Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - Митио Каку

В 1963 г. исследование черных дыр получило новый толчок, когда новозеландский математик Рой Керр обобщил теорию шварцшильдовой черной дыры так, чтобы включить в нее вращающиеся черные дыры. Поскольку все во Вселенной, кажется, вращается, и поскольку объекты вращаются все быстрее, когда сжимаются, было естественно предположить, что любая реальная черная дыра будет вращаться с фантастической скоростью. К всеобщему удивлению, Керр нашел точное решение уравнений Эйнштейна, в котором звезда коллапсировала во вращающееся кольцо. Гравитация в этом случае пытается схлопнуть кольцо, но центробежные эффекты могут оказаться достаточно сильными, чтобы противостоять гравитации, и вращающееся кольцо будет стабильным. Релятивистов больше всего удивило, что при пролете сквозь кольцо вас бы не раздавило. Гравитация в центре кольца сильна, но конечна, так что в принципе вы могли бы пролететь прямо сквозь кольцо, в другую Вселенную. Путешествие по мосту Эйнштейна – Розена не обязательно должно окончиться смертельным исходом. Если кольцо оказалось бы достаточно большим, через него можно было бы безопасно попасть в параллельную Вселенную.

Физики сразу же начали разбирать по косточкам все, что может произойти при падении в черную дыру Керра. Встреча с такой черной дырой, безусловно, стала бы незабываемым переживанием. В принципе, такая дыра могла бы подарить нам короткий путь к звездам, мгновенно перенося в другую часть Галактики или, может быть, вообще в другую Вселенную. Приближаясь к черной дыре Керра, вы прошли бы сквозь горизонт событий, так что вернуться в точку старта после этого уже невозможно (если только не существует другой черной дыры Керра, связывающей ту, параллельную вселенную с нашей в обратном направлении; тогда возможен круговой маршрут). Выяснилось, однако, что существуют проблемы со стабильностью этой системы. Если человек пролетает сквозь мост Эйнштейна – Розена, то созданные им искажения пространства-времени, могут вынудить черную дыру Керра закрыться, и тогда завершить проход по мосту окажется невозможным.

Какой бы странной ни казалась идея черной дыры Керра, служащей вратами или порталом между двумя вселенными, от нее нельзя просто отмахнуться по физическим соображениям, поскольку черные дыры и правда вращаются очень быстро. Однако очень скоро стало ясно, что эти черные дыры соединяют не только две отдаленных точки в пространстве, но и два времени и могут работать как машины времени.

Когда Гёдель в 1949 г. нашел первое решение уравнений Эйнштейна в форме путешествия во времени, физики рассматривали это как новацию, как изолированную аберрацию этих уравнений. Однако с тех пор были найдены десятки решений эйнштейновых уравнений, связанных с путешествиями во времени. Выяснилось, к примеру, что одно из старых решений, найденное в 1936 г. Виллемом ван Стокумом, в реальности позволяет путешествия во времени. Решение ван Стокума представляло собой бесконечный цилиндр, быстро вращающийся вокруг своей оси, как волчок. Если двигаться вокруг вращающегося цилиндра, то можно попасть в начальную точку раньше, чем вышел из нее, примерно как в решении Гёделя 1949 г. Это решение представляет интерес, но проблема в том, что цилиндр должен быть бесконечно длинным. Конечный вращающийся цилиндр, по-видимому, работать не будет. Поэтому, в принципе, и решение Гёделя, и решение ван Стокума могут быть исключены по физическим соображениям.

В 1988 г. Кип Торн из Калифорнийского технологического института с коллегами обнаружил еще одно решение уравнений Эйнштейна, разрешающее путешествия во времени сквозь кротовые норы. Ученые сумели решить проблему односторонности путешествия сквозь горизонт событий – они показали, что некий новый тип кротовых нор полностью проходим в обоих направлениях. Более того, они рассчитали, что путешествие сквозь подобную машину времени может оказаться столь же комфортабельным, как полет на обычном самолете.

Ключом ко всем этим машинам времени является материя или энергия, закручивающая пространство-время и замыкающая его на себя. Чтобы изогнуть время в крендель и замкнуть его, нужно фантастическое количество энергии, намного больше той, что известна современной науке. Для машины времени Торна необходима отрицательная материя или отрицательная энергия. Никто пока не видел никакой отрицательной материи, и если бы у вас в руке вдруг оказался кусочек такого вещества, то падать он стал бы вверх, а не вниз. Поиски отрицательной материи пока безрезультатны. Если бы что-то подобное существовало на Земле миллиарды лет назад, оно бы «упало вверх» в открытый космос и потерялось навсегда. Отрицательная энергия в самом деле существует в форме эффекта Казимира. Если взять две незаряженные металлические пластины и расположить их параллельно, то мы знаем, что они не должны ни притягиваться друг к другу, ни отталкиваться. Они должны пребывать в покое. Однако в 1948 г. Хендрик Казимир продемонстрировал любопытный квантовый эффект, при котором такие пластины притягиваются друг к другу со слабой, но ненулевой силой, которую удалось измерить в лаборатории.

Таким образом, машину времени Торна можно построить следующим образом. Возьмите две пары параллельных металлических пластин. Из-за эффекта Казимира область между пластинами каждой пары обладает отрицательной энергией. По теории Эйнштейна присутствие отрицательной энергии открывает крохотные дырки, или пузырьки, в пространстве-времени (меньше по размеру, чем любая элементарная частица) в этой области. А теперь представьте, что некая продвинутая цивилизация, далеко обогнавшая нашу, может каким-то образом манипулировать этими дырками, например взять по одной дырке из каждой пары пластин, а затем растянуть их таким образом, чтобы получившаяся длинная трубка, или кротовая нора, соединила обе пары пластин. (Связывание двух пар параллельных пластин при помощи кротовой норы выходит далеко за рамки возможного для современных технологий.) А теперь отправьте одну пару пластин в ракете, летящей со скоростью близкой к скорости света, так чтобы время в ней замедлилось. Как мы уже говорили, часы в ракете идут медленнее, чем часы на Земле. Если запрыгнуть в дыру, расположенную между параллельными пластинами на Земле, то вас засосет в кротовую нору, соединяющую две дыры, и вы неожиданно окажетесь в ракете и в прошлом – в другой точке пространства и времени.

С тех пор машины времени (или, более корректно, «замкнутые времениподобные кривые») образовали оживленный раздел физики, где десятками публикуются статьи с различными проектами, неизменно основанными на теории Эйнштейна. Однако понравилось это далеко не всем физикам. Хокингу, к примеру, идея путешествий во времени пришлась не по душе. Он насмешливо заметил, что, если бы путешествия во времени были возможны, у нас было бы не протолкнуться от туристов из будущего, а этого, согласитесь, не наблюдается. Если бы машины времени стали обычны, как автомобили, то писать историю было бы просто невозможно – ведь она менялась бы всякий раз, когда кто-нибудь поворачивал номерной диск своей машины времени. Хокинг заявил, что хочет сделать мир безопасным для историков. Однако в книге Теренса Уайта «Король былого и грядущего»[34] описано сообщество муравьев, которые подчиняются закону: «Все, что не запрещено, обязательно». Физики очень серьезно воспринимают этот закон, поэтому Хокингу пришлось постулировать «гипотезу защиты хронологии», запрещающую машины времени в приказном порядке. (Хокинг уже перестал пытаться доказывать эту свою гипотезу. Теперь он утверждает, что машина времени, хотя теоретически и возможна, практически нереализуема.)