Почему, черт возьми, мы не можем отправиться в прошлое?

Если бы невозможность путешествовать во времени была фундаментальной частью нашей Вселенной, мы бы ожидали, что за этим правилом стоит такая же фундаментальная физика, arstechnica.

Послушайте, мы не совсем игнорируем время. Мы знаем, что измерение времени соткано тремя измерениями пространства, создавая четырехмерную ткань Вселенной. Мы знаем, что время относительно; в зависимости от вашей системы взглядов вы можете сколь угодно мягко скользить вперед в будущее. (Вам просто нужно либо приблизиться к скорости света, либо привыкнуть к черной дыре, но это всего лишь незначительные проблемы инженерии, а не физики.)

Но насколько мы можем судить, мы не можем повернуть время вспять. Все свидетельства указывают на то, что путешествия в прошлое в нашей Вселенной запрещены. Каждый раз, когда мы пытаемся изобрести машину времени, входит какое-то случайное правило Вселенной и сбивает нашу руку от банки с временным печеньем.

И все же мы понятия не имеем, почему. Причины действительно кажутся случайными; нет ничего фундаментального, на что мы можем указать, нет закона, уравнения или концепции, которые окончательно объясняют, почему тебе не следует путешествовать в прошлое. И это довольно неприятно. Очевидно, что Вселенная сообщает нам что-то важное… мы просто не знаем, о чем она говорит.

Давай, убей своего дедушку

Ведутся всевозможные философские дебаты за и против возможности путешествий во времени. Возьмем, к примеру, знаменитый «дедушкин парадокс». Допустим, вы строите машину времени и путешествуете во времени. Вы находите собственного дедушку и стреляете в него (не знаю почему, но оставайтесь со мной здесь). Но подождите… если ваш дедушка мертв, это означает, что он не может стать отцом вашего отца, а значит, вы не существуете. Так как же ты вернулся в прошлое, чтобы совершить ужасный поступок?

Возможно, все-же, путешествие во времени в прошлое действительно разрешено, но ваши действия ограничены. Может быть, прошлое уже существует и полностью высечено в камне. То, что произошло, просто произошло. Если у вас была возможность путешествовать во времени и обезьянничать с прошлым, тогда прошлое уже должно кодировать эти действия – нет ничего нового, потому что оно буквально в прошлом. Так что вы не можете убить своего дедушку, потому что никогда не убивали, но вы можете быть тем незнакомцем, который устраивает ему свидание вслепую с бабушкой.

Может быть, времени даже не существует, чувак. Может быть, это конструкция нашего человеческого сознания как способ организовать и синхронизировать наши сенсорные входы. Может быть, мы навязываем какое-то глубокое, фундаментальное предвзятое представление о Вселенной, которому все равно, и все это обсуждение является спорным.

Все это часть вполне законных философских дискуссий. Но давайте посмотрим, сможет ли физика взяться за дело. В конце концов, если бы мы могли (даже теоретически) построить машину времени, то это позволило бы уладить множество ставок на поздний вечер в баре.

Так можем ли мы?

Замкнутые временные кривые

Физики используют совершенно особый язык, пытаясь построить машины времени: язык гравитации, данный нам самим старым Альбертом в форме Общей Теории Относительности. Это потому, что язык гравитации в интерпретации ОТО – это история искривления и деформации пространства-времени. ОТО – это теория движения в нашей Вселенной и того, как это движение связано с лежащей в основе четырехмерной тканью пространства-времени.

В ОТО материя говорит пространству-времени, как сгибаться, а сгибание пространства-времени говорит материи, как двигаться.

Чтобы определить, можем ли мы построить машину времени, физики хотят знать, можно ли построить пространство-время – чтобы найти конкретное и своеобразное расположение материи, – которое позволяет путешествовать в прошлое.

Цель состоит в том, чтобы найти «замкнутые временные кривые» или ЗВК.

«Кривая» означает именно то, что вы думаете, – путь через пространство и время. «Подобное времени» означает отсутствие обмана – вам никогда не разрешается путешествовать со скоростью, превышающей скорость света. «Замкнутый» означает, что кривая встречает сама себя – представьте, что вы путешествуете в одном направлении, всегда движется вперед, никогда не превышая скорости света. Однако в конце своего путешествия вы обнаруживаете, что попали в собственное прошлое.

Это машина времени. Это ЗВК.

Странно то, что ЗВК существуют! За десятилетия нам удалось раскрыть множество решений общей теории относительности, которые позволяют путешествовать во времени назад:

• (Не) известный математик Курт Гёдель (да, это Курт Гёдель) обнаружил, что если вселенная заполнена однородной пылью, которая медленно вращается, вы можете найти траектории в этой вселенной, которые заканчиваются в их собственном прошлом.
• Вы ведь знаете червоточины? Эти ярлыки в космосе? Они также могут действовать как машины времени. Хитрость заключается в том, чтобы взять один конец червоточины и удерживать его неподвижно. Затем возьмите другой и разгоните его до скорости света. Держите его на этой скорости столько, сколько захотите. Теперь верните этот конец к исходному. Два конца червоточины теперь больше не имеют синхронизированных часов из-за эффектов замедления времени при путешествии со скоростью, близкой к скорости света. Поскольку один конец находится в прошлом другого, вы можете просто сесть и отправиться в путешествие во времени.
• Допустим, у вас был бесконечно длинный цилиндр (возможно, вы купили его в местном магазине товаров для дома). Вращайте этот цилиндр почти со скоростью света. Если вы будете осторожно следовать по спирали вокруг вращающегося цилиндра, то, черт возьми, вы попадете в прошлое.
  Внутренняя часть вращающейся черной дыры – довольно интересное место, где конкурирующие противотоки гравитационных и центробежных сил встречаются, чтобы открыть горло в центре черной дыры, создавая возможность ЗВК.

Неудачи во времени

Есть и другие примеры, но я думаю, вы уловили суть. Все это так соблазнительно. Простой ванильный язык ОТО – та же теория, которая проверялась снова и снова на протяжении столетия – предсказывает существование машин времени!

В очень особых обстоятельствах – слишком особых обстоятельствах.

Наблюдения за космическим микроволновым фоном, оставшимся после того, как Вселенной было всего 380000 лет, показывают, что наш космос не вращается. Бесконечно длинных цилиндров не существует. Внутренности черных дыр порождают сингулярности, говорящие нам о том, что математика ОТО ломается и ей нельзя доверять. А червоточины? Они пугающе нестабильны. Единственный фотон, проходящий через горловину червоточины, заставит ее схлопнуться быстрее скорости света. Попытки стабилизировать кротовые норы требуют экзотической материи (например, материи с отрицательной массой, которая не является чем-то особенным), и поэтому их существование столь же спорно, как и само путешествие во времени.

Это тот момент, когда физики начинают нервничать. Общая теория относительности говорит нам, где именно можно позволить путешествия во времени в прошлое. Но каждый пример наталкивается на другие проблемы, не имеющие ничего общего с математикой ОТО. Между всеми этими “кейсами” нет последовательности, никакой связности. Здесь всего лишь одно случайное правило и там еще один случайный факт, ни одно из них не связано ни с ОТО, ни друг с другом.

Если бы неспособность путешествовать во времени была фундаментальной частью нашей Вселенной, вы бы ожидали, что за этим правилом стоит такая же фундаментальная физика. Тем не менее каждый раз, когда мы обнаруживаем ЗВК в общей теории относительности, мы находим какую-то причину, по которой это невозможно (или, по крайней мере, неправдоподобно), и причина кажется случайной. Нет ничего, что связывало бы воедино какие-либо объяснения «нет путешествий во времени для вас».

В чем дело?

Стрела времени застряла

Поскольку мы не добиваемся какого-либо прогресса (каламбур) в построении ЗВК в общей теории относительности, кажется, что путешествия во времени в прошлое запрещены. Но на самом деле доказать это совсем другое дело. Нам нужно руководство из других областей физики, чтобы, как мы надеемся, дать объяснение, почему кажется, что время всегда движется в одном направлении – почему у времени есть стрелка.

Наше первое желание – обратиться к физике фундаментальных частиц, потому что… ну… она фундаментальна. Но тут наше разочарование нарастает, и начинаются мигрени. Это потому, что почти каждое взаимодействие в физике элементарных частиц (да и вообще почти во всей физике) совершенно симметрично во времени.

Если вы столкнете две субатомные частицы друг с другом и посмотрите, как происходит фейерверк, этот фейерверк повлечет за собой разлет других частиц в случайных направлениях. Но эти взаимодействия могут протекать и в обратном направлении: «другие» частицы могут стать входными, врезаясь друг в друга и создавая исходные частицы, которые затем улетают. «Прямая» реакция и «обратная» реакция одинаково предпочтительны.

Короче говоря, в субатомной физике нет стрелы времени.

Вы также можете расширить это до макроскопической физики. Допустим, я снимаю видео, на котором биток ударяет шар с восьмеркой, и проигрываю его вам. Наблюдаете ли вы, что произошло (удар битка о шар-восьмерку), или смотрите перевернутое видео, на котором шар-восьмерка попадает в биток? Без другой информации вы не заметите разницы.

Как насчет еще одного. Я снимаю на видео, как подбрасываю яблоко в воздух и ловлю его, но начинаю записывать момент, когда яблоко выходит из моей руки, и прекращаю записывать момент, когда оно снова касается. Сможете ли вы отличить прямое и обратное воспроизведение? Я так не думаю.

Насколько мы можем судить, фундаментальная физика просто не заботится о времени. И все же мы здесь, переживаем поток из прошлого в будущее и хорошо… проводим время.

Убери свою комнату

Есть одна вещь, которая, кажется, заботится о времени. Собственно, две. Определенные взаимодействия слабого ядерного взаимодействия, по-видимому, нарушают временную симметрию, но они довольно редки и нечасты (особенно по сравнению со всеми взаимодействиями с участием других сил природы). Кроме того, они очень, очень оторваны от нашего обычного восприятия «времени», как мы его понимаем, поэтому, похоже, в них нет секрета путешествий во времени.

А еще есть энтропия. О боже, энтропия.

Системы имеют тенденцию переходить от упорядоченного к неупорядоченному, и это происходит благодаря подавляющей силе необработанной статистики.

Сколько существует способов получить идеально чистую, прекрасно организованную спальню? Только один. Вся одежда аккуратно сложена и убрана. Ни единой пылинки на комоде. Простыни заправлены именно так. Место для всего и все на своих местах. Если вы хотите убрать свою комнату, это должно быть так.

Сколько существует способов получить грязную и беспорядочную комнату? Бесчисленное множество. Коробки для пиццы под кроватью. Носки были разбросаны без промедления. Морщины на простыне. Идите вперед, проявите творческий подход, попытайтесь сосчитать все возможные причины, по которым спальня может стать причиной крушения поезда.

Теперь поместите пересыпанного сахаром малыша в свою спальню и скажите ему, что где-то в нем спрятаны конфеты. Подождите 15 минут. Как вы думаете, как будет выглядеть комната? Да, не так уж и красиво. Конечно, не исключено, что малыш выйдет из комнаты идеально чистым и организованным. Но есть только один способ сделать это, в отличие от триллионов способов, которыми малыш мог сделать комнату беспорядочной.

Это энтропия, которая представляет собой просто способ подсчитать общее количество состояний, которые приводят к одной и той же общей ситуации. Чистая комната имеет более низкую энтропию, чем грязная, поэтому вы с большей вероятностью обнаружите катастрофу, когда малыш закончит, просто по цифрам.

Все молекулы воздуха в комнате, в которой вы сидите, могут спонтанно собираться в одном углу, заставляя вас задыхаться в безвоздушном вакууме. Нет абсолютно никаких законов физики, предотвращающих такую ​​возможность. Но количество способов, которыми молекулы воздуха могут скапливаться в углу, меньше, чем количество способов, которыми они могут просто рассыпаться по комнате. Молекулы воздуха – это квадриллионы за квадриллионами, а еще больше квадриллионов с большей вероятностью заполнят комнату, поэтому нас не беспокоит удушье.

Когда мы позволяем системам развиваться (спальни, автомобильные двигатели, Вселенная), энтропия всегда растет. Когда все маленькие части системы начинают взаимодействовать, у них появляется гораздо больше возможностей в конфигурации с высокой энтропией, чем с конфигурацией с низкой энтропией.

Если вам интересно, это также известно как Второй закон термодинамики.

Все в хаосе

Ага! Это все? Со Вторым Законом мы получаем наглядный пример появления «стрелы» в физике. Все молекулярные взаимодействия, происходящие в вашей комнате, все эти бесчисленные маленькие столкновения, не могут наплевать на время. Каждое взаимодействие симметрично во времени, и все же общее коллективное поведение системы всегда меняется от низкой энтропии к высокой энтропии. Здесь мы имеем дело с асимметричной стрелкой, возникающей в макроскопических системах из всех симметричных взаимодействий, происходящих в микроскопическом масштабе.

Так связана ли энтропия со временем? Основано ли наше восприятие времени на Втором законе?

Ох.

Мы не знаем. Это определенно не новая идея – эта связь была предложена в середине 1800-х годов практически сразу после того, как мы выяснили саму энтропию.

Второй закон носит в основном статистический характер. Конечно, мы никогда, никогда не наблюдали его нарушения, потому что разница между состояниями с высокой и низкой энтропией настолько возмутительно складывается в пользу высокой энтропии. Нам пришлось бы ждать триллионы жизней Вселенной, например, чтобы все молекулы воздуха в вашей комнате одновременно сгустились в углу. Что, конечно, обнадеживает, но все же кажется немного неприятным основывать что-то столь фундаментальное, как стрела времени, на статистическом процессе.