Nuo tada, kai H. G. Wellsas išleido savo „Laiko mašiną“, žengimas į praeitį ar ateitį, neišvengiamai grįžęs į savo erą, tvirtai įsitvirtino mokslinėje fantastikoje. Bet ar jie yra įmanomi šiuolaikinio mokslo požiūriu, bent jau teoriškai?
Kartu su bendraminčių grupe aš tyrinėju laiko keliones bendrojo reliatyvumo kontekste su tam tikromis kvantinėmis pataisomis. Tiksliau, problema iškeliama taip: ar įmanoma sukonstruoti bendrosios reliatyvumo erdvės ir laiko laiką tam tikrų kvantinių laukų, turinčių uždaras pasaulio linijas, pagalba? Jei pasaulio linija palieka tam tikrą erdvės ir laiko tašką ir grįžta į jį, tada judėjimas šia kilpa bus tiesiog laiko kelionė. Tiems, kurie yra susipažinę su reliatyvumo teorija, paaiškinsiu, kad pasaulio linija turi būti panaši į laiką. Tai reiškia, kad joks judėjimas išilgai jo neturėtų viršyti šviesos greičio.
- „Salik.biz“
Pusiau klasikinis
Mūsų požiūris į laiko kelionių problemos formulavimą gali būti vadinamas pusklasika, nes jis grindžiamas klasikinės Einšteino gravitacijos teorijos ir kvantinio lauko teorijos derinimu. Kai kurie žmonės sako, kad ši kelionių problema turėtų būti tiriama remiantis grynai kvantine gravitacijos teorija, tačiau ji dar nebuvo sukurta ir mes nežinome, kaip ji atrodys.
Einšteino lygtys yra simetriškos laiko atžvilgiu, jų sprendimai gali būti tęsiami tiek į ateitį, tiek į praeitį. Todėl iš jų neišplaukia laiko negrįžtamumas, kuris uždraustų keliauti laiku. Tačiau geometrinę erdvės-laiko struktūrą lemia medžiagos užpildymo erdvė savybės, jos energija ir slėgis. Taigi mūsų pagrindinę problemą galima performuluoti taip: kokia materija leidžia pasaulinių linijų kilpas? Pasirodo, dalykas, prie kurio esame įpratę, susidedantis iš dalelių ir radiacijos, jokiu būdu tam netinka. Mums reikia kitokios rūšies materijos, turinčios neigiamą masę, todėl, jei prisimintume garsiąją Einšteino formulę E = mc2, ir neigiamą energiją (beje, nepainiokite tokios materijos su antidalelėmis - jų masės ir energija yra teigiamos). Tai jau seniai įrodė keli fizikai,pavyzdžiui Stephenas Hawkingas.
Kazimiero efektas
Reklaminis vaizdo įrašas:
Medžiaga su neigiama mase ir energija gali atrodyti absurdiška, tačiau ji buvo parengta teorijos ir netgi patvirtinta eksperimentu. Tiesa, klasikinė fizika to neleidžia, tačiau kvantinio lauko teorijos požiūriu ji yra visiškai teisėta. Tai įrodo fizinis poveikis, pavadintas olandų fiziko Hendriko Kazimiro vardu. Jei mes paimsime dvi poliruotas metalines plokšteles ir padėsime jas griežtai lygiagrečiai viena kitai kelių mikrometrų atstumu, jos pritrauks jėga, kurią galima išmatuoti (tai pirmą kartą buvo padaryta prieš 15 metų). Šis potraukis paaiškinamas būtent tuo, kad tarpas tarp plokštelių turi neigiamą energiją.
Iš kur jis atsiranda? Paprastumui mes manysime, kad plokštės yra idealiame vakuume. Remiantis kvantų teorija, visą laiką gimsta ir išnyksta įvairūs kvantinių laukų svyravimai, pavyzdžiui, virtualūs fotonai. Jie visi prisideda prie vidutinės laisvojo vakuumo energijos, kuri yra lygi nuliui. Kad tai būtų įmanoma, kai kurie svyravimai turi turėti teigiamą energiją, o kiti - neigiamą.
Bet šalia fizinių kūnų ši pusiausvyra gali būti nepastebėta. Visų pirma, erdvėje tarp plokštelių „minusiniai“svyravimai dominuoja virš „pliusų“. Todėl vakuumo energijos tankis yra mažesnis už laisvojo vakuumo energijos tankį, tai yra mažesnis už nulį. Šis tankis yra atvirkščiai proporcingas tarpo tarp plokščių pločio ketvirtajai galiai, o tarpląstelio erdvės tūris yra proporcingas pačiam pločiui. Taigi jų produktas turi neigiamą ženklą ir yra atvirkščiai proporcingas plyšio pločio kubui. Dėl to, kai plokštės priartėja viena prie kitos, visa tarpinė tarpinė erdvės vakuumo energija vis labiau ir labiau nukrenta žemiau nulio ženklo, todėl yra energetiškai palanku, kad jos būtų traukiamos viena prie kitos.
Laiko patrulis
Bet atgal į laiką kelionės. Kadangi paprastosios materijos masė yra teigiama, iš jos neįmanoma padaryti prietaiso, kuris galėtų keliauti laiku. Jei ši problema išspręsta, tada naudokite tik tam tikras kvantinių laukų konfigūracijas, kurios teikia neigiamą energiją visoje uždaroje pasaulio linijoje.
Tačiau, matyt, tiesiog neįmanoma sukurti tokios konfigūracijos. Tam trukdo labai svarbus apribojimas, vadinamas vidutine nulinės energijos būsena (ANEC). Matematiškai jis išreiškiamas gana sudėtinga integrale ir paprasta žmonių kalba sakoma, kad bet kokia neigiamos energijos įtampa pagal pasaulio fotonus turėtų būti tiksliai ar net perdėtai kompensuota pridėjus teigiamos energijos.
Remiantis visais turimais duomenimis, gamta atitinka ANEC be jokių išimčių. Galima parodyti, kad Kazimiro efektas taip pat paklūsta šiai sąlygai. Pvz., Jei plokštelėse padarysime dvi skylutes, esančias priešais viena kitą, ir pro jas pateksime šviesos pluoštą iš išorės per tarpląstelinę erdvę, bendras energijos kiekis, keičiantis jos pasaulio linijai, bus teigiamas.
Kaip tai veikia laiko keliones? Galima įrodyti, kad jei tam tikras ANEC analogas veikia lenktoje bendrojo reliatyvumo erdvėje, tada tokios eigos yra neįmanomos.
Kitaip tariant, ši ANEC versija, kurią mes vadinome achronine, uždraudžia bet kokius laiko mašinų, pagamintų naudojant neigiamą masę, projektus.
Dabar aš dirbu su savo studentais, norėdamas matematiškai įrodyti šią versiją, ir man atrodo, kad mes jau kažko pasiekėme.
Jei mums pavyks surinkti reikiamą įrodymą, bus įrodytas pagrindinis laiko mašinos nepraktiškumas - bent jau pagal pusklasinį požiūrį. Ir kadangi dar neturime išbaigtos kvantinės gravitacijos teorijos, ši išvada turės būti priimta bent jau prieš sukuriant.
Kenas Olumas, Tufto universiteto fizikos profesorius.
Kalbėjosi: Aleksejus Levinas, Olegas Makarovas, Dmitrijus Mamontovas