На протяжении всего времени человечество всегда увлекала идея путешествий во времени. От древних мифов и легенд до современной научной фантастики возможность изменить прошлое или заглянуть в будущее продолжает будоражить наше воображение. Однако сейчас, когда наука и технологии достигли беспрецедентного уровня, вопрос о том, действительно ли возможны путешествия во времени, остается одним из самых увлекательных и загадочных. Научное сообщество продолжает исследовать природу времени, проводя эксперименты и разрабатывая теории, но до сих пор неясно, возможны ли реальные путешествия в прошлое или будущее с точки зрения современной физики и какие риски скрываются за такой возможностью.

Путешествие во времени – это идея гипотетического перемещения объекта, человека или информации через различные моменты времени. Концепция включает несколько вариантов событий, таких как: путешествие в прошлое и взаимодействие с событиями, которые уже произошли; путешествие в будущее – перемещение вперед во времени и взаимодействие с событиями, которые еще не произошли; линии времени – идея о том, что путешествия во времени могут создавать различные ветви реальности или параллельные линии времени, где каждой реальности соответствуют различные варианты выбора и события, или замкнутые кривые времени – теоретический подход, предполагающий существование другой реальности, или существование другой линии времени, или замкнутых кривых времени^[1] .

Революционными в контексте путешествий во времени стали теории Эйнштейна о специальной и общей относительности. Они породили концепции пространства-времени и замкнутой кривой времени. Фундаментальная система пространства-времени рассматривает пространство и время как взаимосвязанные элементы единого континуума, в котором каждое событие может быть описано четырьмя координатами: длиной, шириной, высотой и временем, и на которое действуют гравитационные силы. Пространство-время стало ключевым понятием в современной физике, начиная с общей теории относительности и заканчивая квантовой механикой^[2] .

Концепцию замкнутой временной кривой можно представить как временную петлю, описывающую траекторию гипотетического наблюдателя, который, постоянно путешествуя во времени с собственной точки зрения, в какой-то момент оказывается в том же месте и времени, откуда он стартовал. Такая кривая может создавать потенциальные временные парадоксы – логические противоречия, возникающие в результате того, что события прошлого меняются или противоречат друг другу в результате путешествия во времени^[3] .

Наше общее путешествие во времени

Графическое представление замкнутой временной кривой^[4]

Прямо сейчас мы уже путешествуем во времени в наше ближайшее будущее со скоростью одна секунда в секунду. Специальная теория относительности Эйнштейна, на которой основана большая часть современной физики, утверждает, что течение времени зависит от скорости, с которой мы путешествуем. Чем быстрее человек едет, тем медленнее проходят секунды.  Наблюдатель, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, будет ощущать время со всеми его эффектами (скука, старение и т. д.) гораздо медленнее, чем наблюдатель в состоянии покоя^[5] . Другая теория Эйнштейна, общая теория относительности, утверждает, что гравитация влияет на течение времени: чем сильнее гравитация в окрестностях, тем медленнее идет время^[6] .

Эти две фундаментальные теории прекрасно иллюстрируются на примере системы глобального позиционирования GPS. С помощью GPS мы знаем свое точное местоположение благодаря связи со спутниками на высокой околоземной орбите. Спутники вращаются вокруг планеты со скоростью 14 000 км/ч и на расстоянии более 20 000 километров. Согласно специальной теории относительности, спутники движутся гораздо быстрее, чем наземные устройства, которым они передают данные, и время для них течет медленнее.

Для спутников GPS с атомными часами этот эффект уменьшается на 7 микросекунд, или 7 миллионных долей секунды, каждый день.  Но согласно общей теории относительности, часы, расположенные ближе к центру большой гравитационной массы, такой как Земля, тикают медленнее, чем те, что находятся дальше. Поэтому часы на спутниках GPS идут быстрее, потому что они находятся гораздо дальше от центра Земли, чем часы на поверхности, и поправка составляет плюс 45 микросекунд к часам на спутниках GPS каждый день. Вспомните отрицательные 7 микросекунд из расчета специальной теории относительности, и мы получим на 38 микросекунд больше на часах спутников GPS.

Атомные часы на борту переведут время на следующий день только на 38 микросекунд позже, чем аналогичные часы на Земле. Такой сдвиг во времени кажется незначительным, но, учитывая сверхточность современных GPS-технологий, это имеет огромное значение^[7] . Большой адронный коллайдер регулярно отправляет субатомные частицы в будущее, разгоняя их почти до скорости света, тем самым перемещая их относительное время в 6700 раз медленнее, чем у неподвижных человеческих наблюдателей.

Если перенести эту идею на людей как концепцию и нивелировать инженерную составляющую, то можно предположить, что путешествия в будущее вполне возможны. Предположим, человек садится на космический корабль, способный развивать скорость 99,995 % скорости света, и направляется к небесному телу, находящемуся на расстоянии 500 световых лет: путешествие займет 500 лет, и столько же времени потребуется для возвращения. Добавив 1000 лет, путешественник окажется на Земле в 3024 году. Но скорость этого путешествия замедлит его внутренние часы в 100 раз по сравнению с земным временем, и путешественник постареет всего на 10 лет. Однако между теоретически возможным и реальным существует огромный разрыв^[8] . Пока что самый быстрый космический корабль способен двигаться со скоростью всего 635 000 км/ч, в то время как скорость света составляет 1 079 252 848,8 км/ч, так что мы можем путешествовать в лучшем случае лишь на расстоянии чуть более 0,06 % от скорости света^[9] .

Парадоксы прошлого

Графическое представление времени во Вселенной^[10]

Теоретических вариантов путешествий в прошлое множество, но обычно они сопряжены с непреодолимыми парадоксами и основаны на таких необычных теоретических конструкциях, как червоточины, черные дыры и космические струны (которых, возможно, на самом деле не существует). Общая теория относительности предсказывает существование “червоточин” – своеобразных туннелей в пространстве-времени, соединяющих одну точку галактики с другой.

Эта идея основана на концепции черной дыры и гравитационной деформации. Ученые предположили, что если черная дыра – это область пространства-времени, где гравитационное притяжение настолько сильно, что даже свет не может оттуда выйти, то есть она, по сути, действует как вакуум, всасывая всю материю, то теоретически существует и “белая дыра”, которая действует как источник, выбрасывающий материю^[11] . В то время как черные дыры никогда ничего не выпускают, белые дыры никогда ничего не впускают, и чтобы создать червоточину, достаточно взять черную и белую дыры и соединить их, чтобы образовался туннель между ними.

Но даже если теоретически представить себе существование такой “червоточины”, очень сложно предсказать, насколько она будет “безопасной”, что произойдет с частицей в ней и не разрушится ли она мгновенно под действием гравитации. По мнению ученых, для стабилизации такой червоточины потребуется форма материи с отрицательной массой^[12] . И из всех этих гипотетически возможных червоточин, которые могли бы стать порталом в пространстве-времени, теоретически доказанным является только существование черной дыры, белая дыра и материя с отрицательной массой остаются лишь гипотезой, которую допускает теория относительности^[13] .  

Идея путешествий во времени с точки зрения теорий относительности часто наталкивается на различные парадоксы, которые вызывают логические или временные противоречия. Эти парадоксы подчеркивают сложность и неоднозначность идеи путешествий во времени и обсуждаются в теоретической физике и философии. Например, “парадокс дедушки” рассматривает ситуацию, в которой человек путешествует в прошлое и что-то меняет, например, убивает дедушку до рождения родителя. Важно понять, как это влияет на существование человека. Если ваш родитель не родился, то, следовательно, и вы не будете существовать и не сможете вернуться в прошлое. “Парадокс Грюнди” описывает ситуацию, когда вы возвращаетесь в прошлое, чтобы избежать смерти дедушки или бабушки и сделать возможным собственное существование. Однако если ваш дедушка не умер, зачем вам путешествовать в прошлое?

Или, например, так называемый “информационный парадокс”: если информация из прошлого отправляется в будущее, может ли эта информация изменить ход событий так, чтобы будущее, из которого она была отправлена, не наступило? Этот парадокс связан с возможностью изменения будущего с помощью информации из будущего^[14] . В любом случае, с логической точки зрения, все парадоксы предполагают, что любое изменение в прошлом обязательно повлияет на будущее.

На пересечении двух теорий

Червоточины и сегодня являются предметом научной фантастики^[15]

В то время как теория относительности описывает поведение крупных объектов, таких как люди, небесные тела и даже галактики, квантовая механика описывает очень маленькие частицы, такие как электроны и фотоны. На уровне этих субатомных масштабов физика работает таким образом, что ставит в тупик нашу интуицию. Согласно математическому моделированию молодого ученого из Квинслендского университета в Австралии, основанному на постулатах классической динамики, согласно которым наличие данных о состоянии системы в определенный момент времени может рассказать всю историю системы, путешествие в прошлое возможно без парадоксов^[16] .

Ученый изучает влияние некоторых неслучайных процессов на многочисленные области пространственно-временного континуума и показывает, как замкнутые кривые времени могут соответствовать принципам свободы воли и классической физики^[17] . Его работа показывает, что пространство-время потенциально может адаптироваться, чтобы избежать парадоксов. Проще говоря, если путешественник во времени думает, что он предотвращает или изменяет что-то каким-либо действием, система отреагирует таким образом, что события будут подстраиваться так, чтобы быть логически совместимыми с любым действием, предпринятым путешественником во времени, чтобы избежать парадоксов и изменить будущее. Что бы человек ни делал и как бы ни старался, важные события будут корректироваться так, чтобы избежать любых несоответствий^[18] .

Команда из Кембриджского университета провела “мысленный эксперимент”, который изменяет прошлые события задним числом, демонстрируя эффективное путешествие во времени, но на квантовом уровне^[19] . Ученые использовали принцип квантовой запутанности – явление, описывающее состояние двух или более квантовых объектов, при котором их свойства становятся взаимозависимыми настолько, что становится невозможным описать состояние каждого объекта в отдельности, независимо от расстояния между ними. Это означает, что изменение состояния одного из “запутанных объектов” мгновенно влияет на состояние другого объекта, несмотря на разделяющее их физическое расстояние^[20] .

Квантовая физика всегда немного запутана; это явление можно понять на примере карманных часов. Чтобы лучше понять, представьте, что у вас есть пара карманных часов, которые перепутались: один экземпляр находится у вас, а другой вы отправили своему другу на другой конец планеты. Когда вы проверяете время на своих часах и видите, что они показывают 12:00, вы сразу же понимаете, что часы вашего друга тоже будут показывать 12:00, несмотря на то что расстояние между ними огромно.

В своих симуляциях команда исследователей сначала смоделировала запутывание двух частиц, а затем отправила одну из них для использования в эксперименте. После завершения эксперимента ученые получили новую информацию, которая заставила их действовать по-другому. Вместо того чтобы смириться с неудовлетворительным результатом или полностью переделать эксперимент, они манипулировали второй частицей, чтобы изменить прошлое состояние первой и изменить исход эксперимента. Но даже такая имитация изменения прошлого не лишена погрешностей, поскольку эксперимент изменяет прошлое с учетом новой информации лишь примерно в 25 % случаев^[21] . Так что, в любом случае, чаще всего это не так.

Результат, который более чем достаточен для тех, кто поддерживает научные исследования, как в государственном, так и в частном секторе, особенно в военной сфере, чтобы вкладывать энергию, ноу-хау и большие суммы денег в продолжение этих исследований, официальным обоснованием которых в западных странах является поиск решения, позволяющего сделать межзвездные путешествия возможными и доступными в разумные сроки[22] .

Игра со светом

Иллюстрация экспериментальной платформы, используемой для реализации временного отражения^[23]

Волновой физике есть что сказать и о путешествиях во времени. Исследователи из Городского университета Нью-Йорка продемонстрировали прорыв в создании световых отражений времени. Обычное пространственное отражение света происходит, когда световой поток встречает на своем пути материю с оптическими свойствами, отличными от свойств воздуха, что приводит к его отражению, как шарик для пинг-понга, отскакивающий от стены. Но если изменять оптические свойства не в конкретных точках пространства, а на всем пути светового луча, в определенное время, то световой поток будет отражаться во времени, повторяя свои следы, как шарик для пинг-понга возвращается к последнему игроку, который его отбил, демонстрируя тем самым концепцию временного отражения.

Ученые использовали специальный материал, называемый матовым, который состоит из массивов микроскопических стержней или колец[24] , способных взаимодействовать со светом и манипулировать им, изменяя оптические свойства материала за доли наносекунды. Пример таких структурных свойств можно найти и в природе, например, в мерцающем радужном сиянии крыла бабочки. Используя волновод, пропускающий микроволновое излучение, ученые динамически изменили свойства волновода, создав эффект отражения времени.

Этот эксперимент выявил необычные эффекты, такие как изменение цвета и частоты света и инверсия временных составляющих. Это похоже на то, как если бы человек смотрелся в зеркало, но при этом видел свой затылок, который также мог казаться другого цвета. В исследовании также отмечается, что лучи света, которые сталкиваются в этом процессе, ведут себя необычным образом. Обычно свет ведет себя как волна или точечный снаряд. Этот эксперимент показал, что при отражении во времени свет может вести себя и так, и так, в зависимости от того, как сталкиваются волны, что дает ученым возможность контролировать энергию волновых взаимодействий. Это исследование имеет потенциальные последствия для развития новых технологий и понимания фундаментальных аспектов физики, но оно не переносит нас в прошлое или будущее^[25] .

Использование метаматериалов и взаимодействие оптических эффектов открывают новые возможности в физике взаимодействия света и материи. Ученым из Имперского колледжа Лондона удалось создать лабораторный аналог метаматериала, который собирает и сжимает фотоны; этот тип фотонного компрессора имеет общие характеристики с черными дырами^[26] .

Удивительный результат. Тем не менее, идея путешествий во времени покоится на двух столпах: относительности и квантовой механике, которые, хотя и работают очень хорошо для некоторых аспектов Вселенной, несовместимы в контексте путешествий во времени. Почти все эксперименты носят теоретический характер и работают только на бумаге в виде формул и расчетов. Поэтому важно понимать, что новые открытия и теоретические модели взаимодействия материи и пространства-времени не означают, что путешествия во времени станут реальностью. Безусловно, эти концепции способны расширить наше понимание структуры времени, но реальные шаги на пути к физическому путешествию во времени в настоящее время остаются скорее предметом чистой фантазии и научных спекуляций, чем доказанной реальной возможностью.

UK033

---

^[1] https://medium.com/@ki90grq8y/is-the-travel-in-time-possible-4edff90f1fa5 

^[2] https://www.ixbt.com/live/offtopic/chetyrehmernaya-vselennaya-kak-ee-ponyat-i-kak-predstavit-chto-vremya-eto-prostranstvo.html

^[3] https://medium.com/@ki90grq8y/is-the-travel-in-time-possible-4edff90f1fa5 

^[4] https://www.scientificamerican.com/article/time-travel-simulation-resolves-grandfather-paradox/

^[5] https://www.amnh.org/exhibitions/einstein/time/a-matter-of-time

^[6] https://www.bbc.com/future/article/20231110-doctor-who-is-time-travel-really-possible-heres-what-physics-says

^[7] https://www.space.com/21675-time-travel.html

^[8] https://www.popularmechanics.com/science/math/a20718322/building-a-time-machine/

^[9] https://overclockers.ru/blog/Fantoci/show/114846/solnechnyj-zond-nasa-parker-ustanovil-esche-odin-rekord-skorosti-635-000-km-chas

^[10] https://mir24.tv/news/16506175/fizik-priznal-puteshestviya-vo-vremeni-vozmozhnymi

^[11] https://www.physicsoftheuniverse.com/topics_blackholes_wormholes.html

^[12] https://www.livescience.com/what-are-wormholes

^[13] https://www.livescience.com/wormholes-may-be-stable-after-all

^[14] https://ru.sputnik.kg/20230409/legche-v-buduschee-chem-v-proshloe-paradoksy-puteshestviy-vo-vremeni-1074202249.html

^[15] https://www.independent.co.uk/news/science/the-big-question-is-time-travel-possible-and-is-there-any-chance-that-it-will-ever-take-place-779761.html

^[16] https://www.uq.edu.au/news/article/2020/09/young-physicist-squares-numbers%E2%80%99-time-travel

^[17] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/aba4bc/pdf

^[18] https://www.sciencealert.com/physicist-discovers-paradox-free-time-travel-is-theoretically-possible

^[19] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.150202

^[20] https://habr.com/ru/articles/765480/

^[21] https://thedebrief.org/scientists-successfully-simulate-backward-time-travel-with-a-25-chance-of-actually-changing-the-past/

[22] https://www.quora.com/How-can-we-solve-the-problem-of-Interstellar-travel-time-and-distance-limitations-for-human-exploration-of-other-planets-in-our-Galaxy

^[23] https://spectrum.ieee.org/time-reversal-interface

[24] Сложная система данных: https://en.wikipedia.org/wiki/Array_(data_structure)

^[25] https://www.scientificamerican.com/article/light-can-travel-backward-in-time-sort-of/ , https://www.nature.com/articles/s41567-023-01975-y.epdf?sharing_token=VdRKZY-D7oEepAbkw7kbIdRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0P-Y1zeDeMZfN0XstvlFFPW623hzPpIf8TQ2PzpcixbQoiW0atH7fNn9OhbtvBWndwFiU9NzNt2vqXs29TWwJ-qND8EypHgsNnqb38-RxBpB1oNk_11u81xb1KQ-Y3OP_IaAeRdfVJmhM6kb5Qxx5BcdioHqYLncqIohrObW9aaVIHPDKi4vYhAZzKn8PWpedA%3D&tracking_referrer=www.scientificamerican.com 

^[26] https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-7-724&id=477398