Физика реальных хронопутешествий Как попадать в прошлое и будущее без вреда для себя и окружающих

21 октября 2015 года Марти Макфлай и Док Браун, согласно сюжету кинотрилогии «Назад в будущее», прибудут к нам в гости — прямиком из 1985-го. Возможны ли путешествия во времени и изменение прошлого а-ля Макфлай с точки зрения современной физики? Как следует вести себя хронопутешественникам и в какие миры они попадают?

Когда во II веке нашей эры основатель жанра научной фантастики Лукиан Самосатский описал путешествие на Луну, Венеру и межпланетные войны, он и сам вряд ли верил в то, что ближайшие небесные тела столь густо населены разумными существами. Однако самолеты, вертолеты, полеты в космос, телевидение и даже видеочат были предсказаны в XIX веке именно фантастами, а Игорь Сикорский называл свой вертолет попыткой перенести в реальную жизнь вымысел Жюля Верна.

Те же фантасты XIX века описали и машину времени, однако она до сих пор не только не создана, но и сама ее принципиальная возможность по-прежнему вызывает горячие споры. Почему же бурный прогресс науки не прояснил этот вопрос?

Эйнштейн — крестный отец хронопутешествий

В 1881 году Эдвард Митчелл опубликовал рассказ «Часы, которые шли назад». Описанная там машина времени и вызванные ею парадоксы были абсолютно невозможны с научной точки зрения той эпохи. Считалось, что «течение абсолютного времени изменяться не может», и никакие путешествия в прошлое или будущее (кроме будничного старения) в принципе исключены.

Теория относительности Эйнштейна и соответствующая ей картина Вселенной все резко изменили. Выяснилось, что неизвестно, существовало ли время вообще до планковской эпохи, близкой в Большому взрыву. Зато обнаружилось, что в будущее можно путешествовать существенно быстрее, чем со скоростью одного часа в час. В 1905 году Эйнштейн сформулировал это так: «Если в точке А находится пара синхронно идущих часов и мы перемещаем одни из них по замкнутой кривой с постоянной скоростью до тех пор, пока они не вернутся в А (на что потребуется, скажем, t секунд), то эти часы по прибытии в А будут отставать по сравнению с часами, остававшимися неподвижными».

В дело вступает релятивистское замедление времени — эффект теории относительности, из-за которого в движущемся теле все физические процессы проходят медленнее, чем в неподвижном. Этот эффект обычно иллюстрируют «парадоксом близнецов». Отправив одного близнеца в космос на близкой к световой скорости на 20 лет по земному времени, мы обнаружим, что он почти не постарел, в отличие от его брата-близнеца, оставшегося на Земле. Поскольку лазерный и солнечный парус теоретически могут разогнать человека до таких скоростей, обе эти конструкции фактически — машины времени для перемещения в будущее. Отличие от описаний Уэллса только в том, что путешественнику придется перемещаться не только во времени, но и в пространстве.

Сложнее с путешествием в прошлое. Перемещение быстрее света должно вести именно к нему — и именно это называют главной причиной его неосуществимости. Чисто гипотетически построить машину времени можно с помощью отрицательной энергии. Само существование квантовых флуктуаций означает, что даже во вроде бы пустом пространстве на деле присутствует множество пар виртуальных частиц, которые появляются и исчезают, аннигилируя друг с другом. Один из элементов каждой такой виртуальной пары имеет положительную энергию, а другой — отрицательную. В ряде случаев аннигиляция может не случиться — и возникнет материя с экзотическими свойствами, пригодная для создания машины времени.

Другое гипотетическое средство хронопутешествий — кротовые норы, «туннели» в пространстве, соединяющие две сколь угодно удаленные друг от друга точки (как в фильме «Интерстеллар»). Кротовые норы предсказаны теорией относительности, и единственное, что требуется, чтобы они не схлопывались, — это вышеописанная материя с отрицательной энергией.

Сходные возможности дает и пузырь Алькуберре, предложенный физиками-теоретиками более 20 лет назад. Такой объект может перемещаться быстрее света, сжимая пространство прямо перед собой и расширяя его позади себя. Хотя самого сверхсветового движения при этом не происходит (перемещение идет за счет искривления пространства), отправившись к далекой звезде, а затем вернувшись к Земле, экипаж пузыря должен попасть в прошлое. Как и в случае с эйнштейновским путешествием в будущее на субсветовых скоростях, теоретически в пузыре нет никаких противоречий известным законам физики, нужно лишь решить практические сложности по его созданию.

Машина судного дня

Одно из ключевых возражений против путешествий в прошлое сформулировал четверть века назад физик Стивен Хокинг: «Если путешествия во времени возможны, то где в таком случае путешественники?» Оппоненты быстро указали на концептуальное сходство этого возражения с известной поговоркой насчет ума и денег: множество гениев умерло в бедности, но это вовсе не означает, что создатель геометрии Лобачевского был неумен.

Конечно, Хокинг включил в свою гипотезу о защите хронологии не только этот тезис. По его мнению, путешествия в прошлое для макроскопических объектов (например, человека) невозможны, поскольку этому препятствуют физические законы. Он предложил рассматривать путешествие во времени как замкнутую времениподобную кривую (прошлое — будущее — прошлое —...). Та область в пространстве, где она работает, ограничена, а на ее границе должен возникать горизонт событий, чем-то сходный с горизонтом событий черной дыры. Одна беда: по такой замкнутой времениподобной кривой должны перемещаться замкнутые лучи света, бесконечно наворачивающие круги по этой кривой. Бесконечно вращающиеся виртуальные частицы в такой ситуации не исчезают со временем, накапливаясь и доводя плотность энергии на горизонте событий машины времени до бесконечности. «Выходит, что человек или космический зонд, который попробует пересечь горизонт и попасть в машину времени, будет полностью уничтожен завесой излучения», — резюмирует Хокинг.

Но главная проблема гипотезы Хокинга в том, что полноценной теории, учитывающей и гравитацию, и квантовые эффекты (которые, по Хокингу, уничтожат путешественника во времени), пока нет. Теория квантовой гравитации еще не построена — прежде всего потому, что две физические теории, которые она пытается связать воедино (квантовая механика и общая теория относительности) опираются на разные наборы принципов. Первая описывает временнУю эволюцию физических систем на фоне внешнего пространства-времени, которого в ОТО нет вовсе (точнее, оно является динамической переменной теории). Иными словами, хотя большинству физиков импонирует идея о невозможности безопасного движения назад во времени, на данный момент никаких твердых данных, противоречащих такой возможности, нет.

Хуже того: в ряде случаев попытки применить варианты хокинговской гипотезы ведут к ужасающим заключениям. Например, пузырь Алькуберре, в силу сверхсветового перемещения действующий как машина времени, может накапливать колоссальную энергию и, прибывая в ту или иную область пространства-времени, эту энергию высвобождать. Такая машина времени, даже без путешественника на борту, при торможении уничтожит всю ту область, куда она отправилась. Если бы нечто подобное было возможно, мы все могли бы моментально исчезнуть в ослепительной вспышке сразу после первого же эксперимента по путешествию во времени.

Парадокс Гитлера

Есть и другие основания, по которым физики настороженно относятся к идее хроноскачков — и это прежде всего причинность.

Представим себе ситуацию: совестливый изобретатель машины времени делает первой своей миссией убийство фюрера. Если он выполнит поставленную задачу, цель его путешествия моментально исчезнет: Вторая мировая будет принципиально иной, фамилия Гитлер ничего никому не будет говорить уже ко времени рождения изобретателя. Причина убьет следствие, а это должно убить причину — и что же произойдет в такой ситуации на практике, не очень понятно.

Что хуже всего, влияние Гитлера на историю планеты слишком велико, и любой мыслимый изобретатель, убивший его, с высокой вероятностью просто не родится. Если Вторая мировая и случится, то в другое время и вызовет другие демографические последствия: мать и отец гитлероубийцы, скорее всего, никогда не встретятся, что делает парадокс Гитлера еще и разновидностью парадокса убийства дедушки.

Даже если предположить, что хронопутешествия будут сразу монополизированы государством или организацией с идеальными возможностями контроля, получается, что придется постоянно вмешиваться в ход развития человечества, либо защищая его от путешественников-одиночек, намеревающийся «убить Гитлера», либо меняя время в «нужном» направлении самостоятельно. И тот и другой вариант превращают историю в древнегреческий театр, где логика и причинность заменены спонтанным вмешательством deus ex machina, причем таким, которое мы не можем ни контролировать, ни предсказать.

Всех не перевешать

И все же часть физиков в условиях отсутствия твердых доказательств гипотезы о защите времени попробовали доказать, что и без нее такие путешествия не ведут к вышеописанным сокрушительным последствиям. В 1991 году Дэвид Дойч (David Deutsch) предложил такое решение: в момент начала путешествия любая система распадается на две подсистемы. Одна из них — замкнутая времениподобная кривая B, а вторая — внешняя по отношению к ней подсистема А (например, путешественник). По расчетам Дойча, если мы сможем описать все отличия системы А от В одной унитарной матрицей, мы автоматически переводим происходящее в представление Шредингера. Возникнет сразу множество возможных решений, у одного из которых будет наибольшая энтропия. В нем изменение произойдет (мир изменится), но во всех остальных локально ничего не поменяется.

То есть убьет кто-либо Гитлера или нет, для сохранения принципа причинности не так важно. Даже если у убийцы все получится, мир, в котором фюрер не пришел к власти, станет не нашим, а частью параллельной Вселенной (многомировая интерпретация). Как видим, этот вариант куда оптимистичнее уничтожения человечества при попытке первого запуска машины времени. Правда, если он верен, то никаких последствий деятельности хронопутешественников мы никогда не заметим. Все их титанические усилия просто приведут к образованию еще одной параллельной Вселенной, не связанной с нашей.

Моральный кодекс хронопутешественника

В 1970-х не менее оригинальное объяснение парадоксов времени предложил известный астрофизик Игорь Новиков. Принцип Новикова прост: в нашей Вселенной локально могут происходить только такие хронопутешествия, которые глобально самосогласованы, то есть не являются взаимоисключающими. Любая попытка радикально переделать прошлое в нашем мире (а не в одной из параллельных Вселенных) может закончиться лишь провалом. Например, отправившись в прошлое и убив своего деда, вы, вернувшись, обнаружите, скажем, что вы, как и несколько процентов всех детей на Земле, —плод внебрачной связи, из-за чего убийство предположительного дедушки вообще ни на что не повлияло.

Фактически Новиков предполагает, что свобода воли всех путешественников во времени жестко ограничена предложенным им физическим принципом. То есть условный аналог закона сохранения энергии — своего рода закон сохранения причинности — не позволяет изменить то, что так или иначе повлияло на возникновение субъекта. Также как сила тяготения не дает взлететь без самолета, принцип самосогласованности не даст убить Гитлера.

Если же кажется, что путешественник вопреки всему все же изменил прошлое, то, скорее всего, перед нами просто видимость. В известной сцене из первой части фильма «Назад в будущее» Марти Макфлай в 1955 году исполняет хит Чака Берри Johnny B. Goode. Присутствующий при этом чернокожий гитарист немедленно звонит своему кузену (Чаку Берри) и предлагает ему ознакомиться с «новым саундом» по телефону. На первый взгляд, это довольно грубое вмешательство в историю: Чак Берри — один из самых влиятельных музыкантов раннего рок-н-ролла, а Johnny B. Goode сочинен им лишь в 1958 году. Изменение прошлого? Пересмотрите эту сцену еще раз: Марвин дает своему кузену послушать Марти, лишь когда тот закончил петь и перешел к жесткому гитарному соло, достаточно свежему даже для 1980-х, и абсолютно нетипичному для рок-н-ролла. Ничего из того, что мог заимствовать Берри, он так и не услышал.

Но некоторые моменты действия принципа Новикова неясны. Представим, что, изобретя машину времени, мы отправились в прошлое и решили поведать жителям XIX века о существовании такого устройства. Очевидно, что это будет колоссальным вмешательством в историю, после которой жизнь земных государств может существенно измениться. Уведомить любого жителя прошлого о существовании такой машины (до того, как ее изобретение будет освещено в прессе) для хрононавта физически невозможно. Все, что вы можете сделать, прилетев в XIX век, — купить документы на имя Герберта Уэллса и выпустить какой-нибудь роман на эту тему.

Беспричинные люди

На первый взгляд кажется, что принцип Новикова даже без непроверяемой многомировой интерпретации снимает все темпоральные парадоксы. Увы, все не так просто. Вспомните анекдотический сюжет цикла «Терминаторов»: пытаясь бороться с Коннором, Скайнет невольно ознакомил юношу с самой возможностью путешествия во времени. В итоге тот, повзрослев, отправил в прошлое своего отца, родившегося позже самого Коннора. Итак, самосогласованность по Новикову налицо, однако налицо и парадокс: сын Сары Коннор становится продуктом существования замкнутой времениподобной кривой, вне которой его возникновение с данным набором генов невозможно.

На деле вся научная фантастика насыщена такими примерами, и иногда («Стальная крыса» Гаррисона) возникают даже существа, которых вообще никто не зачинал и не рождал, попадающие из собственного будущего в собственное прошлое по кругу. Они переживают свой жизненный цикл бесконечное количество раз, как персонаж «Дня сурка». Вот только, в отличие от последнего, у них нет ни малейших шансов что-либо изменить в своей жизни.

Назад в 2015 год

Во время съемок «Назад в будущее» еще не было многомировой интерпретации Дойча. Тем не менее кинотрилогия демонстрирует множество альтернативных реальностей (чуть не десяток). Правда, в отличие от концепции Дойча, Марти Макфлай может перемещаться между альтернативными историями своей семьи и всего городка. Еще интереснее то, что он пытается следовать принципу самосогласованности (хотя выводы Новикова не были широко известны на Западе): юноша всячески способствует браку своих родителей.

Разумеется, несмотря на элементы самосогласованности, полностью избежать парадоксов и странностей франшизе не удалось. Например, в 1885 году Док и Марти не могут разогнать «Делореан» и улететь в будущее, потому что у них нет бензина. Меж тем в их реальности в этот момент находится два «Делореана», в одном из которых вполне может быть бензин — но никто из них об этом даже не вспоминает. В других эпизодах количество копий машины времени может достигать четырех, причем получается, что основная их часть существует только в рамках замкнутых времениподобных кривых, они «размножены» с помощью путешествий во времени, а не заводского конвейера.

Формально все мелкие противоречия трилогии «Назад в будущее» вполне могут укладываться в рамки многообразия различных гипотез, предполагающих возможность путешествий в времени. А могут и не укладываться — уж слишком мало мы пока знаем о подробностях таких процессов. Впрочем, как уже отмечалось выше, если бы нечто подобное когда-либо и случилось, путешественники во времени сделали бы все от них зависящее, чтобы мы об этом никогда не узнали.