкосновение» Саган писал о способе межзвездного путешествия, созданного древней внеземной цивилизацией. Он имел в виду, что его проход был черной дырой, в которой можно было лететь за горизонт событий и появляться — в другом месте. Саган отправил черновик книги Кипу Торну , физику из Калифорнийского технологического института и одному из мировых экспертов по черным дырам. Торн написал свою личную версию этой истории в книге « Черные дыры и временные перекосы: возмутительное наследие Эйнштейна» . Торн понял, что то, что предложил Саган, не сработает.

Торн предложил решение с другой физикой и большим воображением!

Уравнения Эйнштейна для черной дыры действительно описывают проход между двумя вселенными или между двумя частями одной и той же вселенной: структура, называемая мостом Эйнштейна-Розена , или, на более простом языке, червоточина . Это еще одна фраза, придуманная физиком-мастером слова Джоном А. Уилером . Эксперты по черной дыре десятилетиями знали, что кажущаяся червоточина представляет собой только один момент во времени в решении Шварцшильда для двух вселенных для невращающейся черной дыры, описанной в главе 9 (раздел 8.2).

Прямо перед этим моментом или сразу после него нет прохода, только ужасная пасть сингулярности, ожидающая уничтожения всего, что попадало в горизонт событий. Для бесстрашного исследователя, который пытался мчаться со скоростью, меньшей скорости света через червоточину, в тот момент, когда она открылась, червячная дыра захлопнулась. Исследователь будет пойман в ловушку и втянут в единственность .

В принципе, Саган мог вызвать вращающуюся черную дыру Керра, в которой есть возможность путешествовать через внутреннее «нормальное» пространство, где приливные силы меньше бесконечности, если избегать сингулярности и затем выходить в другую Вселенную, как описано в Главе 9, Раздел 8.2.

Этот проход мог быть захвачен синим листом падающего звездного света. В любом случае Торн следовал другим путем. С дальнейшими размышлениями Торн понял, что может быть другой подход.Предположим, он рассуждал, что вы имеете дело с очень продвинутой цивилизацией, которая может создать все, что не запрещено законами физики.

Торн придумал решение, которое было бы странным и маловероятным, но не могло быть исключено известными в настоящее время законами физики. Его решение заключалось в том, что он назвал экзотической материей .


Обычное вещество имеет конечную энергию и оказывает конечное давление и создает нормальное, тянущее гравитационное поле. Однако математически можно представить, что вещество имеет отрицательную энергию и оказывает отрицательное давление, например, натяжение резиновой ленты.

Для экзотической материи это натяжение находится на таком экстремальном уровне, что энергия натяжения больше, чем энергия остальной массы, E = Mc 2 , резиновой ленты.

Такой материал обладает свойством, которое можно было бы назвать « антигравитацией» . В то время как обычная материя выталкивает наружу под давлением и тянет внутрь под действием силы тяжести, экзотическая материя тянет внутрь под действием своего натяжения и выталкивает наружу под действием силы тяжести. Примечательно, что связанные вещи стали важной темой в космологии, как описано в главе 12.

Космологи описывают инфляционную стадию, происходящую через доли секунды после большого взрыва, когда Вселенная претерпевала быстрое расширение, что привело к ее нынешним размерам и плавности. Условие, которое, как предполагается, вызывает инфляцию, представляет собой некую форму отрицательного энергетического поля, которое будет иметь отрицательное давление, которое оказывает давление на нормальную гравитацию, что приводит к быстрому расширению. Предполагается, что после короткого интервала гиперасширения это поле затухает, оставляя то, что мы сегодня считаем нормальным вакуумом с его небольшой, но ненулевой плотностью энергии квантового вакуума. Другая версия этих идей возникает в контексте современной, очевидно ускоряющейся Вселенной, представленной в главе 12.

Если Вселенная ускоряет свое расширение, в ней должно быть что-то, кроме гравитирующей материи, какая-то квантовая энергия вакуума, которая антигравитирует, Темная энергия . Торн не пытался объяснить природу экзотической материи. В самом общем смысле, однако, экзотическая материя, необходимая для создания червячных дыр, разделяет некоторые отталкивающие свойства инфляционной энергии и Темной энергии .

Поскольку он не был запрещен физикой и даже мог быть частью физики, Торн предположил, что развитая цивилизация может нанести часть этого экзотического вещества на минометную доску, взять шпатель и что-то с ним сделать. Умело примененный, отталкивающая природа антигравитации экзотического цемента могла держать мост Эйнштейна-Розена неопределенно долго!

Торн открыл, по крайней мере, концептуально, путь за короткий промежуток времени через гиперпространство из одного места в Галактике.

Результатом стало бы быстрое прохождение света через червоточину , всего лишь механизм, который Саган хотел продвинуть в своем заговоре. Саган принял основную идею Торна и описал такую ​​червоточину в книге, которая пошла в печать.

Передав основную идею Сагану, Торн оставался глубоко заинтригованным. Он продолжал работать над этой идеей со студентами, и вместе они опубликовали ряд работ, показывающих, что правильное расположение экзотической материи может привести к стабильной, постоянной червоточине. Соблазнительно спросить, как будет выглядеть червоточина. Червячная дыра не обязательно будет выглядеть черной , как черная дыра, хотя внешняя структура их геометрии пространства-времени была похожа. У черной дыры есть горизонт событий, из которого ничто не может вырваться.

Тем не менее, вы можете видеть и путешествовать через червячное отверстие. В своей простейшей форме червоточина может показаться сферической снаружи, то есть все подходы со всех сторон будут выглядеть одинаково. Если вы пройдете через него, вы направитесь прямо к центру сферического пространства. Не меняя направления своего распространения, вы в конечном итоге окажетесь вдали от центра, чтобы оказаться в другом месте.

Червячная дыра не является буквально туннелем в обычном смысле этого слова со стенами, к которым можно прикоснуться, но внутри сферической червоточины перспектива будет похожа на туннель.Вы сможете увидеть свет, поступающий из нормального пространства на любом конце червоточины. Вид сбоку, однако, показался бы странно ограниченным. Пространство червоточины глубоко искривлено. Свет, направленный в любом направлении, «перпендикулярном» радиусу через центр червячного отверстия, будет распространяться прямо в локальном пространстве, но в конечном итоге возвращается туда, где он начинался, как линия, проведенная вокруг поверхности сферы, только в трехмерном пространство.

Если вы столкнулись в червоточине с боком, вы, в принципе, могли бы видеть затылок. На практике свет может быть искажен, а ваш взгляд очень размытым. Эффект может выглядеть как ореол света вокруг вас, который отличает «боковое» направление от прямого через центр червячного отверстия. На рисунке 13.1 показано, как это может выглядеть для вас, когда вы освещаете фонарик внутри червоточины.

Распространенным заблуждением является смешение туннельных аспектов червоточины с воронкообразной диаграммой, которую физики используют для создания двумерного представления, диаграммы вложения реального трехмерного пространства вокруг черной дыры или червоточины. , На двумерной диаграмме вложенности окружность в двумерном пространстве является аналогом сферы в трехмерном пространстве.

Реальное искривленное пространство вокруг трехмерного червячного отверстия представлено в двух измерениях растянутым двумерным пространством, которое напоминает воронку, как это было для черной дыры, как обсуждалось в главе 9 . В этом двумерном аналоге вы не можете пройти через то, что мы воспринимаем как устье воронки. Это трехмерное гиперпространство в двумерном аналоге.

Вы должны вообразить, как паук ползет по поверхности двухмерного пространства, чтобы получить истинное значение природы этого пространства и некоторого ощущения трехмерной реальности.Вариант этого двумерного аналога червячной дыры показан на рисунке 13.2 . Червячное отверстие на рис. 13.2 соединяет две разные части открытой вселенной в форме седла.

Можно также изобразить червоточину, прорезавшую сферу в двумерной аналогии замкнутой вселенной. Сложнее изобразить на иллюстрации, но червячные отверстия могут также обеспечить такие сокращения в плоском пространстве. Если они правильно спроектированы, червоточины могут, в принципе, дать сколь угодно короткий путь между сколь угодно далекими пространствами нормального пространства в любой вселенной.

Некоторые фильмы и телевизионные программы основаны на этих современных представлениях о червоточинах, но все еще существует тенденция путать фактическую туннельоподобную природу с двумерным воронкообразным аналогом. В первом фильме «Звездный путь» «Энтерпрайз» попадает в червоточину, когда он прыгает в варп-диск слишком рано после ухода с Земли. Вы можете увидеть звезды по бокам червоточины. Это определенно неправильно.

Свет от звезд может попасть в конец червоточины, в которую проникло «Энтерпрайз», или через противоположный конец, к которому направляется корабль. Однако внутри червоточины свет застревает из-за сильной кривизны пространства. Там нет буквальной стены туннеля; следовательно, Кирк и его команда не могут смотреть сквозь него.

Телесериал « Вавилон 5» имеет «построенную» червоточину, но его водоворотоподобная природа больше напоминает двумерную аналогию, чем собственное проявление в реальном пространстве. В Deep Space 9 к червоточине можно приблизиться с любого направления, а туннель-подобный интерьер настолько близок к «реальности», насколько можно ожидать от графических дизайнеров, обращающихся к телевизионной аудитории.

Слайдеры также довольно хорошо понимают, что червоточина в основном сферическая, поэтому персонажи могут входить и выходить где угодно в трех измерениях. Фильм « Звездные врата» и основанная на нем телевизионная программа показывают, что портал с червоточиной представляет собой единый плоский круглый лист.

Символы входят и выходят только с одной стороны. Возможно, это зеркало Алисы, но оно не очень укоренилось в этом конкретном кусочке науки.

Классическая червоточина в фильме 2001 — Космическая одиссея . Тот факт, что монолит, вращающийся вокруг Юпитера, является червоточиной, немного неясен, но это так и есть. В этом фильме внешняя сторона червячного отверстия трехмерная, но это сплющенный прямоугольник. Мэтт Виссер из Вашингтонского университета Сент-Луиса спроектировал червоточину, которая очень похожа на это, с экзотическим веществом, ограниченным стойками вдоль границ прямоугольного тела. В версии фильма « Контакт» героиня вонзается в червоточину машиной, созданной пришельцами, которая открывает портал в червоточину.

Туннелеподобные аспекты изображены достаточно реалистично, и есть попытка вызвать другое удивительное свойство червоточин — искажение времени .

Машины времени

Если экзотической материи, антигравитации и сверхсветового путешествия было недостаточно, история червоточины еще больше, и время — это ее сущность.

Работая над природой червоточин, Торн и его сотрудники с удивлением осознали, что червоточины также должны функционировать как машины времени. На этом этапе к Торну присоединился Игорь Новиков, из Москвы, который сейчас работает в Копенгагенском университете, и его коллеги. Ключевым аспектом следующего этапа их мышления является то, что называют «парадоксом близнецов».


Эта загадка возникает уже в контексте специальной теории относительности Эйнштейна . Теория Эйнштейна однозначно показывает, что пара близнецов, движущихся с некоторой скоростью относительно друг друга, будет измерять друг друга, чтобы они старели медленнее. Парадокс близнецов, очевидно, возникает, когда один из близнецов вылетает в космос, а затем возвращается, а другой остается дома. Движение относительно, но близнецы не могут быть моложе друг друга.

Один близнец моложе, и если да, то какой? Разрешение парадокса состоит в том, что тот, кто путешествовал, будет моложе.

Этот путешественник, должно быть, испытал силу, ускорение при повороте, и в этом вся разница. Это ответ, если тщательно проанализировать его с помощью специальной теории относительности, учитывающей ускорение, которое чувствовал путешествующий близнец, а домохозяйство — нет. Торн понял, что вы можете провести этот эксперимент, по крайней мере, концептуально, с двумя концами червоточины. Возьмитесь за один конец (гравитационно) и бросьте его назад и обратно. Это будет абсолютно моложе конца, который не был ускорен.

Новиков понял, что тот же результат возникнет, если положить один конец червоточины в пустое пространство, а другой — возле гравитирующего тела. Общая теория относительности говорит, что в гравитационном колодце время будет течь медленнее . Конец червоточины в глубине гравитации был бы моложе конца в глубоком космосе. В любом из этих вариантов у вас есть машина времени !

Вы можете пройти в один конец червоточины и появиться в более раннюю эпоху. Если вы идете к первому концу червоточины через внешнее пространство, время проходит, и вы стареете нормально.

Вы могли бы встретиться с самим собой, прежде чем войти в дыру!

Потому что это наука , а не выдумка , есть пределы . Вы не можете выйти до того, как была создана машина времени червоточины, поэтому вы не можете перемещаться произвольно далеко назад во времени. Путешествие во времени, в том числе приглашенное машинами времени червоточины, приводит к еще одному классическому парадоксу: «парадоксу дедушки». Идея состоит в том, что путешественник во времени может вернуться в прошлое и убить своего дедушку до того, как ее мать или она родилась. Таким образом, парадокс.

Торн считает это слишком патерналистским и предлагает путешественнику во времени убить ее мать, что порождает «парадокс убийства матерей».

Новиков утверждает, что ушел посредник. Убей свою молодость в искаженном временем самоубийстве. Результат тот же. Путешественник во времени не мог существовать в первую очередь, чтобы совершить какое-либо из испытаний на анзаце.


Все эти примеры призывают людей и смерть, чтобы сделать их графическими, но люди поднимают вопрос о сознании и свободной воле, и эти проблемы являются беспорядочными для физика. Джо Полчински , тогда из Университета Техаса, а теперь из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, изобрел простой механический парадокс . Физики часто ссылаются на физику «пула», что означает процесс сведения проблемы к чему-то столь же интуитивному, как отскакивающие друг от друга шары пула, чтобы можно было легко представить физику — например, сохранение импульса.

Полчинский принял эту метафору, чтобы представить «кризис пула». В этом мысленном эксперименте шар пула катится в один конец машины времени. Это выходит на другой конец в прошлом. Он чмокает свое раннее воплощение, отклоняя его так, чтобы он не входил в червоточину. Парадокс в принципе тот же. Как мяч для пула «попадет» в будущем, если он никогда не входил в прошлое?

Полчинский утверждал, что эта простая установка показала, что машины времени не могут существовать, и ни добрым дедушкам, ни теплым, любящим матерям не угрожали ни в малейшей степени.Исследователи машины времени не купили его.

Недостаток этого аргумента, по словам Новикова, заключается в том, что оригинальный шарик пула изображен как беспрепятственно катящийся в червоточину, и столкновение рассматривается только тогда, когда шар сталкивается с самим собой. Это не противоречит самому себе. При столкновении должен быть задействован исходный мяч для пула, поскольку он сначала катится к отверстию червячного отверстия.

Физика должна быть самосогласованной, настаивает Новиков, даже в присутствии путешествий во времени. Новиков и его коллеги тщательно изучили кризис пула и показали, что он не может возникнуть.Они смотрели на все мыслимые взаимодействия. Мячи в бассейне могут пропустить, или они могут нанести скользящий удар, но они никогда не могут подвергнуться жесткому столкновению, которое приводит к парадоксу.

Группа Новикова даже исследовала взрывающийся шарик пула, один из фрагментов которого удается проникнуть в червоточину, вернуться вовремя и ударить взрывающийся шарик пула, взорвав его, что сделало весь эксперимент самосогласованным. Идея, что физика может включать машины времени таким образом, в некоторых кругах называется гипотезой согласованности Новикова . Теперь мы можем вновь ввести людей. Согласно гипотезе согласованности, любые сложные межличностные взаимодействия должны работать самостоятельно, чтобы не было парадокса. Это резолюция.

Это означает, что, если понимать буквально, что, если существуют машины времени, не может быть свободной воли. Вы не сможете заставить себя убить себя, если отправитесь в прошлое. Вы можете сосуществовать , выпить пива, вместе отпраздновать свой день рождения, но каким-то образом обстоятельства будут диктовать, что вы не можете вести себя так, чтобы привести к парадоксу во времени.

Новиков поддерживает эту точку зрения еще одним аргументом: физика уже ограничивает вашу свободную волю каждый день. Вы можете сами летать или проходить сквозь бетонную стену, но физика гравитации и конденсированных сред диктует, что вы не можете.

  • Почему, спрашивает Новиков, ограничение согласованности, накладываемое на путешественника во времени, отличается?
  • Как насчет обратного?
  • Если личная свободная воля существует, значит ли это, что машины времени не могут?

Этот вопрос не решен.

Физика не может решить вопрос о свободе воли , но она может решить вопрос о том, могут ли машины времени действительно существовать. Гипотеза о согласованности говорит о том, что определенные графики путешествий во времени разрешены, а другие — нет. В частности, гипотеза о согласованности скажет, что нельзя использовать путешествие во времени, чтобы изменить будущее, что является основной предпосылкой фильмов «Назад в будущее» и «Терминатор».

Циклы во времени допустимы, но согласно предположению о последовательности, будущее является таким же фиксированным, как и прошлое, и на него не может повлиять волевой акт или любой другой физический акт.


Еще один способ решения этих проблем — сказать, что время как-то «разветвляется» в момент парадокса. Идея «многих миров» возникла в другом контексте как способ понять некоторые загадки квантовой теории , как волна вероятности может быть превращена в экспериментально измеренную достоверность. В контексте путешествий во времени идея заключается в том, что однажды путешественник во времени живет, даже убив свою молодость.

С этой точки зрения ее младшая личность живет в старом времени, но не в нынешнем. Не ясно, что это разрешает происхождение воспоминаний путешественника во времени о том, что он был моложе, а позже обладал ножом. Помимо философских вопросов, проблемы, связанные с исследованиями машины времени, находятся на переднем крае современной физики.

С момента появления квантовой механики мы знали, что вакуум не имеет нулевой энергии. Наличие определенной энергии, даже нуля, нарушило бы принцип неопределенности Гейзенберга . Скорее, вакуум пронизан флуктуациями, частицами света, вещества и антивещества, которые постоянно образуются и аннигилируют. Устье червоточины, подобно пространству около горизонта событий черной дыры, будут наделены этими вакуумными колебаниями.

В случае черной дыры эти колебания приводят к излучению Хокинга и испарению черной дыры (глава 9, раздел 6).

Для червоточины проблема еще глубже. Колебания вакуума могут распространяться в нормальном пространстве к противоположному горловине червячного отверстия, проникать внутрь и появляться в прошлом как раз в то время, когда они ушли. Если бы это произошло, в колебаниях вакуума было бы в два раза больше энергии. Цикл может повторяться бесконечно и создавать бесконечную плотность энергии, полностью изменяя гравитацию и пространство и, таким образом, закрывая червоточину или препятствуя ее существованию в первую очередь.


Чтобы правильно решить эту проблему, необходима полная теория квантовой гравитации . Эта теория должна включать как сильно искривленное пространство-время, так и вероятностную природу квантовой теории. Такая теория является святым Граалем современной физики. Эта теория необходима, чтобы понять особенности большого взрыва и того, что находится внутри черной дыры.

Существуют большие концептуальные проблемы, стоящие перед развитием такой теории пространства-времени, которая применяется в масштабах, где время и пространство сами по себе являются неопределенными в квантовой манере, когда вверх и вниз, а также до и после теряют свое значение. Только с развитием этой окончательной теории всего мы действительно узнаем, возможны ли машины времени концептуально.

Дж. Крейг Уилер

Add a Comment

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *