Kopš H. G. Wells publicēja savu Time Machine, pastaigas pagātnē vai nākotnē, ar neizbēgamu atgriešanos viņu pašu laikmetā, ir nostiprinājušās zinātniskajā fantastikā. Bet vai tie ir iespējami no mūsdienu zinātnes viedokļa, vismaz tīri teorētiski?
Kopā ar līdzīgi domājošu cilvēku grupu es pēta laika ceļojumus vispārējās relativitātes kontekstā ar noteiktām kvantu korekcijām. Konkrēti, problēma tiek uzdota šādi: vai ir iespējams ar noteiktu kvantu lauku palīdzību konstruēt vispārējās relativitātes izliektu telpas-laika laiku, kas satur slēgtas pasaules līnijas? Ja pasaules līnija atstāj noteiktu telpas-laika punktu un atgriežas pie tā, tad pārvietošanās pa šo cilpu būs tikai laika ceļojums. Tiem, kas pārzina relativitātes teoriju, es paskaidrošu, ka pasaules līnijai jābūt līdzīgai laikam. Tas nozīmē, ka neviena kustība gar to nedrīkst pārsniegt gaismas ātrumu.
Pusklasiskā
Mūsu pieeju laika ceļojuma problēmas formulēšanai var saukt par pusklasisko, jo tā balstās uz Einšteina klasiskās gravitācijas teorijas apvienošanu ar kvantu lauka teoriju. Daži cilvēki saka, ka šī ceļojuma problēma ir jāpēta, pamatojoties tikai uz gravitācijas teoriju, kas ir kvantu teorija, taču tā vēl nav izveidota un mēs nezinām, kā tā izskatīsies.
Einšteina vienādojumi ir simetriski attiecībā pret laiku, to risinājumus var turpināt gan nākotnē, gan pagātnē. Tāpēc no tiem neizriet laika neatgriezeniskums, kas uzliktu laika ceļojuma aizliegumu. Tomēr telpas-laika ģeometrisko struktūru nosaka vielas piepildošās telpas īpašības, tās enerģija un spiediens. Tātad mūsu galveno problēmu var pārformulēt šādi: kāda veida matērija pieļauj pasaules līniju cilpas? Izrādās, ka lieta, pie kuras mēs esam pieraduši, sastāv no daļiņām un starojuma, tam nekādā veidā nav piemērota. Mums ir vajadzīga cita veida matērija, kurai ir negatīva masa, un tāpēc, ja mēs atceramies slaveno Einšteina formulu E = mc2, un negatīvo enerģiju (starp citu, nejauciet šādu matēriju ar daļiņām - to masas un enerģijas ir pozitīvas). To jau sen ir pierādījuši vairāki fiziķi,piemēram, Stefans Hokings.
Kazimira efekts
Reklāmas video:
Jautājums ar negatīvu masu un enerģiju var šķist absurds, taču to izstrādāja teorija un pat apstiprināja eksperiments. Tiesa, klasiskā fizika to nepieļauj, taču no kvantu lauka teorijas viedokļa tā ir pilnīgi likumīga. Par to liecina nīderlandiešu fiziķa Hendrika Kazimira vārdā nosauktais fiziskais efekts. Ja mēs ņemam divas slīpētas metāla plāksnes un novietojam tās stingri paralēli viena otrai vairāku mikrometru attālumā, tās piesaistīs ar izmērāmu spēku (kas pirmo reizi tika veikts pirms 15 gadiem). Šo pievilcību precīzi izskaidro fakts, ka atstarpei starp plāksnēm ir negatīva enerģija.
No kurienes tas nāk? Vienkāršības labad mēs pieņemsim, ka plāksnes atrodas ideālā vakuumā. Saskaņā ar kvantu teoriju, visu laiku dzimst un pazūd dažādas kvantu lauku svārstības, piemēram, virtuālie fotoni. Tie visi veicina brīvā vakuuma vidējo enerģiju, kas ir nulle. Lai tas būtu iespējams, dažām svārstībām jābūt ar pozitīvu enerģiju, bet citām - ar negatīvu enerģiju.
Bet fizisko ķermeņu tuvumā šo līdzsvaru var neievērot. Jo īpaši telpā starp plāksnēm “mīnus” svārstības dominē pār “plus”. Tāpēc vakuuma enerģijas blīvums tur ir mazāks par brīvā vakuuma enerģijas blīvumu, tas ir, mazāks par nulli. Šis blīvums ir apgriezti proporcionāls spraugas starp plāksnēm platuma ceturtajai jaudai, savukārt starplikas telpas tilpums ir proporcionāls pašam platumam. Tātad viņu produktam ir negatīva zīme un tas ir apgriezti proporcionāls slota platuma kubam. Rezultātā, kad plāksnes tuvojas viena otrai, kopējamā starplikas telpas vakuuma enerģija arvien vairāk un vairāk nokrītas zem nulles atzīmes, un tāpēc ir enerģētiski izdevīgi, lai tās piesaistītu viena otrai.
Laika patruļa
Bet atpakaļ uz laiku ceļot. Tā kā parastajai matērijai ir pozitīva masa, nav iespējams no tās izgatavot ierīci, kas varētu ceļot laikā. Ja šī problēma ir atrisināma, tad tikai ar dažu kvantu lauku konfigurāciju palīdzību, kas nodrošina negatīvu enerģiju visā slēgtajā pasaules līnijā.
Tomēr acīmredzot ir vienkārši neiespējami izveidot šādu konfigurāciju. To kavē ļoti svarīgs ierobežojums, ko sauc par vidējo nulles enerģijas stāvokli (ANEC). Matemātiski tas tiek izteikts diezgan sarežģītā integrālā formā, un vienkāršā parastā cilvēku valodā tiek teikts, ka jebkādam negatīvas enerģijas ieguldījumam pa fotonu pasaules līnijām jābūt precīzi vai pat ar pārmērīgu, ko kompensē pozitīvās enerģijas piedevas.
Saskaņā ar visiem pieejamajiem datiem, daba bez izņēmumiem atbilst ANEC. Var parādīt, ka arī Kazimira efekts ievēro šo nosacījumu. Piemēram, ja jūs izveidojat divus caurumus plātnēs, kas atrodas pretī viens otram, un caur tām no ārpuses caur starpslāņu telpu iziet gaismas staru, kopējais enerģijas daudzums, kas mainās gar tā pasaules līniju, būs pozitīvs.
Kā tas ietekmē laika ceļojumus? Var pierādīt, ka, ja noteikts ANEC analogs darbojas izliektā telpā ar vispārēju relativitāti, tad šādi gājieni nav iespējami.
Citiem vārdiem sakot, šī ANEC versija, kuru mēs saucām par asinhrono, uzliek aizliegumu visiem laika mašīnu projektiem, kas izgatavoti, izmantojot matūru ar negatīvu masu.
Tagad es strādāju ar saviem studentiem pie šīs versijas matemātiskā pierādījuma, un man šķiet, ka mēs jau kaut ko esam sasnieguši.
Ja mums izdosies uzrādīt nepieciešamo pierādījumu, tiks parādīta laika mašīnas praktiskā nepraktiskums - vismaz pusklasiskās pieejas ietvaros. Un tā kā mums vēl nav pilnīgas gravitācijas kvantu teorijas, šis secinājums būs jāpieņem vismaz pirms tā izveidošanas.
Kens Olums, Tufta universitātes fizikas profesors.
Intervēja: Aleksejs Levins, Oļegs Makarovs, Dmitrijs Mamontovs